超臨界二氧化碳發(fā)電技術概述

董 力

（山東神華山大能源環(huán)境有限公司，濟南 250014）

超臨界二氧化碳發(fā)電技術概述

董 力

（山東神華山大能源環(huán)境有限公司，濟南 250014）

介紹了超臨界二氧化碳（CO2）布雷頓循環(huán)及其發(fā)電系統(tǒng)的原理和特點，對該發(fā)電系統(tǒng)在各領域的應用前景進行了評述，分析了掌握和應用該技術尚需研究和解決的技術問題，介紹了國內外對該技術的主要研究進展。

超臨界二氧化碳；布雷頓循環(huán)；發(fā)電技術

目前，社會的發(fā)展面臨著能源和環(huán)境兩大難題，面對制約發(fā)展的瓶頸，亟需開發(fā)新型清潔能源、提高能源利用效率。超臨界二氧化碳（CO2）布雷頓循環(huán)發(fā)電技術，具有環(huán)境友好、熱效率高、經濟性好的特點，并且可以與現(xiàn)有的多種熱源系統(tǒng)結合應用，被視為是未來發(fā)電極具前景的方向之一。

1 超臨界CO2布雷頓循環(huán)原理

CO2作為最受關注的氣體之一，不僅被認為是導致地球溫室效應的罪魁禍首；同時，它也在特定條件下具有特殊的性能，可作為良好的工質應用于工業(yè)生產過程。超臨界CO2是溫度和壓力均高于臨界值（TC= 30.98℃、PC=7.38MPa）的CO2流體。超臨界流體介于氣體和液體之間，又同時兼有氣體和液體的物理和化學性質。超臨界CO2作為萃取劑、染色劑、清洗劑、反應介質等在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、輕工業(yè)、高分子科學等方面已有較多的應用。CO2相圖如圖1所示。

作為熱能循環(huán)工質，與其他同類型的循環(huán)工質相比，超臨界CO2既有超臨界流體的一般特性，也有其獨特的特點：1）密度接近液體，大于氣體2個數(shù)量級；傳熱效率高，做功能力強；2）黏性接近氣體，較液體小2個數(shù)量級；流動性強，易于擴散，系統(tǒng)循環(huán)損耗??；3）臨界溫度和壓力較低，容易達到超臨界狀態(tài)，便于工程應用；4）較常用的惰性氣體超臨界流體密度大、壓縮性好，系統(tǒng)設備結構緊湊、體積小；5）腐蝕性小于水蒸汽；6）無毒、不燃、穩(wěn)定，對臭氧層無破壞，廉價易得。

圖1 超臨界CO2相圖

布雷頓循環(huán)（Brayton Cycle）是典型的熱力學循環(huán)，由兩個等壓和兩個絕熱過程組成（絕熱壓縮、等壓吸熱、絕熱膨脹及等壓冷卻4個過程），工質在循環(huán)中不發(fā)生相變?？諝獠祭最D循環(huán)在燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、空間動力系統(tǒng)、飛機和輪船的引擎系統(tǒng)等動力裝置和空間設備中得到了廣泛的應用，是能源開發(fā)和轉換領域里支柱型的動力循環(huán)系統(tǒng)之一。理想氣體布雷頓循環(huán)過程如圖2所示。

氣體布雷頓循環(huán)存在壓縮功耗高、排氣熱損失大、部分負荷時效率低等不足。以超臨界CO2作為循環(huán)工質，利用超臨界流體獨特的物性，可彌補氣體工質的熱力學缺陷，顯著提高布雷頓循環(huán)的性能。循環(huán)的冷端運行在CO2溫度和壓力的臨界點附近，將CO2冷卻到低于擬臨界線會使CO2的密度與比熱容迅速增大，帶來壓縮機的低功耗、冷卻器與回熱器的高換熱系數(shù)等優(yōu)勢。在相同的渦輪機與壓縮機進氣溫度條件下，超臨界CO2布雷頓循環(huán)可獲得比理想氣體布雷頓循環(huán)更高的效率。超臨界CO2布雷頓循環(huán)過程如圖3所示。

圖2 理想氣體布雷頓循環(huán)過程

圖3 超臨界CO2布雷頓循環(huán)過程

2 超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及其特點

基本的回熱超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)如圖4所示，包括壓縮機、回熱器、熱源加熱器、高速渦輪機、冷卻器等設備構成。其工作過程是：1）低溫低壓的超臨界CO2工質經過壓縮機升壓；2）工質經回熱器高溫側預熱后進入熱源加熱器，利用熱源將工質等壓加熱；3）高溫高壓的工質進入渦輪機推動渦輪做功，渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電；4）工質做功后經回熱器低壓側冷卻后，再由冷卻器冷卻至所需的壓縮機入口溫度，再進入壓縮機形成閉式循環(huán)。

圖4 超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意

回熱器高壓側超臨界CO2流體的比熱容大于低壓側，傳遞相同的熱量，回熱器低壓側需較大的溫差才能使高壓側產生較小的溫升，令傳熱惡化，造成“夾點”問題，降低了循環(huán)效率。實際應用中，采取加入中間冷卻、分流、再壓縮等熱力過程以提高效率。

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，主要具有以下特點。

2.1 循環(huán)系統(tǒng)損耗及壓縮做功小，熱能轉換效率高

超臨界CO2黏性小，傳遞性和擴散性好，高密度使流體壓強很高，循環(huán)系統(tǒng)損耗小。循環(huán)過程無變相，循環(huán)壓縮做功有效減小，只占渦輪輸出功的30%；而常規(guī)氦氣循環(huán)壓縮做功要占到渦輪輸出功的45%左右，燃氣輪機壓縮做功要占到渦輪輸出功的50%～60%。

采用多級循環(huán)的方式，在熱源溫度為550℃時，超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉換效率為45%左右；溫度為700℃時，發(fā)電系統(tǒng)熱電轉換效率可達50%左右。效率高于現(xiàn)役大型超超臨界蒸汽循環(huán)發(fā)電機組，也高于氦氣循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結構緊湊，體積小，重量輕

CO2工質在循環(huán)中均處于超臨界狀態(tài)，不發(fā)生相變，密度大、動能大。相對于水蒸汽或氦氣工質，渦輪機所需渦輪級數(shù)更少，尺寸更小，且渦輪機和壓縮器可一體化同軸布置；回熱器、冷卻器、管路附件等尺寸均可相應減小；不需大量鍋爐管道設備。整個系統(tǒng)結構簡單、緊湊、體積更小，可實現(xiàn)模塊化建造。在相同發(fā)電能力條件下，超臨界CO2、氦氣、水蒸汽3種工質所需的渦輪機體積之比約為1︰6︰30。

2.3 渦輪機設計影響因素少

超臨界CO2在循環(huán)過程中無相變，不存在汽輪機面臨的末級葉片水滴沖蝕的問題。且渦輪機壓比低（小于3），尺寸緊湊。渦輪機的設計中需考慮的影響因素相對較少。

2.4 制造材料成本低

超臨界CO2具有相對穩(wěn)定的化學性質，中低溫條件下與金屬發(fā)生化學反應而侵蝕的速率較慢，同時發(fā)電系統(tǒng)在中低溫段已具有很高的效率。系統(tǒng)關鍵設備和循環(huán)部件選材范圍相對較寬，降低了選材難度和材料成本。

2.5 運行噪聲低

運行噪聲主要來自于旋轉設備的振動，通常振動特征頻率集中在軸頻以上。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)一般采用高速渦輪機發(fā)電機，轉速高，以高頻振動線譜為主，有利于隔振降噪。此外，主要運動設備全部采用高速回轉運動形式，渦輪機、發(fā)電機采用高速電磁懸浮軸承一體化連接，有利于減小振動激勵和傳遞。

2.6 經濟性好，發(fā)電成本低

超臨界CO2布雷頓循環(huán)熱機效率高，且核心設備結構簡單，可模塊化制造，降低了發(fā)電站的建設成本和運營成本。據測算，超臨界CO2布雷頓循環(huán)熱機用于火力發(fā)電，成本約為0.173元/kW·h，低于600℃超超臨界電站發(fā)電成本；用于集中式光熱發(fā)電（CSP），成本約為0.414元/kW·h。

3 應用前景

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，具有高效、環(huán)保等特點，被視為未來發(fā)電的主要發(fā)展方向之一，在諸多領域有良好的應用前景。

3.1 核能發(fā)電

目前，核能發(fā)電是國內外對超臨界CO2布雷頓循環(huán)最主要的研究領域。超臨界CO2可作為堆芯冷卻劑或能量轉換工質，用于第四代核電系統(tǒng)中的高溫氣冷堆及鈉冷快堆、鉛冷快堆等。超臨界CO2的特性，相對于氦氣作為冷卻劑，可較大降低壓縮功耗，同時實現(xiàn)中等堆芯出口溫度下較高的熱力效率，減輕了對材料及工業(yè)制造技術的苛刻要求；與傳統(tǒng)蒸汽系統(tǒng)相比，安全性有了極大提高。超臨界CO2布雷頓循環(huán)對核能發(fā)電的應用有著更深遠的影響。

3.2 太陽能光熱發(fā)電

超臨界CO2布雷頓循環(huán)所需的溫度為500℃～700℃，恰好是太陽能光熱發(fā)電的聚光器和熱接收器應用現(xiàn)有技術即可實現(xiàn)的溫度。以太陽能聚光作為熱源，將超臨界CO2布雷頓循環(huán)應用于聚光型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，技術集成難度較小，可提高太陽能光熱發(fā)電效率、降低成本，提高太陽能發(fā)電的競爭力。塔式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 塔式太陽能集熱超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖

3.3 工業(yè)廢熱發(fā)電

工業(yè)廢熱是低品位的熱能資源，但其廣泛分布在工業(yè)生產各領域，且儲藏量巨大。工業(yè)廢熱中一小部分得以利用，也可提供數(shù)量可觀的能量。超臨界CO2布雷頓循環(huán)在中等壓力（8M～20MPa）和中等溫度（200℃～650℃）條件下具有高于其他同類熱電系統(tǒng)的效率，并且系統(tǒng)緊湊、體積小、可模塊化生產、便于安裝。應用于工業(yè)廢熱發(fā)電具有良好的經濟性。

3.4 艦船發(fā)電及推進系統(tǒng)

艦船內部空間狹小，對船內設備的體積限制嚴格。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)在提高發(fā)電效率、節(jié)省能源、減小發(fā)電系統(tǒng)體積和重量、降低噪聲影響等諸多方面具有優(yōu)勢，在艦船上有巨大的應用價值。尤其是超臨界CO2布雷頓循環(huán)應用于大型軍艦核反應堆，已引起美國等國家的高度重視和大力研發(fā)。

3.5 礦石燃燒發(fā)電

在氧環(huán)境中直接燃燒天然氣、煤制氣等礦石燃料，產生超臨界狀態(tài)CO2驅動渦輪機發(fā)電。發(fā)電后的CO2流體經過簡單處理，一部分繼續(xù)循環(huán)發(fā)電，多余部分可直接進入碳捕集與利用技術（CCUS）環(huán)節(jié)。對于實現(xiàn)低成本的碳捕集與利用，實現(xiàn)火電站真正的近零排放具有重要意義。遠期有望成為現(xiàn)役蒸氣循環(huán)火力發(fā)電的替代技術，并適合用作下一代整體煤氣化燃氣 - 蒸氣聯(lián)合循環(huán)（IGCC）和煤炭聯(lián)產系統(tǒng)的主機。直接燃燒式發(fā)電系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 礦石燃料直接燃燒超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖

3.6 其他應用

超臨界CO2發(fā)電本質是以超臨界狀態(tài)的CO2流體作為工質，將熱源的熱能轉化為機械能的熱機系統(tǒng)。超臨界CO2工質的優(yōu)良特性使其系統(tǒng)可與各類熱源靈活結合，具有廣泛的應用潛力。例如面向分布式能源供應，以太陽能作為熱源的電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)等。

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)應用于不同熱源時，主要參數(shù)如下表所示。

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對不同熱源適用參數(shù)表

4 研究方向和關鍵技術

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電是未來清潔高效發(fā)電技術和能源綜合利用技術的熱點研究方向。全面掌握和應用該技術，尚需進一步開展基礎研究和實用技術研究，解決理論難點和技術瓶頸。

4.1 超臨界CO2物性及傳熱規(guī)律的系統(tǒng)性研究

在臨界點附近，CO2密度劇烈變化形成了巨大的自然循環(huán)流動能力，以及循環(huán)系統(tǒng)內摩擦系數(shù)、壓降、導熱系數(shù)的大幅變化等問題，都需要通過對超臨界CO2物性的深入研究了解和掌握。超臨界CO2傳熱速率與流速、運行狀態(tài)的關系，以及事故泄露狀態(tài)下CO2驟冷與結晶等問題，均需要通過模擬計算、試驗驗證來掌握。

4.2 循環(huán)理論研究

超臨界流體物性隨溫度變化顯著，回熱器“夾點”問題造成循環(huán)效率較大損失。為提高效率，可在系統(tǒng)中增加中間冷卻、分流、再壓縮等熱力設備組合，構成各種形式的閉環(huán)布雷頓循環(huán)。常見的組合循環(huán)形式主要有再壓縮循環(huán)、分段膨脹循環(huán)、預壓循環(huán)、部分冷卻循環(huán)等。需要研究各種組合循環(huán)形式在不同運行參數(shù)下的效率，研究不同領域應用超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)最適用的循環(huán)形式及循環(huán)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)CO2工質的物性參數(shù)。

4.3 超臨界CO2高速一體化渦輪發(fā)電機設計和制造技術

渦輪發(fā)電機是超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)的核心設備，其高效率、高可靠性是發(fā)電系統(tǒng)技術優(yōu)勢發(fā)揮的關鍵。超臨界CO2的特點使渦輪發(fā)電機級數(shù)更少、體積更小、轉速更高，發(fā)電機和壓縮機可一體同軸布置。渦輪發(fā)電機設計難點有：使壓縮機工作在臨界點附件的空氣動力學設計、一體化渦輪發(fā)電機布置造成的發(fā)電機腔室壓力和密封問題等。同時設計和制造還要考慮高速精密軸承、轉子運行穩(wěn)定性，發(fā)電機電磁、溫升等參數(shù)的影響等問題。

4.4 高效換熱器設計和制造技術

高效換熱器的設計與制造是超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)工程應用的基礎。在近臨界區(qū)，CO2的熱物性及流動、換熱規(guī)律非常復雜，同時操作壓力高、熱流密度大，造成換熱部件設計和制造的困難。換熱器的設計需要綜合考慮設備性能、造價、運行、維護等各方面問題，盡量降低換熱端差，對于臨界點附近的換熱性能突變充分考慮裕量等。以印刷電路板式換熱器（PCHE）為代表的耐高壓板翅式換熱器日益成為研究熱點。

4.5 高性能材料的研究

超臨界CO2在系統(tǒng)熱端處于高溫、高壓工況，加熱器、高速渦輪機、發(fā)電機等設備的材料都須在高壓、高溫條件下，承受很高的機械力作用，同時耐受氧化、滲碳、硫化等腐蝕作用。超臨界CO2對金屬及氧氣有較低的溶解率，但是易被用于閥門、密封件等系統(tǒng)元器件的有機材料吸收。關鍵部件選材的組織性能特征、腐蝕機理等需要研究；材料和設備的加工、生產、熱處理、檢驗探傷等工藝需要技術突破；系統(tǒng)元器件用有機材料需要進一步篩選。

4.6 運行控制技術的研究

循環(huán)系統(tǒng)的最優(yōu)效率，建立在冷卻器出口（即循環(huán)起點）處的CO2流體接近臨界點。近臨界點處物性變化劇烈，需要對整個循環(huán)系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發(fā)電機和高速壓氣機的轉速等均做出非常精確的調節(jié)和控制，確保CO2工質處于超臨界狀態(tài)，維持循環(huán)系統(tǒng)的高效率工作。系統(tǒng)運行狀態(tài)控制難度大，需要深入開展控制技術研究，包括熱源控制、熱力循環(huán)控制、整流調壓控制、系統(tǒng)安全保護等。

5 研究現(xiàn)狀

美國、歐洲、日本、韓國等發(fā)達國家和地區(qū)先后開展了超臨界CO2發(fā)電技術的研究，美國、日本等國的研究機構和企業(yè)已經開發(fā)出了試驗原型機和工程化樣機。

5.1 技術基礎研究

美國多個國家級實驗室和高校著重探索研究了超臨界CO2布雷頓循環(huán)在核反應堆的應用。麻省理工學院（MIT）、愛達荷國家實驗室（INL）、阿貢國家實驗室（ANL）、能源部可再生能源實驗室（NREL）、桑迪亞國家實驗室（SNL）等均取得了較大進展。愛達荷國家實驗室與麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)了面向鉛鉍合金冷卻反應堆的超臨界CO2發(fā)電機組；麻省理工學院提出了再壓縮超臨界CO2布雷頓循環(huán)流程和熱力循環(huán)參數(shù)方案；阿貢國家實驗室設計了面向鈉冷快堆ABTR的250MW/95MW的超臨界CO2發(fā)電機組。

美國桑迪亞國家實驗室對超臨界CO2布雷頓循環(huán)應用于不同熱源，如核能、太陽能、地熱能等進行了系統(tǒng)效率和經濟性分析，結果表明該循環(huán)在中低溫和中高溫熱源情況下均有良好的效率和經濟性。

日本東京工業(yè)大學完成了面向核反應堆的超臨界CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)設計，采用多級壓縮-間冷技術路線，功率600MW，發(fā)電效率為45.8%；還設計了用于太陽能光熱發(fā)電的超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率達48.2%。

韓國原子能研究院分析了超臨界CO2布雷頓循環(huán)與鈉冷快中子堆集成的可行性，正在進行規(guī)劃和部件研制。

5.2 試驗和示范研究

美國Echogen動力系統(tǒng)公司制造出了世界首套商用超臨界CO2發(fā)電機組EPS100。采用雙軸回熱閉式循環(huán)，由一臺變轉速透平驅動壓氣機，另一臺恒轉速透平帶動發(fā)電機，但實際運行采用跨臨界朗肯循環(huán)。該機組利用532℃煙氣作為熱源，功率為8MW，發(fā)電效率24%，可用作燃氣輪機底循環(huán)。

美國貝泰船用推進公司（BMPC）搭建了100kW級超臨界CO2布雷頓循環(huán)試驗系統(tǒng)，采用雙軸回熱閉式循環(huán)，發(fā)電效率約為18%。

美國桑迪亞國家實驗室建成了超臨界CO2布雷頓循環(huán)原型機，能夠開展回熱循環(huán)、再壓縮循環(huán)、間冷再熱再壓縮循環(huán)等多種循環(huán)試驗。最大壓力12.5MPa，透平初溫342℃，透平轉速52,000r/min，效率5%。

美國海軍所屬諾爾斯原子能實驗室（KAPL）與貝蒂斯實驗室（BL）正在探索基于超臨界CO2布雷頓循環(huán)的船舶動力系統(tǒng)，已于2010年建成100kW試驗裝置。

日本東芝公司開發(fā)完成了直接燃燒超臨界CO2半閉環(huán)式布雷頓循環(huán)樣機，以礦石燃料、氧氣、CO2為混合流體的燃燒介質。其中CO2占95%，燃燒室前壓力30MPa，燃燒室出口溫度1150℃。試驗樣機額定功率25MW，將驗證10MW級直接燃燒式超臨界CO2電站的可行性。在樣機的基礎上，計劃進一步研究和推動250MW直接燃燒式發(fā)電系統(tǒng)的建設。

5.3 我國研究進展

我國也開展了超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術的研究，但整體進展相對滯后，主要集中在基礎技術的分析和設計。清華大學核能與新能源技術研究院進行了再壓縮超臨界CO2布雷頓循環(huán)的分析和改進研究；西安熱工研究院、華北電力大學等開展了針對超臨界CO2換熱、腐蝕、材料選型方面的基礎研究；中科院工程熱物理研究所正在開展MW級超臨界CO2布雷頓循環(huán)關鍵部件的研制工作，初步具備了超臨界CO2透平、壓縮機設計的能力，初步掌握了印刷板式換熱器的設計方法。

產業(yè)界已經有所行動，華能集團立項開發(fā)超臨界CO2高效發(fā)電機組，目標是實現(xiàn)600MW等級以上的大型超臨界CO2火力發(fā)電系統(tǒng)及關鍵部件的工程方案；目前已經完成5MW試驗系統(tǒng)的設計，擬在陜西閻良建設試驗平臺。江蘇金通靈流體機械公司與中科院工程熱物理研究所于2015年簽署了技術咨詢協(xié)議，擬共同開展面向太陽能光熱發(fā)電的超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)10MW級發(fā)電系統(tǒng)、太陽能聚光及儲能單元的系統(tǒng)集成與聯(lián)調。

6 結語

超臨界CO2布雷頓循環(huán)是動力循環(huán)的重大創(chuàng)新，有可能會引領能源高效利用技術的變革。綜合國內外對超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究，在循環(huán)系統(tǒng)和關鍵部件方面的技術、經濟可行性已經得到驗證并形成了共識，當前研究熱點集中在應用基礎和工程化實施方面。目前已經有試驗原型機或工業(yè)化樣機問世，但在工程化應用上尚未取得實質突破，該技術整體上處于試驗裝置向工業(yè)示范邁進的探索階段。

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Summarization on Power Technology of Supercritical Carbon Dioxide

DONG Li

TM619

A

1006-5377（2017）05-0048-05