超臨界二氧化碳發電技術概述

董 力

（山東神華山大能源環境有限公司，濟南 250014）

超臨界二氧化碳發電技術概述

董 力

（山東神華山大能源環境有限公司，濟南 250014）

介紹了超臨界二氧化碳（CO2）布雷頓循環及其發電系統的原理和特點，對該發電系統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；發電技術

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

1 超臨界CO2布雷頓循環原理

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、反應介質等在醫藥工業、食品工業、輕工業、高分子科學等方面已有較多的應用。CO2相圖如圖1所示。

作為熱能循環工質，與其他同類型的循環工質相比，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個數量級；流動性強，易于擴散，系統循環損耗小；3）臨界溫度和壓力較低，容易達到超臨界狀態，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，系統設備結構緊湊、體積小；5）腐蝕性小于水蒸汽；6）無毒、不燃、穩定，對臭氧層無破壞，廉價易得。

圖1 超臨界CO2相圖

布雷頓循環（Brayton Cycle）是典型的熱力學循環，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），工質在循環中不發生相變。空氣布雷頓循環在燃氣輪機發電系統、空間動力系統、飛機和輪船的引擎系統等動力裝置和空間設備中得到了廣泛的應用，是能源開發和轉換領域里支柱型的動力循環系統之一。理想氣體布雷頓循環過程如圖2所示。

氣體布雷頓循環存在壓縮功耗高、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的性能。循環的冷端運行在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等優勢。在相同的渦輪機與壓縮機進氣溫度條件下，超臨界CO2布雷頓循環可獲得比理想氣體布雷頓循環更高的效率。超臨界CO2布雷頓循環過程如圖3所示。

圖2 理想氣體布雷頓循環過程

圖3 超臨界CO2布雷頓循環過程

2 超臨界CO2布雷頓循環發電系統及其特點

基本的回熱超臨界CO2布雷頓循環發電系統如圖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，渦輪帶動發電機發電；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。

圖4 超臨界CO2布雷頓循環發電系統示意

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布雷頓循環發電系統，主要具有以下特點。

2.1 循環系統損耗及壓縮做功小，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，循環系統損耗小。循環過程無變相，循環壓縮做功有效減小，只占渦輪輸出功的30%；而常規氦氣循環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%。

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

2.2 系統結構緊湊，體積小，重量輕

CO2工質在循環中均處于超臨界狀態，不發生相變，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。整個系統結構簡單、緊湊、體積更小，可實現模塊化建造。在相同發電能力條件下，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具有相對穩定的化學性質，中低溫條件下與金屬發生化學反應而侵蝕的速率較慢，同時發電系統在中低溫段已具有很高的效率。系統關鍵設備和循環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發電系統一般采用高速渦輪機發電機，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，發電成本低

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

3 應用前景

超臨界CO2布雷頓循環發電系統，具有高效、環保等特點，被視為未來發電的主要發展方向之一，在諸多領域有良好的應用前景。

3.1 核能發電

目前，核能發電是國內外對超臨界CO2布雷頓循環最主要的研究領域。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制造技術的苛刻要求；與傳統蒸汽系統相比，安全性有了極大提高。超臨界CO2布雷頓循環對核能發電的應用有著更深遠的影響。

3.2 太陽能光熱發電

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

圖5 塔式太陽能集熱超臨界CO2布雷頓循環發電系統圖

3.3 工業廢熱發電

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

3.4 艦船發電及推進系統

艦船內部空間狹小，對船內設備的體積限制嚴格。超臨界CO2發電系統在提高發電效率、節省能源、減小發電系統體積和重量、降低噪聲影響等諸多方面具有優勢，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。

3.5 礦石燃燒發電

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

圖6 礦石燃料直接燃燒超臨界CO2布雷頓循環發電系統圖

3.6 其他應用

超臨界CO2發電本質是以超臨界狀態的CO2流體作為工質，將熱源的熱能轉化為機械能的熱機系統。超臨界CO2工質的優良特性使其系統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供系統等。

超臨界CO2布雷頓循環發電系統應用于不同熱源時，主要參數如下表所示。

超臨界CO2布雷頓循環發電系統對不同熱源適用參數表

4 研究方向和關鍵技術

超臨界CO2布雷頓循環發電是未來清潔高效發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物性及傳熱規律的系統性研究

在臨界點附近，CO2密度劇烈變化形成了巨大的自然循環流動能力，以及循環系統內摩擦系數、壓降、導熱系數的大幅變化等問題，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、運行狀態的關系，以及事故泄露狀態下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”問題造成循環效率較大損失。為提高效率，可在系統中增加中間冷卻、分流、再壓縮等熱力設備組合，構成各種形式的閉環布雷頓循環。常見的組合循環形式主要有再壓縮循環、分段膨脹循環、預壓循環、部分冷卻循環等。需要研究各種組合循環形式在不同運行參數下的效率，研究不同領域應用超臨界CO2發電系統最適用的循環形式及循環系統中各環節CO2工質的物性參數。

4.3 超臨界CO2高速一體化渦輪發電機設計和制造技術

渦輪發電機是超臨界CO2發電系統的核心設備，其高效率、高可靠性是發電系統技術優勢發揮的關鍵。超臨界CO2的特點使渦輪發電機級數更少、體積更小、轉速更高，發電機和壓縮機可一體同軸布置。渦輪發電機設計難點有：使壓縮機工作在臨界點附件的空氣動力學設計、一體化渦輪發電機布置造成的發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、轉子運行穩定性，發電機電磁、溫升等參數的影響等問題。

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發電系統工程應用的基礎。在近臨界區，CO2的熱物性及流動、換熱規律非常復雜，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在系統熱端處于高溫、高壓工況，加熱器、高速渦輪機、發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

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

5 研究現狀

美國、歐洲、日本、韓國等發達國家和地區先后開展了超臨界CO2發電技術的研究，美國、日本等國的研究機構和企業已經開發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合開發了面向鉛鉍合金冷卻反應堆的超臨界CO2發電機組；麻省理工學院提出了再壓縮超臨界CO2布雷頓循環流程和熱力循環參數方案；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發電機組。

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

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

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

5.2 試驗和示范研究

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

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

美國桑迪亞國家實驗室建成了超臨界CO2布雷頓循環原型機，能夠開展回熱循環、再壓縮循環、間冷再熱再壓縮循環等多種循環試驗。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布雷頓循環的船舶動力系統，已于2010年建成100kW試驗裝置。

日本東芝公司開發完成了直接燃燒超臨界CO2半閉環式布雷頓循環樣機，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直接燃燒式發電系統的建設。

5.3 我國研究進展

我國也開展了超臨界CO2布雷頓循環發電技術的研究，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。

產業界已經有所行動，華能集團立項開發超臨界CO2高效發電機組，目標是實現600MW等級以上的大型超臨界CO2火力發電系統及關鍵部件的工程方案；目前已經完成5MW試驗系統的設計，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議，擬共同開展面向太陽能光熱發電的超臨界CO2布雷頓循環發電系統的開發，實現10MW級發電系統、太陽能聚光及儲能單元的系統集成與聯調。

6 結語

超臨界CO2布雷頓循環是動力循環的重大創新，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布雷頓循環發電系統的研究，在循環系統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