Компактнее, мощнее, эффективнее

Фото: Юго-Западный исследовательский институт

В техасском Сан-Антонио завершён первый этап испытания пилотной ТЭС мощностью 10 МВт, основанной на закрытом цикле Брайтона с применением в качестве рабочего тела углекислого газа в сверхкритическом состоянии (sCO₂). Прототип станции, размещённый на площадке Юго-Западного исследовательского института, включает специально созданные для этого компрессор, турбину, рекуператор тепла и охладитель. В качестве источника тепла для нагрева рабочего тела используется природный газ.

На первой фазе тестирования турбина достигла номинальной частоты вращения ротора 27 000 об./мин при давлении рабочего тела 250 бар и температуре 500 °C. Энергоустановка (см. рис. 1) была успешно синхронизирована с сетью и выдала в неё мощность 4 МВт. «Собранные на пилотной установке данные помогут нам оптимизировать конструкцию, увеличить производительность и управляемость будущих ТЭС на сверхкритической углекислоте, заложив фундамент их широкого коммерческого применения», - сказано в материалах научно-производственной компании GTI Energy, которая координировала проект.

Сфера применения

Директор GTI Energy по программе sCO₂ Уильям Фоллет разъяснил практическое значение прототипа: «Мощность до 10 МВт и температура в 500 °C хорошо подходят для утилизации сбросного тепла на предприятиях, позволяя им превращать тепловые потери в электроэнергию. На следующей фазе проекта, которая планируется к запуску в 2025 году, мы переконфигурируем ТЭС для работы в Брайтоновском цикле с рекомпрессией. Температура углекислого газа на входе в турбину будет повышена до 715 °C, что даст значительный прирост эффективности». Разработку предполагается использовать с низкоуглеродными источниками тепловой энергии, такими как поля солнечных отражателей, ядерные реакторы, котлы, работающие на биомассе и свалочном газе.

Вторая фаза проекта нацелена на получение электрической мощности в 10 МВт, но важнее, конечно, технологический прогресс. «Успех этого проекта подчёркивает потенциал технологии sCO₂ для трансформации всей отрасли, это важный шаг к устойчивому развитию и построению более надёжных энергетических систем», – отметил вице-президент GTI Energy по углеродному следу Дон Стивенсон.

Уникальные характеристики

Чем интересна углекислота в сверхкритическом состоянии? Она ведёт себя как плотная и притом сжимаемая жидкость, а потому может эффективно поглощать тепловую энергию и приводить во вращение турбину. Турбина той же мощности на sCO₂ получается гораздо более компактной (до десяти крат), чем паровая или газовая, благодаря чему сокращается материалоёмкость энергоустановки. Одновременно повышается её термодинамическая эффективность.

Созданная специально для проекта 16-мегаваттная трёхступенчатая турбина отличается уникально высокой массовой удельной мощностью – 200 кВт/кг. Её ротор с лопатками изготовлен как единое целое.

На второй фазе проекта намечено получить КПД свыше 50%. Для этого в Юго-Западном исследовательском институте будут установлены второй рекуператор (низкотемпературный) и обходной компрессор (см. рис. 2). Если первая фаза была призвана продемонстрировать работоспособность системы, найти подходы к её управлению и проверить характеристики ключевых компонентов, то вторая должна завершиться созданием оптимизированного решения, в котором устранены излишние сложности и сняты технологические риски.

Через тернии...

Работы по созданию энергоблока, использующего вместо водяного пара углекислый газ в сверхкритическом состоянии, начались ещё в 2013 году. Строительство демоустановки было запущено в 2018-м и завершилось в декабре 2023-го. Пусконаладка тянулась до марта 2024-го, после чего приступили к испытаниям и измерениям.

Углекислый газ в сверхкритическом состоянии обладает совсем иными свойствами, чем водяной пар. И конструкторам пришлось преодолеть немало технических трудностей, связанных с использованием новых материалов. Чего стоила только система труб из сплава инконель-725 (никель-хром-молибден-ниобий)!

Некоторые элементы были созданы специально для данного проекта. Это, например, высокотемпературные клапаны для управления турбиной и её остановки, для которых пришлось разрабатывать технологию литья корпусных элементов из необычных сплавов. Другая новинка – печатные пластинчатые теплообменники: блоки из множества металлических пластин с химически протравленными канавками, полученными аналогично проводникам на электронных печатных платах. Несмотря на узкие сечения каналов (несколько миллиметров), печатная структура обеспечивает чрезвычайно высокую интенсивность теплопередачи.

Производительность компрессора на деле оказалась далека от расчётной, и он не мог работать на пониженных мощностях. Учёным и инженерам пришлось пересматривать гидродинамические модели для сверхкритической углекислоты.

При всех очевидных успехах новой технологии ещё предстоит пройти немалый путь развития. В системах мощностью свыше 10 МВт давление рабочего тела будет превосходить 300 бар, так что потребуются специальные технические решения при изготовлении трубопроводов и арматуры.

Двигатель развития

Отрадно видеть, с каким энтузиазмом бизнес воспринял новые технологии, обещающие кардинальным образом сократить размеры энергоблоков и одновременно нарастить их топливную эффективность. Американская компания NET Power запланировала в Техасе в 2027 году построить коммерческую электростанцию мощностью 300 МВт на основе цикла Аллама – Фетвельда с sCO₂ в качестве рабочего тела.

Помимо США подобные разработки идут в Германии, где Исследовательский центр Дрезден-Россендорф имени Гельмгольца разворачивает проект CARBOSOLA. Электрогенерацией дело не ограничивается. Так, канадский газопроводный оператор TC Energy надеется применить сверхкритический углекислый газ для утилизации тепла на своих газокомпрессорных станциях.

Работы над созданием энергоблоков с использованием сверхкритической углекислоты получили ускорение в связи с разработкой малых модульных атомных реакторов. Имея возможность компактно спроектировать и разместить атомный реактор, компании не хотят занимать большие земельные площади паросиловыми блоками традиционной архитектуры.

При подготовке статьи использованы материалы Power Magazine.