吳 柯，鮑中凱，段倫博，黃 宇

(東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

電力使用的高速增長已成為社會發(fā)展不可缺少的推動力，但伴隨而來的是能源消耗與環(huán)境問題的日益突出。為了獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益，電力機(jī)組參數(shù)呈現(xiàn)向高溫高壓發(fā)展的趨勢，但針對超超臨界蒸汽朗肯循環(huán)機(jī)組，過高的蒸汽參數(shù)需在高溫部件采用昂貴的新型鎳基合金，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性降低。因此，在不增加投資成本的基礎(chǔ)上，探索更高效率、低碳排放的新型發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前面臨的一項重要任務(wù)[1]。近年來，以sCO2為工作介質(zhì)的布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為一項快速發(fā)展的前沿技術(shù)。sCO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)更具競爭力的循環(huán)效率，同時sCO2的高密度和高能量密度可使渦輪機(jī)械等關(guān)鍵設(shè)備更加緊湊，實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，降低前期投資[2]。此外，sCO2循環(huán)可適用于多種熱源，包括核能、太陽能、余熱回收、化石能源等[2]。

《中國能源發(fā)展報告2018》[3]指出，2018年我國電源結(jié)構(gòu)仍以煤電為主，煤電發(fā)電量占比為63.7%。受能源結(jié)構(gòu)影響，煤炭仍將是未來我國能源消費中的基石?；茉吹氖褂脦砭薮筇寂欧?，中國目前已經(jīng)是全球碳排放量最大的國家，將在2030年迎來碳排放的高峰。面對全球氣候變化的巨大挑戰(zhàn)，碳捕集、利用與封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)技術(shù)作為應(yīng)對氣候變化的重要手段，一直是國際社會關(guān)注的重點領(lǐng)域，CO2的減排將是未來幾十年發(fā)電研究的主要方向。燃煤sCO2循環(huán)與CCUS技術(shù)結(jié)合可以在獲得高效率的同時有效減少CO2排放，為燃煤發(fā)電技術(shù)提供了新的發(fā)展方向。

目前對sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究仍處在初期階段，對sCO2動力循環(huán)在燃煤電站中的應(yīng)用形式存在多種方案，而對于系統(tǒng)中的高效換熱器設(shè)計、管路系統(tǒng)布置及關(guān)鍵熱端件的選取均需建立在sCO2流體傳熱特性的基礎(chǔ)研究之上。本文以sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)為背景，介紹了sCO2布雷頓循環(huán)的基本原理及其在燃煤電站中的應(yīng)用形式，并對系統(tǒng)中的sCO2工質(zhì)在圓管及印刷電路板式換熱器內(nèi)的傳熱特性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，總結(jié)了其發(fā)展現(xiàn)狀并指出了研究方向，對sCO2布雷頓循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)的建立具有參考意義。

1 sCO2動力循環(huán)工作原理

sCO2動力循環(huán)采用超臨界態(tài)的CO2作為循環(huán)工質(zhì)，根據(jù)加熱方式的不同可分為兩大類：間接加熱式循環(huán)和直接加熱式循環(huán)[4]。間接加熱式循環(huán)(閉式循環(huán))在熱源處通過換熱器對進(jìn)入透平前的工質(zhì)進(jìn)行加熱；直接加熱式循環(huán)(半閉式循環(huán))，循環(huán)過程中工質(zhì)參與燃燒直接加熱后進(jìn)入透平做功。

1.1 sCO2工質(zhì)特性

sCO2被選作新型動力循環(huán)的工質(zhì)，主要基于兩方面：溫和的臨界點條件(31.1 ℃/7.38 MPa)和臨界點附近sCO2的特殊物性[4]。 CO2的物性參數(shù)在超臨界狀態(tài)下會發(fā)生劇烈改變，尤其在臨界點附近，流體的熱物理性質(zhì)隨溫度和壓力的變化異常劇烈。4種不同超臨界壓力下CO2的熱物理性質(zhì)隨溫度的變化如圖1所示。

在特定的壓力下，CO2的密度、黏度、熱導(dǎo)率呈現(xiàn)隨著溫度的增加而減小的趨勢，在跨臨界點處下降尤為劇烈，達(dá)到超臨界態(tài)后減小程度趨于平緩；而在特定的溫度下，密度、黏度、熱導(dǎo)率隨壓力的升高而增大。另一方面，CO2的定壓比熱容Cp在臨界點附近可以觀察到不同的行為，在所有壓力下，sCO2均在接近臨界溫度時達(dá)到峰值，隨后迅速下降，在超臨界相重新恢復(fù)穩(wěn)定。峰值隨壓力的增大而減小。上述熱物性參數(shù)均可從National Institute of Standards(NIST)獲得。

圖1 CO2物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化

處于超臨界態(tài)的CO2還具有以下特點：① 介于液體和氣體之間，具有黏性小、密度大等特性，同時具有良好的流動性、高傳熱效率、不易壓縮性和高能量密度；② 化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒，對金屬腐蝕性弱。憑借工質(zhì)優(yōu)勢sCO2布雷頓循環(huán)可獲得更具競爭力的循環(huán)效率，使得系統(tǒng)更加緊湊小型化。

1.2 間接加熱式循環(huán)

最基礎(chǔ)的sCO2循環(huán)是帶有回?zé)岬暮唵尾祭最D循環(huán)，如圖2所示，該循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、回?zé)崞?、冷卻器、透平和熱源等部分構(gòu)成[5]。簡單布雷頓循環(huán)包括絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹、定壓放熱4個基本過程。低溫低壓的CO2工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，進(jìn)入回?zé)崞髋c透平排出的工質(zhì)進(jìn)行換熱，由高溫?zé)嵩催M(jìn)一步加熱后，進(jìn)入透平膨脹做功，做功完成后由透平排出并進(jìn)入回?zé)崞鲹Q熱，最后進(jìn)入預(yù)冷器進(jìn)一步冷卻，達(dá)到壓縮機(jī)入口要求溫度要求并進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一次閉式循環(huán)。由于循環(huán)透平壓比相對較低，透平出口工質(zhì)溫度較高，大量熱量需要回收，回?zé)嵩趕CO2布雷頓循環(huán)中發(fā)揮重要作用。為進(jìn)一步提高循環(huán)效率，國內(nèi)外學(xué)者基于該循環(huán)提出分流、預(yù)壓縮再熱、再壓縮、中間冷卻等改進(jìn)循環(huán)[6]。

圖2 簡單回?zé)醩CO2循環(huán)[5]

CO2的比熱容Cp等物性在臨界點附近受溫度和壓力影響變化劇烈，回?zé)崞鲀?nèi)高、低溫側(cè)熱容不同易出現(xiàn)“夾點”問題。在簡單回?zé)醩CO2循環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，如圖3所示，將回?zé)崞鞣譃楦邷?、低溫回?zé)崞?，同時加入再壓縮機(jī)，將進(jìn)入預(yù)冷器前的CO2工質(zhì)分流，一部分工質(zhì)直接進(jìn)入再壓縮機(jī)，另一部分工質(zhì)經(jīng)過冷卻器后進(jìn)入主壓縮機(jī)后進(jìn)入低溫回?zé)崞魑鼰?，在高溫回?zé)崞魅肟谂c再壓縮壓縮機(jī)出口工質(zhì)匯合，該布置方式稱之為再壓縮sCO2循環(huán)[5]。

圖3 再壓縮sCO2循環(huán)[5]

1.3 直接加熱式循環(huán)

直接加熱式sCO2循環(huán)工作時，如圖4所示，回流的高壓CO2工質(zhì)與燃料(天然氣、煤合成氣等)、空氣分離裝置制得的純氧混合進(jìn)入燃燒室；高溫高壓的燃燒產(chǎn)物經(jīng)過除塵、脫硫、脫酸等處理，成為高純度CO2工質(zhì)(含有少量H2O)進(jìn)入透平膨脹做功；透平排出的CO2工質(zhì)經(jīng)過回?zé)崞骰厥諢崃亢?，?jīng)冷卻器進(jìn)一步冷卻，通過水分離裝置去除水分，高純度CO2工質(zhì)經(jīng)過壓縮后，一部分經(jīng)過回?zé)崞魑諢崃亢蠡亓鞯饺紵?，另一部分進(jìn)行CO2封存[7]。

圖4 直接加熱式sCO2循環(huán)示意[4]

2 sCO2動力循環(huán)用于燃煤電站研究進(jìn)展

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)地位短期內(nèi)難以改變，面對CO2減排的巨大壓力，新一代燃煤發(fā)電技術(shù)應(yīng)該朝著高效節(jié)能、低碳清潔的方向發(fā)展。受制于材料和制造技術(shù)，超超臨界蒸汽朗肯循環(huán)機(jī)組面臨效率提高的瓶頸。采用CCUS技術(shù)的sCO2循環(huán)燃煤電站和燃煤直接加熱式sCO2循環(huán)電站，可以提高循環(huán)效率，同時實現(xiàn)CO2減排甚至零排放的要求，是面向未來的新一代燃煤發(fā)電技術(shù)。

sCO2循環(huán)燃煤發(fā)電的發(fā)展可分為以下2條路徑：① 間接加熱式sCO2循環(huán)取代蒸汽朗肯循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站，實現(xiàn)更高的循環(huán)效率，結(jié)合CCUS技術(shù)實現(xiàn)CO2減排；② 以煤炭為燃料的直接加熱式sCO2循環(huán)，獲得更高效率的同時實現(xiàn)CO2零排放，與帶有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)競爭。

2.1 間接加熱式sCO2循環(huán)燃煤電站

2.1.1煤粉鍋爐

間接加熱式sCO2循環(huán)取代傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站，期望在相近的工質(zhì)參數(shù)下實現(xiàn)更高的循環(huán)效率和CO2減排目標(biāo)。在蒸汽循環(huán)機(jī)組的基礎(chǔ)上，間接加熱式sCO2循環(huán)與煤粉鍋爐結(jié)合用于發(fā)電，主要關(guān)注動力循環(huán)配置、鍋爐受熱面的布置以及如何回收煙氣中低品位熱量等方面，除此之外仍需考慮電廠系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、運行負(fù)荷等問題。

Muto等[8]在研究中指出，sCO2循環(huán)可以有效應(yīng)用于化石燃料電站，并對采用sCO2循環(huán)的300 MWe級別化石燃料電站進(jìn)行概念設(shè)計，設(shè)計中采用高、低雙膨脹循環(huán)設(shè)計和引入省煤器預(yù)熱空氣等措施以解決CO2工質(zhì)入口溫度較高和爐膛內(nèi)換熱管側(cè)壓差大等問題，熱效率在高壓透平入口20 MPa/650 ℃條件下可達(dá)到43.7%。

法國電力公司(EDF)的Molluec等[9]對sCO2布雷頓循環(huán)燃煤電站進(jìn)行了概念設(shè)計，循環(huán)流程采用兩次再熱的再壓縮sCO2布雷頓循環(huán)，同時耦合胺吸收法(MEA)以實現(xiàn)燃燒后90%碳捕捉。該電站概念設(shè)計中，循環(huán)最高參數(shù)為620 ℃/30 MPa，2次再熱均被加熱到620 ℃，電站凈效率達(dá)到41.3%。該研究在爐膛尾部設(shè)置平行煙道，其中一部分煙氣用來加熱從主壓縮機(jī)出口分流出來的CO2工質(zhì)，從而充分利用尾部煙氣熱量，提高熱效率。

美國電力研究院(EPRI)與巴威公司(B&W)合作開展sCO2循環(huán)燃煤電站的主換熱器研究[10]，假定采用sCO2再壓縮循環(huán)，給出了適應(yīng)sCO2循環(huán)的倒塔式鍋爐設(shè)計，同時采用小型級聯(lián)式sCO2循環(huán)作為底循環(huán)回收煙氣熱量，將煙氣溫度降至空預(yù)器入口要求。

Xu等[11]提出1 000 MWe sCO2循環(huán)燃煤電站概念設(shè)計，設(shè)計參數(shù)為620 ℃/ 30 MPa，循環(huán)效率達(dá)到48.37%。研究指出對于同等1 000 MW發(fā)電量的鍋爐，sCO2工質(zhì)鍋爐內(nèi)焓升為136.4 kJ/kg，水蒸汽鍋爐內(nèi)工質(zhì)焓升為2 170.5 kJ/kg，導(dǎo)致sCO2鍋爐工質(zhì)流量為蒸汽鍋爐的7～9倍，sCO2鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓降損失大。為解決這一問題，Xu等[11]將鍋爐內(nèi)流入單級受熱面工質(zhì)的流程和流量減半使工質(zhì)壓降損失降至原來的1/8，即“1/8原則”，提出局部流動策略，指導(dǎo)鍋爐模塊化設(shè)計。

2.1.2循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐作為一種清潔高效燃燒技術(shù)，廣泛應(yīng)用于燃煤電站，能夠在爐膛提供恒定的燃燒溫度，匹配sCO2再壓縮循環(huán)溫度加熱窗口小的特點。美國國家能源技術(shù)實驗室(NETL)將再壓縮sCO2布雷頓循環(huán)與富氧燃燒燃煤CFB鍋爐結(jié)合[12]，利用煙氣中熱量去預(yù)熱回流到CFB爐膛受熱面的CO2工質(zhì)，并比較了采用不同sCO2循環(huán)流程的電站效率。普惠洛克達(dá)公司(PWR)提出再壓縮sCO2布雷頓循環(huán)與加壓富氧流化床耦合的近零排放電站(ZEPS)概念[13]，如圖5所示，該系統(tǒng)中增壓流化床(PFBC)運行在0.83 MPa/871 ℃條件。研究指出sCO2布雷頓循環(huán)能夠補(bǔ)償由于CO2捕集與封存以及富氧燃燒制氧消耗能量所造成的系統(tǒng)效率下降，凈電站效率在35.5%～41.7%。GTI與加拿大能源與礦業(yè)技術(shù)中心(CANMET)目前正在合作建造使用以sCO2為受熱面工質(zhì)的中試規(guī)模PFBC裝置[14]。

圖5 ZEPS系統(tǒng)示意[12]

Liu 等[15]針對sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了600 MW常壓燃煤流化床鍋爐，與朗肯循環(huán)流化床相比，其鍋爐結(jié)構(gòu)簡化，爐內(nèi)與外置床換熱器總傳熱面積增加40%，工質(zhì)80%的熱量在爐內(nèi)吸收。Sun等[16]對增壓流化床sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，提出了一次再熱與二次再熱2種不同的系統(tǒng)設(shè)計方案，指出爐內(nèi)壓降是影響熱效率的關(guān)鍵因素，并建議采用煙氣再循環(huán)避免爐內(nèi)壓降過高。為解決增壓流化床受熱面布置問題，Sun等[16]采用增壓鼓泡床作為熱源，在密相區(qū)布置埋管，在爐膛頂部放置印刷電路板式換熱器作為過熱器和再熱器滿足換熱需求。

2.2 直接加熱式sCO2循環(huán)燃煤電站

直接加熱式sCO2循環(huán)相比于間接加熱式sCO2循環(huán)，具有以下2個優(yōu)勢：更高的透平入口溫度和壓力意味著更高循環(huán)效率潛力，可補(bǔ)償空氣分離裝置制備純氧所消耗的能量；直接加熱式循環(huán)具有固有的CO2捕集能力，不需要額外工藝流程和能量去捕捉CO2，可直接用于封存或利用。

2.2.1煤氣化

Allam等[7,17]將煤氣化和直接加熱式sCO2循環(huán)結(jié)合，提出煤氣化Allam循環(huán)，流程如圖6所示。不同于以天然氣為燃料的Allam循環(huán)，在煤合成氣進(jìn)入燃燒室之前，需要先對煤炭進(jìn)行氣化、凈化。Allam循環(huán)系統(tǒng)由SCO2動力循環(huán)、燃料供應(yīng)、空分制氧3部分組成[18]，在循環(huán)最低溫度為20 ℃、循環(huán)最高壓力為30 MPa、透平壓比為10、透平進(jìn)口溫度為1 150 ℃等操作條件下，煤氣化Allam循環(huán)凈循環(huán)效率達(dá)到51.44%，同時實現(xiàn)接近100%的CO2捕集率。值得注意的是，稍微損失效率的前提下，缺水地區(qū)仍可采用空氣冷卻來滿足煤氣化Allam循環(huán)運行條件。Lu等[19]在研究中構(gòu)建不同煤種、氣化類型的模型論證了煤氣化Allam循環(huán)的可行性，證明實現(xiàn)完全碳捕集的煤氣化Allam循環(huán)確實能以煤合成氣為燃料，不同煤種、氣化類型組合的電站熱效率在43.3%～49.7%，效率高于未采用碳捕集的IGCC基準(zhǔn)電站。

圖6 煤氣化Allam循環(huán)流程示意[17]

煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)系統(tǒng)的高效率和固有碳捕捉能力優(yōu)勢使其成為研究熱點。EPRI對采用Shell干煤粉氣化技術(shù)的煤氣化sCO2循環(huán)電站進(jìn)行性能評估，系統(tǒng)中通過粗煤氣換熱器耦合蒸汽底循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，研究指出，為使工質(zhì)滿足長久封存的CO2純度要求(98.1%)，應(yīng)滿足高氧純度(99.5%)，并以CO2作為煤粉輸運氣體[20]。NETL從經(jīng)濟(jì)性和性能角度對煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站的進(jìn)行評價，研究發(fā)現(xiàn)在透平入口1 149 ℃/30 MPa參數(shù)條件下，基準(zhǔn)煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)電站性能優(yōu)于帶有CCS的IGCC基準(zhǔn)電站[21]。不同于EPRI的研究，該系統(tǒng)中合成氣冷卻器產(chǎn)生的蒸汽只用來滿足系統(tǒng)內(nèi)煤粉干燥、脫硫等工藝需要，多余的熱量用來預(yù)熱壓縮合成氣和回流的CO2工質(zhì)，不再耦合蒸汽朗肯循環(huán)用來發(fā)電。中科院的趙永明[22]搭建整體煤氣化直接加熱式sCO2循環(huán)系統(tǒng)模型，評價該循環(huán)的熱力學(xué)性能，并提出雙膨脹循環(huán)流程。

2.2.2煤直接燃燒加熱式

NETL、西南研究院(SwRI)等機(jī)構(gòu)提出煤直接燃燒加熱式sCO2循環(huán)構(gòu)想，不再經(jīng)過煤氣化過程，煤炭直接進(jìn)入燃燒室，燃燒后產(chǎn)物(主要是sCO2工質(zhì))進(jìn)入透平做功。該方案目前停留在概念設(shè)計層面，主要是由于煤炭含有灰分和S、N、Cl等雜質(zhì)。為實現(xiàn)該循環(huán)，需要將灰分顆粒在高溫高壓條件下完全去除；煤中S、N、Cl等雜質(zhì)及燃燒引入的污染物需要在循環(huán)中分離，可以在燃燒過程中通過爐內(nèi)脫除或在循環(huán)過程中脫除。

SwRI的Mcclung等[23-24]提出煤10 MPa O2/sCO2富氧燃燒耦合再壓縮sCO2循環(huán)電站概念，如圖7所示，該系統(tǒng)包含超臨界富氧燃燒回路和sCO2再壓縮動力循環(huán)回路，兩回路之間通過主換熱器進(jìn)行耦合。同時給出煤超臨界富氧燃燒室設(shè)計方案，著手1 MWt超臨界富氧燃燒循環(huán)熱側(cè)中試回路的初步設(shè)計。煤超臨界富氧燃燒回路側(cè)包含超臨界富氧燃燒室、旋風(fēng)分離器(高溫高壓)、新型緊湊微通道換熱器、壓縮機(jī)等。燃燒回路中，煤炭采用水煤漿或sCO2-煤漿的形式進(jìn)入燃燒室，經(jīng)旋風(fēng)除塵后進(jìn)入主換熱器完成換熱，經(jīng)過水分離、凈化后，一部分用于CO2封存，另一部分經(jīng)過余熱回流至燃燒室。為了保障材料、設(shè)備的壽命，實現(xiàn)安全運行，燃燒回路需要實現(xiàn)灰分顆粒的完全分離和循環(huán)中雜質(zhì)的清除。在該技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高燃燒室參數(shù)，開發(fā)新型先進(jìn)CO2透平，即可將燃燒回路側(cè)改造為煤直接燃燒加熱式sCO2循環(huán)。

圖7 O2/sCO2燃燒耦合再壓縮sCO2循環(huán)示意[23]

3 sCO2流動傳熱特性基礎(chǔ)研究

sCO2獨特的熱物理性質(zhì)使其傳熱性能與超臨界水存在差異，掌握sCO2流體在不同工況下的傳熱機(jī)制，對換熱器的研發(fā)設(shè)計具有指導(dǎo)作用，是發(fā)展sCO2布雷頓循環(huán)燃煤發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)。目前對sCO2傳熱特性的研究主要集中在圓管和PCHE內(nèi)的對流傳熱特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗與數(shù)值模擬研究工作。

3.1 sCO2管內(nèi)流動傳熱特性研究

國內(nèi)外學(xué)者針對sCO2在加熱流動通道內(nèi)對流換熱特性進(jìn)行了大量試驗研究，在已發(fā)表的研究成果中，sCO2流動通道的換熱研究主要集中于垂直圓管與水平圓管的換熱特性，管徑從0.2 mm細(xì)微管道至10 mm大管徑圓管均有研究，sCO2入口壓力在7.5～12 MPa。sCO2的管內(nèi)對流傳熱主要有3種傳熱方式：正常傳熱、傳熱強(qiáng)化、傳熱惡化。

3.1.1常規(guī)管徑圓管傳熱特性

針對常規(guī)管徑水平圓管的傳熱特性研究，Pitla 等[25]對內(nèi)徑7.73 mm的水平圓管內(nèi)sCO2對流換熱進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明對流傳熱系數(shù)在臨界區(qū)附近增加，其峰值出現(xiàn)在準(zhǔn)臨界溫度區(qū)。Yoon 等[26]在水平管試驗中得到相似的結(jié)論，并指出準(zhǔn)臨界溫度對應(yīng)壓力升高，傳熱系數(shù)將降低。Tanimizu等[27]則在內(nèi)徑4.55和7.75 mm水平圓管內(nèi)進(jìn)行大量傳熱試驗，進(jìn)一步指出不同熱流密度下，準(zhǔn)臨界溫度區(qū)域會出現(xiàn)傳熱強(qiáng)化或傳熱惡化現(xiàn)象。

針對常規(guī)管徑豎直圓管的傳熱特性研究，Song等[28]在直徑4.4和9.0 mm，長度2 m的垂直管內(nèi)進(jìn)行sCO2的換熱試驗，對不同管徑以及不同質(zhì)量流量、熱流密度的sCO2進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明在臨界點附近出現(xiàn)換熱強(qiáng)化和換熱惡化的現(xiàn)象，換熱強(qiáng)化通常發(fā)生在高質(zhì)量流量和低熱流密度工況下，換熱惡化通常發(fā)生在低質(zhì)量流量和高熱流密度工況下，這與前人所觀測的試驗現(xiàn)象一致。Lei 等[29]進(jìn)一步指出，sCO2質(zhì)量流量相同時，在低熱通量條件下，傳熱系數(shù)隨著壓力的增加而顯著下降，而在高熱通量條件下壓力之間的傳熱特性差異很小。

3.1.2細(xì)管道圓管傳熱特性

Liao等[30]分別在直徑0.70、1.40、2.16 mm的加熱水平和垂直細(xì)圓管內(nèi)進(jìn)行sCO2對流換熱試驗，結(jié)果表明，在雷諾數(shù)Re已經(jīng)高達(dá)105以上的工況下，浮升力對sCO2的換熱影響仍然顯著。在向下流動的工況中，由于浮升力的作用，3種管徑在準(zhǔn)臨界溫度附近均出現(xiàn)了換熱惡化，對流傳熱系數(shù)h下降劇烈，而水平流動和向上流動的工況中則出現(xiàn)了換熱強(qiáng)化，這與sCO2常規(guī)管徑浮升力對傳熱特性的影響有一定區(qū)別(圖8)。試驗結(jié)果還進(jìn)一步表明，sCO2所有流動方向，努賽爾數(shù)Nu均隨著管徑的減小而呈下降趨勢。由于sCO2在細(xì)管徑中Re較高，Nu本應(yīng)增強(qiáng)，Liao認(rèn)為出現(xiàn)Nu減小的現(xiàn)象是受浮升力和熱流密度的影響，并據(jù)此提出新的關(guān)聯(lián)式描述sCO2在細(xì)微管中的換熱特性。

圖8 傳熱系數(shù)隨整體平均溫度的變化[31]

3.1.3微細(xì)管道圓管傳熱特性

Liao等[30]、Jiang等[31-32]對sCO2在微細(xì)管道內(nèi)的對流換熱開展了研究，在直徑0.27 mm的圓管內(nèi)，當(dāng)Re>4×103時，流動方向和浮升力對局部壁溫的影響很小，在任一流動方向上未觀察到對流換熱的惡化。而在直徑0.099 2 mm的圓管內(nèi)，浮升力對sCO2向上和向下流動時的傳熱影響進(jìn)一步減弱。同時表明局部傳熱系數(shù)在低熱流密度時線性增加，在較高的熱流密度下則觀察到非線性特征關(guān)系。

3.1.4浮升力對傳熱特性的影響

大量研究表明，浮升力對sCO2管內(nèi)流動有重要影響。在加熱流體時，壁面溫度高于流體中心溫度，管內(nèi)流體徑向溫度梯度導(dǎo)致流體沿徑向產(chǎn)生密度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生浮升力。浮升力將導(dǎo)致流體剪切力發(fā)生改變，引起湍流動能的減弱或增強(qiáng)。熱流密度越大，徑向密度梯度越大，產(chǎn)生的浮升力也就越強(qiáng)。Jackson等[33]提出采用無量綱數(shù)Bo*來表征浮升力對sCO2換熱的影響程度。

(1)

(2)

式中，Gr*為格拉曉夫數(shù)；Reb、Prb分別為流體溫度下的雷諾數(shù)與普朗特數(shù)；β為體積膨脹系數(shù)；d為內(nèi)管徑，mm；g為重力加速度，m2/s；qw為壁面熱流密度，W/m2；λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；v為運動黏度，m2/s。

Jackson等[33]指出對于常規(guī)管徑加熱工況，sCO2向下流動時浮升力起到強(qiáng)化換熱的作用。而對于向上流動，當(dāng)5.6×10-78×10-6時，浮升力起到強(qiáng)化換熱的作用。該規(guī)律能較好地描述常規(guī)管徑中垂直流動中出現(xiàn)的傳熱強(qiáng)化與傳熱惡化現(xiàn)象。

Fewster等[34]提出另一參數(shù)Bu來描述浮升力在常規(guī)管徑豎直流動中產(chǎn)生的影響。

(3)

Bu<5×10-6，浮升力的影響可忽略；5×10-6

3.1.5管內(nèi)表面粗糙程度對傳熱特性的影響

Hiroaki等[36]在內(nèi)徑6 mm的豎直光滑管和粗糙管內(nèi)進(jìn)行sCO2對流換熱試驗，研究換熱管表面粗糙程度對超臨界壓力下CO2對流換熱特性的影響，結(jié)果表明增加管壁表面粗糙程度可以增強(qiáng)sCO2的對流換熱特性，管子內(nèi)表面粗糙程度從0.2 μm增至14 μm，對流換熱明顯增強(qiáng)，粗糙程度過大將犧牲壓降，在布雷頓循環(huán)過程中，導(dǎo)致整體效率降低。

3.1.6sCO2管內(nèi)流動傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

由于sCO2流體在臨界點附近物理性質(zhì)發(fā)生巨大改變，對流傳熱系數(shù)采用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式誤差較大。學(xué)者們基于大量試驗數(shù)據(jù)，提出了許多計算sCO2管內(nèi)對流換熱的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式?？紤]流體物理性質(zhì)、浮升力、熱流密度等因素，采用雷諾數(shù)、普朗特數(shù)以及邊界層和圓管中心區(qū)流體物性參數(shù)比值形式的修正項擬合試驗數(shù)據(jù)而得到。表1列舉了一些主要的換熱關(guān)聯(lián)式。

表1 sCO2管內(nèi)換熱關(guān)聯(lián)式

續(xù)表

續(xù)表

3.2 sCO2在 PCHE中流動傳熱特性

PCHE是一種新型的緊湊型換熱器，由多片刻蝕相當(dāng)數(shù)量微通道的板組成，具有傳熱效率高、耐高溫高壓等優(yōu)勢。憑借緊湊高效等特點，PCHE在SCO2循環(huán)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞sCO2在PCHE中的傳熱特性與壓降進(jìn)行了大量試驗與數(shù)值模型研究。

Khan等[46]對sCO2在直流微通道和Z型微通道PCHE的流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了其在不同雷諾數(shù)下的傳熱特性及流動特性，證明Z型微通道比支流通道有更好的流動傳熱特性。Nikitin等[47]對不同溫度、壓力和質(zhì)量流率的sCO2在Z形PCHE中的傳熱特性進(jìn)行了試驗與數(shù)值分析，針對流體雷諾數(shù)提出sCO2在PCHE冷端與熱段的傳熱和摩擦因子(friction factor,f)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。由于sCO2在PCHE換熱過程中壓降損失較大，如何降低壓降損失并保持sCO2在PCHE中的良好傳熱特性一直是研究熱點。Tsuzuki等[48]提出并優(yōu)化了一種S型微通道PCHE，并得出結(jié)論在相同的傳熱特性下，S型PCHE中sCO2的壓降是Z型PCHE的1/5。Kim 等[49]提出一種新型翼型翅片結(jié)構(gòu)微通道PCHE，其工質(zhì)壓降為傳統(tǒng)Z型通道的1/20。Saeed等[50]對sCO2在不同微通道結(jié)構(gòu)的PCHE中流動與傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在大雷諾數(shù)范圍內(nèi)，PCHE的通道結(jié)構(gòu)對流體參數(shù)的變化異常敏感，并建議在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)必須建立不同的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。sCO2在PCHE中相關(guān)準(zhǔn)則方程見表2。

3.3 sCO2流動傳熱特性的數(shù)值模擬

許多學(xué)者利用數(shù)值計算的方法模擬了管內(nèi)sCO2的流動與傳熱特性，主要通過CFD預(yù)測sCO2在加熱或冷卻過程中的傳熱特性。在已報道的研究成果中，sCO2流動與傳熱特性的數(shù)值模擬主要采用湍流模型，其中LRNk-ε模型對于sCO2流體具有更高的精確性，目前管內(nèi)sCO2流動與傳熱特性的數(shù)值模擬采用最廣泛。此外，許多學(xué)者針對特定的物理模型建立了不同的sCO2傳熱數(shù)學(xué)模型。Pitla等[25]開發(fā)了一種用于模擬sCO2在套管式換熱器中傳熱特性的數(shù)學(xué)模型，其中sCO2在管內(nèi)流過，水在環(huán)形管道內(nèi)流過。Cao等[52]基于SIMPLE算法研究了sCO2在水平細(xì)圓管和三角管中的流動和傳熱特性，并指出管壁與流體在未達(dá)到熱平衡狀態(tài)之前，浮升力可以強(qiáng)化換熱，在臨界點附近尤為明顯。Choi等[53]基于SIMPLE算法，采用迎風(fēng)格式處理流量變量，研究sCO2在微孔介質(zhì)中的傳熱特性，結(jié)果表明隨著雷諾數(shù)增加，壁面摩擦系數(shù)與努塞爾數(shù)近似呈線性增加。

4 展 望

表2 sCO2在PCHE中的傳熱與流動關(guān)聯(lián)式

sCO2布雷頓循環(huán)作為動力循環(huán)的主要優(yōu)勢是效率高、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)緊湊、熱源適應(yīng)性廣，有望在下一代核反應(yīng)堆、燃煤電站、余熱回收及可再生能源(太陽能、地?zé)崮艿?領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。鑒于我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)及嚴(yán)峻氣候挑戰(zhàn)，sCO2動力循環(huán)與富氧燃燒、流化床鍋爐、煤氣化等技術(shù)結(jié)合為我國實現(xiàn)煤炭清潔高效低碳利用提供了新的思路。CO2減排在未來幾十年將是燃煤發(fā)電的主要研究方向，具有更大效率優(yōu)勢和固有碳捕捉能力的直接加熱式sCO2循環(huán)燃煤發(fā)電技術(shù)將引起更多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，具有良好的應(yīng)用前景。結(jié)合我國能源結(jié)構(gòu)，將sCO2布雷頓循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站更具現(xiàn)實意義，建議今后的研究工作重點關(guān)注以下方面：

1)系統(tǒng)設(shè)計。間接加熱式sCO2循環(huán)取代蒸汽朗肯循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站，結(jié)合燃煤熱源的特點，優(yōu)化sCO2循環(huán)流程設(shè)計，改進(jìn)鍋爐布置，解決目前間接加熱式sCO2循環(huán)燃煤電站存在的熱源處工質(zhì)溫升小、工質(zhì)流量大、壓降大、鍋爐尾部排煙溫度高等問題；開發(fā)效率更優(yōu)、可實現(xiàn)完全碳捕集的直接加熱式sCO2循環(huán)燃煤電站系統(tǒng)，可從氣化類型、熱量集成、流程配置等方面入手，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；關(guān)注sCO2循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性和非設(shè)計點性能，特別是系統(tǒng)在啟停、緊急響應(yīng)、負(fù)荷調(diào)整狀態(tài)下系統(tǒng)的運行情況，提出sCO2循環(huán)系統(tǒng)的運行控制策略。

2)基礎(chǔ)理論。目前關(guān)于sCO2工質(zhì)的傳熱研究都是在小型試驗裝置上，流動和真實鍋爐差距很大，應(yīng)該加強(qiáng)在大型工程試驗裝置上的測試；目前關(guān)于煤合成氣或煤粉在sCO2氣氛下的燃燒特性試驗報道較少，缺乏超臨界條件下的燃燒特性參數(shù)，應(yīng)開展sCO2條件下燃燒試驗研究，建立超臨界條件下的反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理；目前材料在sCO2氣氛下的腐蝕行為研究存在獲取時間較短的問題，更長試驗時間、更真實的腐蝕試驗有待進(jìn)一步研究。

3)設(shè)備研發(fā)。國內(nèi)外都在積極開展sCO2循環(huán)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件設(shè)備的研發(fā)，主要集中在CO2壓縮機(jī)、先進(jìn)CO2透平、大容量回?zé)崞鞯龋壳霸趯嶒炇液托≡囈?guī)模階段，應(yīng)加快開展中試規(guī)模測試，積累測試數(shù)據(jù)和研發(fā)基礎(chǔ)，推動sCO2循環(huán)燃煤電站早日商業(yè)化應(yīng)用；針對直接加熱式sCO2循環(huán)燃煤電站，面對系統(tǒng)更高參數(shù)的挑戰(zhàn)需開發(fā)新型高溫高壓的燃燒室，同時為避免煤炭燃燒生成的顆粒物對循環(huán)中設(shè)備的安全運行和壽命造成威脅，研發(fā)高溫高壓條件下的高溫除塵裝置。

5 結(jié) 語

本文針對sCO2布雷頓循環(huán)工作原理及特性、應(yīng)用于燃煤電站的技術(shù)方案與工質(zhì)傳熱特性的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，介紹了間接式與直接式sCO2循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站發(fā)電的多種技術(shù)方案，總結(jié)了sCO2作為工質(zhì)在圓管及PCHE內(nèi)的對流傳熱特性，對今后的sCO2循環(huán)燃煤電站系統(tǒng)設(shè)計及其換熱面布置研究工作具有一定參考意義。目前我國關(guān)于sCO2循環(huán)發(fā)電的研究尚處于起步階段，與國外研究存在一定差距?！吨袊圃?2025—能源裝備實施方案》正式提出發(fā)展sCO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)，是縮小與國外差距、快速發(fā)展sCO2循環(huán)燃煤發(fā)電技術(shù)的重要機(jī)會。研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)抓住這一重大發(fā)展機(jī)遇，依托超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組和IGCC電站技術(shù)積累，加速推動sCO2循環(huán)燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。