曹 蕾，孫登科，李維成，陳 陽，周松銳

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

超臨界二氧化碳(sCO2)是CO2的超臨界狀態(tài)，兼有氣體、液體的雙重特點且具有許多其他超臨界流體不具備的性質(zhì)，在傳統(tǒng)的萃取、材料清洗、涂料、染料行業(yè)等已有應用。

利用超臨界二氧化碳(sCO2)循環(huán)發(fā)電的概念和可行性研究始于20世紀60年代[1]，但由于研究條件、設備設計制造技術的限制，發(fā)展較緩慢。2004年Dostal等[2]率先報道了將sCO2用于新一代核反應堆的研究，開啟了將sCO2用作發(fā)電介質(zhì)的技術和使用sCO2系統(tǒng)相應設備的研究熱潮[3]。從sCO2的特性來看、因其臨界點相比水的臨界點非常容易達到，且有很多優(yōu)于超臨界水的特性，具備替代現(xiàn)有水工質(zhì)作為能量吸收和轉(zhuǎn)化工質(zhì)的潛力。因此，sCO2對于提高能源利用效率、降低碳捕捉成本意義重大，已躋身成為燃煤發(fā)電前沿技術之一[4]。

中國進入“十三五”時期后，電力行業(yè)也開始深入產(chǎn)業(yè)結(jié)構的優(yōu)化調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，要建設清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。采用sCO2的布雷頓(Brayton)循環(huán)發(fā)電具有更高的發(fā)電效率，其發(fā)電系統(tǒng)的壓縮機、透平等機構緊湊、體積較小，可減小系統(tǒng)投資，也特別適合于核動力、艦船[5]等空間有限的場合。此外，sCO2的物性特點也決定了其在余熱回收[6]方面具有廣闊的應用前景。

本文介紹了sCO2的特性，歸納其在電力行業(yè)的應用和研究進展，然后對發(fā)展sCO2循環(huán)發(fā)電存在的共性問題進行總結(jié)，并對sCO2用于發(fā)電的前景進行展望。

1 sCO2特性

當CO2的溫度超過31.1 ℃、壓力超過7.38 MPa時，即進入sCO2狀態(tài)。sCO2流體性質(zhì)介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點且流體黏度低、接近氣體，流動性強、易于擴散，密度大、接近液體，傳熱效率高、作功能力強，價格低、易得到，非易燃易爆、無毒[7]。

2 sCO2在電力行業(yè)的應用

sCO2發(fā)電屬“熱機”原理，其循環(huán)通常使用逼近理論最優(yōu)的概括性卡諾循環(huán)—布雷頓(Brayton)循環(huán)，即以sCO2作循環(huán)工質(zhì)，推動透平做功，將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為機械能，循環(huán)過程中sCO2無相變。熱源可來自化學燃料燃燒、太陽能、核反應堆、工業(yè)廢熱、地熱能等。

采用sCO2布雷頓循環(huán)作為熱量吸收和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點:① 熱穩(wěn)定性和物理性質(zhì)良好。sCO2在臨界點附近密度較大，可減小壓縮功，在循環(huán)最高溫度為500～700 ℃時即可達到較高的循環(huán)熱效率，溫度高于500 ℃后，其循環(huán)效率比蒸汽朗肯循環(huán)高3%～5%。② sCO2的高流體密度?？蓽p小透平、壓縮機等關鍵設備的尺寸，降低設備造價。以發(fā)電透平的尺寸為例，在相同發(fā)電能力條件下，CO2、He、水蒸氣3種工質(zhì)所需的透平尺寸比為1∶6∶30。③ sCO2的工作溫度和工作壓力相對較低、更易達到。目前的超超臨界火電機組水蒸氣的工作參數(shù)為550～700 ℃、27～35 MPa，而sCO2的工作溫度、壓力只需500～700 ℃、20 MPa[8]。

sCO2的布雷頓循環(huán)過程如圖1所示，sCO2的壓力和體積的變化按圖中點1—2—3—4—1順序循環(huán)。sCO2經(jīng)過壓縮機升壓(1—2);然后利用換熱器將sCO2等壓加熱(2—3);sCO2被加熱后進入透平，推動透平轉(zhuǎn)子做功(3—4);做功后sCO2進入冷卻器，恢復到初始狀態(tài)(4—1)，再進入壓縮機形成閉式循環(huán)。在高于400 ℃時，sCO2發(fā)電效率已具有明顯的優(yōu)勢，且隨溫度升高效率也顯著提高，當溫度達550 ℃時，發(fā)電效率可達45%[9]。

圖1 基本布雷頓循環(huán)PV圖Fig.1 PV diagram of basic Brayton cycle

典型的sCO2發(fā)電循環(huán)流程如圖2所示。系統(tǒng)主要包括壓縮機、高速透平、回熱器/換熱器、冷卻器等設備。應用中，常加入中間冷卻、分流、再壓縮或多級壓縮中間冷卻等熱力過程以提高循環(huán)效率。

圖2 sCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意Fig.2 Sketch of sCO2 cycle power generation

2.1 火力發(fā)電

sCO2用于火力發(fā)電即是替代傳統(tǒng)鍋爐中的水蒸汽介質(zhì)。此時，圖2中的熱源即為含碳原料燃燒放出的熱量。sCO2循環(huán)無相變，壓縮過程中消耗能量小，只占透平輸出功的30%。常規(guī)He循環(huán)約占45%，燃氣輪機則更高，占50%～60%。

2.2 核能發(fā)電

sCO2用核能發(fā)電時，若采用直接循環(huán)，則圖2中的熱源為核反應堆堆芯;若采用間接循環(huán)，則圖2中熱源則為核島中的蒸汽發(fā)生器。sCO2布雷頓循環(huán)用于核能發(fā)電除了具有效率高、設備體積小等優(yōu)勢，在安全性上較蒸汽系統(tǒng)有極大改善，因此sCO2布雷頓循環(huán)成為第4代核電的備選方案之一[10]。

2.3 太陽能發(fā)電

綜合sCO2布雷頓循環(huán)效率和現(xiàn)有材料的服役溫度，500～700 ℃的運行溫度最合適，而這正是太陽能光熱發(fā)電的聚光器和吸熱器可實現(xiàn)的溫度。因此，近年來，不少學者開展了將sCO2循環(huán)應用于聚光型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的研究[3,11-17]。在太陽能光熱發(fā)電中，圖2熱源為經(jīng)吸熱器加熱后的熔鹽等介質(zhì)。

2.4 余熱回收

盡管各類工業(yè)廢熱屬于低品位能源，但其儲藏量巨大，分布廣，即便是小部分得以利用，也很可觀[18]。利用工業(yè)廢熱作為圖2中的熱源，搭配使用高效的微通道換熱器(如印刷電路板式換熱器(PCHE)[19-20])可使sCO2回收更多余熱。

3 sCO2在電力行業(yè)的應用研究進展

近十年來，美國、英國、法國、中國、日本、韓國等均開展了sCO2用于發(fā)電的研究并形成了相關專利，部分國家已經(jīng)開展了樣機制造和試驗。研究內(nèi)容主要集中在sCO2循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設計、主要設備設計和制造、材料選取以及sCO2的性質(zhì)及腐蝕性研究等。

3.1 美國

美國的sCO2研究起步較早，研究較深入，中試裝置正在建設中，具體見表1。

3.2 中國

中國華能集團、中國科學院、中核集團核動力研究院等單位開展了sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及系統(tǒng)試驗。其他企業(yè)、高校對sCO2的應用研究大部分集中在關鍵設備的設計、試驗和傳熱理論研究。

表1美國開展sCO2循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)設計的公司和進展
Table1CompaniesthataredevelopingsCO2cyclesystemdesignandtheirprogress

單位名稱研究方向及進展NREL、Abengoa Solar、Echogen Power、Sandia國家實驗室、UW-Madison、Barber-Nichols、EPRI組成的團隊世界上第1個兆瓦級的商用sCO2發(fā)電機組EPS100建于美國紐約,發(fā)電輸出功率8 MW,采用雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。研究項目管理、sCO2循環(huán)模擬、將sCO2加入太陽能光熱系統(tǒng)、渦輪機和測試回路設計、壓縮機和透平的制造、場地及系統(tǒng)安裝和運行、材料腐蝕評估等方面,用以設計、制造和驗證在700 ℃和干燥冷卻條件下的10 MWe超臨界CO2循環(huán)發(fā)電[21-22]Bechtel Marine Propulsion Corporation(BMPC)搭建了100 kW級的sCO2發(fā)電試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)是一種雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng),由一臺可變速渦輪機驅(qū)動壓氣機,另一臺恒速渦輪機帶動電動機。該系統(tǒng)驗證了方案的可行性,但由于是縮比系統(tǒng),總效率并不高Echogen針對余熱發(fā)電研制出了sCO2發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過閥門的調(diào)節(jié)滿足不同余熱溫度的運行條件,并且保證余熱發(fā)電效率達到30%。該系統(tǒng)可用于艦船發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng),將柴油機排出的中、高溫煙氣的熱量加以利用,降低了能量的浪費,同時,還可用于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,用sCO2取代傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)MIT提出了再壓縮sCO2冷卻核反應堆的總體方案并進行了熱動力設計,反應堆額定熱功率為2 400 MW,渦輪機入口溫度和壓力分別為647 ℃和20 MPa,系統(tǒng)熱效率為51%,凈效率為47%[23]諾爾斯原子能實驗室與貝蒂斯實驗室(隸屬美國海軍堆項目組)探索sCO2布雷頓循環(huán)技術在船舶動力系統(tǒng)領域的應用。2010年,已建成一座100 kW電功率的整體試驗系統(tǒng),1 000～3 000 kW電功率的sCO2試驗的前期工作也在進行中8 Rivers從2010年開始致力于sCO2循環(huán)的系統(tǒng)設置、優(yōu)化以及試驗研究。天然氣的Allam循環(huán)是將燃燒產(chǎn)生的CO2回注到燃機室繼續(xù)參與天然氣的燃燒作功,達到控制燃機室溫度和在乏氣中便于收集純CO2、降低CO2捕集成本的目的,屬于對sCO2直接加熱的利用方式[24-25]。此循環(huán)由8 Rivers公司下屬NET電力公司、?？怂过堧娏竞臀鞅劝?CB&I)公司聯(lián)合研發(fā)運行。目前3家公司正在德克薩斯建設50 MWth的燃用天然氣、sCO2作循環(huán)介質(zhì)的示范電廠,投運后還將示范Allam循環(huán)的全套可操作性[26]。NET公司還同日本東芝和英國Heatric公司合作,前者負責研發(fā)和提供新型sCO2燃機和透平,后者負責設計和制造PCHE。300 MWe的Allam循環(huán)天然氣發(fā)電商業(yè)電廠正在設計階段,預計2020年投入運營

總的說來，中國對于sCO2發(fā)電應用的開發(fā)整體相對滯后，研究方向和美國類似，主要集中在如下6方面。

3.2.1 sCO2的循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)和效率

3.2.2 sCO2傳熱效率

黃彥平等[34]對加熱工況下圓管內(nèi)sCO2傳熱關系式進行了分類整理，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的經(jīng)驗關系式多是根據(jù)有限的試驗結(jié)果擬合得到，適用范圍有限。黃彥平團隊研究的內(nèi)容主要有PCHE流道設計和壓降計算方法。

王淑香等[35]對sCO2在螺旋管內(nèi)的混合對流換熱進行試驗，得出了Nu的試驗關聯(lián)式。另外，核動力研究院、鄭州大學等單位對豎直圓管[36]、雙D形流道[37]、三葉管[38]、內(nèi)螺紋管[39]、細管[40]、傾斜管[41]內(nèi)的sCO2換熱特性進行了模擬分析和計算。

3.2.3 基于sCO2的光熱發(fā)電

江蘇金通靈流體機械公司與中國科學院工程熱物理研究所于2015年9月簽署了技術咨詢協(xié)議，擬共同開發(fā)面向太陽能光熱發(fā)電的sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)10 MW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(diào)[7]。

3.2.4 高效換熱設備、透平的開發(fā)

褚雯霄等[43]模擬和試驗驗證了不同肋結(jié)構(即微通道結(jié)構)對PCHE傳熱的影響。潘利生等[44]研究了溫度對CO2發(fā)電效率的影響，同時還開展了換熱器的設計與優(yōu)化、高速透平的設計及發(fā)電系統(tǒng)的集成。

3.2.5 sCO2物性分析

sCO2物性參數(shù)雖可以通過NIST(美國國家標準與技術研究院)公開的REFPROP熱力學數(shù)據(jù)庫查詢，但CO2在超臨界點附近的實際物性準確性尚待試驗驗證。楊俊蘭等[45]對sCO2流體的性質(zhì)進行了深入研究。結(jié)果表明，CO2的比熱、密度、導熱系數(shù)以及黏度在準臨界點附近的變化非常劇烈。

3.2.6 sCO2發(fā)電機組的選材

不同鋼材在sCO2的環(huán)境中也會發(fā)生不同程度的增重(即產(chǎn)生氧化膜、滲碳腐蝕)，趙新寶等[8,27]介紹了目前電站常用的鐵素體和奧氏體耐熱鋼、鎳基高溫合金在sCO2中的腐蝕情況。

3.3 法國

法國電力公司(EDF)從事了約8年的sCO2基礎研究和系統(tǒng)設計，開展了適合sCO2的材料研究、聚光太陽能發(fā)電(CSP) 動態(tài)模擬、sCO2換熱系統(tǒng)設計;PCHE初步設計完成。在2013年提出二次再熱燃煤sCO2循環(huán)系統(tǒng)概念設計，計算效率達50%[46]。

3.4 日本

日本東京工業(yè)大學完成了用于核反應堆的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設計。該設計中采用了多級壓縮中間冷卻技術，額定功率為600 MW，透平入口溫度為647 ℃，反應堆出口運行壓力約為7 MPa，系統(tǒng)效率為45.8%;該大學還完成了用于太陽能發(fā)電的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設計，系統(tǒng)效率高達48.2%[47-50]。

東芝公司于2013年提出日本專利和世界專利，提出了一種使用sCO2循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)[51]。系統(tǒng)結(jié)合了富氧燃燒的燃機和sCO2循環(huán)發(fā)電技術，燃機內(nèi)送入高壓的純氧和循環(huán)的CO2，燃燒得到的尾氣(較純的CO2)直接送入CO2透平進行發(fā)電，乏氣通過冷卻器冷卻后，分離出CO2和水，再將CO2送入前述加壓器再次加壓。這一理念同美國8 Rivers公司的Allam循環(huán)類似。

3.5 韓國

韓國原子能研究院分析了sCO2循環(huán)與鈉冷快中子堆結(jié)合的可行性，并計劃進一步開展PCHE熱工水動力性能的試驗研究[52-53]。推出了示范快堆電站KALIMER-600，與美國阿貢國家實驗室設計的電站相比，省去了中間回路，sCO2和堆芯出來的高溫鈉直接換熱，減少了設備。

4 結(jié)語及建議

sCO2在電力行業(yè)的應用研究主要集中在太陽能光熱系統(tǒng)、核電系統(tǒng)以及用sCO2替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的水工質(zhì)進入透平發(fā)電的方式。不同的sCO2循環(huán)系統(tǒng)中都存在如下還未完全解決的核心問題:

1)sCO2的物性和高溫下對材料的腐蝕特性。sCO2物性參數(shù)雖可以通過NIST公開的REFPROP熱力學數(shù)據(jù)庫查詢，但CO2在超臨界點附近的實際物性準確性尚待試驗驗證;sCO2對材料的腐蝕特點也需進一步試驗驗證。

2)使用sCO2的系統(tǒng)設計和設備選型。適用于光熱發(fā)電系統(tǒng)、核電系統(tǒng)及燃煤燃氣系統(tǒng)的sCO2循環(huán)系統(tǒng)配置和設備選型各有特點，有的適合增加回熱段、有的適合增加二次再熱，具體的系統(tǒng)設置需要根據(jù)不同的使用環(huán)境進行準確的模擬、試驗驗證及對比計算，篩選出最優(yōu)工況，才能提高發(fā)電效率。

3)PCHE的設計及制造。目前成熟商業(yè)化的PCHE設計制造方只有英國Heatric公司，另有瑞典的Alfa Laval公司宣稱能用爆炸法成形微通道換熱板。為降低sCO2循環(huán)系統(tǒng)總投資，國內(nèi)需開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的PCHE產(chǎn)品。

4)新型sCO2透平的研發(fā)。由于sCO2流體性質(zhì)特殊性，使得透平體積能縮小至蒸汽朗肯循環(huán)透平的1/30，日本東芝公司已在開發(fā)新型高轉(zhuǎn)速的透平，我國也需加快開發(fā)速度。

5)新型sCO2壓縮機的研發(fā)。采用超臨界流體作為核反應堆冷卻劑，利用超臨界流體擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓縮機運行點設置在擬臨界溫度附近的大密度區(qū)，將反應堆運行點設置在擬臨界溫度之后的低密度區(qū)，可以在保證氣體冷卻的前提下，降低壓縮功耗，實現(xiàn)氣冷堆在中等堆芯出口溫度下達到較高效率的目標[54]。因此，如核電工況下的壓縮機要使用在CO2的跨臨界區(qū)，由于密度波動很大，需開發(fā)合適的sCO2壓縮機。

6)sCO2燃機的研發(fā)。如果將sCO2用于類似Allam循環(huán)的工況，即是將CO2回注到煤、生物質(zhì)、燃氣燃燒系統(tǒng)中參與直燃發(fā)電，則對應的燃機設計也會更改，需要新設計、驗證和制造。

綜上，sCO2在電力行業(yè)應用的技術挑戰(zhàn)主要集中在設備材料耐蝕性、循環(huán)系統(tǒng)高效布置以及高效傳熱、高效循環(huán)的新型設備研發(fā)三大方面。國外在這些方面的研發(fā)正如火如荼進行，國內(nèi)研發(fā)也已大面積起步，相信未來會有越來越多的sCO2發(fā)電循環(huán)示范工程?？偟恼f來，隨著世界環(huán)境對能源的清潔高效利用要求越來越高，sCO2用作循環(huán)如布雷頓循環(huán)介質(zhì)，可替代水或蒸汽，解決到達超臨界點需要的溫度壓力高的問題;替代原有工質(zhì)如He、N2等，解決壓縮功耗過大的問題;同時也能縮小關鍵設備尺寸、減少空間和設備材料投入;通過合理的系統(tǒng)布置，如Allam循環(huán)的類似方式，還能將CO2富集、便于捕捉。因此，sCO2憑借其獨特的物性優(yōu)勢，在電力行業(yè)的應用有廣闊空間，在上述材料、循環(huán)系統(tǒng)高效設計以及關鍵設備設計制造等瓶頸有所改善或突破后，必定會在民用發(fā)電、軍工、艦船等行業(yè)大有作為。

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