超臨界二氧化碳渦輪發電在船舶余熱利用上的技術分析

李沛劍

(海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076)

超臨界二氧化碳渦輪發電在船舶余熱利用上的技術分析

李沛劍

(海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076)

船舶動力技術水平關系到國家經濟發展與軍事安全，其中實現其發動機排氣余熱高效利用是一項關鍵技術。船舶具有多種余熱利用的途徑，現代船舶對于電能的需求越來越大，利用余熱進行發電具有前景。超臨界二氧化碳具有良好的密度和流動特性，可在中低溫區實現高效的渦輪機械作功，相比溫差發電或燃氣輪機發電具有明確的效率優勢。本文對比分析了超臨界二氧化碳渦輪發電的發展現狀和關鍵技術，并針對船舶參數開展30 kW級超臨界二氧化碳渦輪發電機的研制，在氮吹試驗中實現了36 kW/36.5 kr/min的功率輸出，可進一步驗證并推進超臨界二氧化碳渦輪發電在船舶余熱利用上的發展。

超臨界二氧化碳；渦輪發電；余熱；船舶；效率

0 引 言

船舶動力裝置技術水平關系到國家海上經濟的發展以及軍事安全問題，目前柴油機是應用最為普遍的船舶動力裝置；相對昂貴的燃氣輪機也因其突出的動力重量比而在軍用艦艇上得以發展，如美國海軍的DDG-1000型導彈驅逐艦、英國皇家海軍的“伊麗莎白女王”號航空母艦和45型驅逐艦[1]；此外，電力推進裝置或混合動力裝置也得到越來越多的關注。

無論是柴油機或是燃氣輪機，能量利用率僅在50%左右，尾氣均具有較高的溫度（約200 ℃～500 ℃），蘊含著大量的能量[2]。目前船舶中對排氣余熱的利用主要分為余熱換熱、余熱制冷、余熱制淡以及余熱發電等幾種形式。涉及到的余熱利用裝置主要包括渦輪增壓器、廢氣鍋爐、渦輪發電裝置、海水淡化裝置等。其中利用余熱發電的方式可直接給船舶供給電力，符合現代船舶對電能的需求，具有廣闊的前景[3]。余熱發電具有多種可行性的方案，一方面需要分析對比每種方案的原理與特點，另一方面需要探索技術更先進效率更優化的新方案，實現船舶余熱的高效利用。

1 船舶上余熱發電的形式

傳統的船舶上的余熱發電形式通常有溫差發電以及燃氣輪機發電2種。

1.1 余熱溫差發電

溫差發電是基于塞貝克效應的一種可以直接將熱能轉換為電能的技術，起始于20世紀40年代，已成功通過放射性同位素溫差發電的形式在航天器上用于長時間發電。塞貝克效應是指當2種不同的金屬相接并且2個結點保持不同的溫度，就會有電流連續不斷的流過電路，是由德國科學家賽貝克于1821年發現的[4]。

如圖1所示，不同材料AB兩端的電勢差為：

其中αAB稱為相對賽貝克系數，且

圖1 賽貝克效應示意圖Fig. 1 The diagram of seebeck effect

溫差發電具有無運動部件、無污染、無噪聲等優點，是綠色環保的發電方式。在集裝箱船等船舶上具有一定的應用前景[5]。由于金屬材料的賽貝克系數很低，材料的無量綱熱電優值ZT在0.1以下，目前性能最好的商業化熱電材料的ZT值僅在1左右，因此溫差發電效率不高。隨著納米技術和材料合成技術的發展，目前對溫差發電所用的熱電材料進入了新的研究階段，ZT值已經接近或超過2，但還需要進一步提升才在實用效率上具有優勢。

1.2 燃氣輪機發電

燃氣輪機是以連續流動的燃氣作為工質帶動葉輪高速旋轉的內燃式動力機械，工業上常用于拖動發電機組發電。燃氣輪機的工作過程是壓氣機連續地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣渦輪中膨脹作功，推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉[6]，并再帶動發電機輸出電能，圖2展示的為美國Capstone公司研制的C系列燃氣輪機發電機的結構。

圖2 Capstone公司C系列渦輪發電機結構Fig. 2 The C series turbo-generator structure of Capstone corporation

艦載燃氣輪機發電具有如下優點：功率密度大可節省艦船空間，滿足高能武器裝備需求；有效降低艦船全壽命周期費用；提高艦船隱身性能；提高艦艇機動性[7]。但由于氣體溫度對燃氣輪機的效率影響極大，通常只有在氣體溫度超過1 000 ℃后，燃氣輪機才能有較好的性能[8]。而船舶發動機的排氣余熱通常在400 ℃以下，對于燃氣輪機來說僅是低品質能量，因此燃氣輪機發電在船舶上的應用更傾向于主發動機發電而非利用余熱發電。

2 超臨界二氧化碳（S-CO2）渦輪發電技術

從上文可知，制約船舶余熱發電的主要因素即為發電效率瓶頸，而對超臨界二氧化碳渦輪發電技術的熱點研究有望對此提供一種可行的優化方案。

超臨界二氧化碳渦輪發電技術是以超臨界狀態的二氧化碳作為工質，將熱源的熱量轉化為機械能并最終輸出電能的動力技術。CO2具有良好的熱穩定性、物理性能和安全性，是無毒不可燃的低成本流體，其臨界溫度為31.2 ℃，臨界壓力為7.38 Mpa，遠低于水的臨界點，易于實現。使CO2處于超臨界狀態（SCO2），使其具有近似液體的密度和近似氣體的流動性，且其在循環過程中無相變，可大大提高其在渦輪機械中的作功能力。

S-CO2渦輪發電的基本循環為布雷頓循環，包括絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹和定壓放熱4個基本過程，其循環示意圖和溫熵圖如圖3所示。

由于S-CO2在密度和流動性上的優勢，相比對燃氣輪機對工質溫度的高要求，S-CO2渦輪發電在低溫段即可具有很高的效率，在550℃時即可達到45%，遠高于其他氣體工質（例如氦氣），且在相同發電能力條件下，系統體積遠遠小于其他透平機械，尤其不需要水蒸氣所需的大量鍋爐管道設備。圖4展示了在不同溫度條件下3種介質的循環效率。

圖3 布雷頓循環示意圖和溫熵圖Fig. 3 The diagram of Brayton cycle and tephigram

圖4 三種工質在不同溫度下的循環效率Fig. 4 The cycle efficiency of three working medium in different temperature

目前，美國、歐洲、日韓等國家和地區均開展了對S-CO2發電技術的研究及樣機研制。美國的BMPC公司搭建了100 kW級的S-CO2發電試驗系統；世界上第1個兆瓦級的商業S-CO2發電機組EPS100建于美國紐約并已通過實驗驗證；美國諾爾斯原子能實驗室和貝蒂斯試驗室正在探索S-CO2渦輪發電技術在船舶動力系統領域的應用并已建成1座100 kW電功率的整體試驗系統；日本東京工業大學完成了600 MW的S-CO2循環系統設計；國內的清華大學、上海交通大學等單位也在進行相關研究。

由此可知，通過S-CO2渦輪發電技術，可以高效的利用排氣的余熱能量，具有應用的競爭優勢。

3 關鍵技術

S-CO2渦輪發電具有顯著的優勢和前景，但目前仍存在不少關鍵技術需要攻克。

3.1 S-CO2物性研究與能量轉換分析

國內外研究者從理論分析、數值仿真和實驗驗證等3個方面開展關于S-CO2的流動特性研究，以便掌握其能量轉換的規律，了解其在近臨界區和跨臨界點時的非線性變化特征，這需要大量的熱力學分析和實驗工作。

同時S-CO2渦輪發電系統的整機運行狀態的控制難度大，需優化匹配作功前后的S-CO2的溫度和壓力狀態，尤其保證其仍處于超臨界狀態。這一方面要求具有高效的換熱設備和壓縮機設計，另一方面要求當系統負載需求發生變化時，整個系統應可及時作出調整，保證系統效率水平。

3.2 高效渦輪與高速電機的設計技術

渦輪與發電機是整個S-CO2發電系統的核心組件，是工作環境最惡劣、可靠性和效率性要求最高的部分。

渦輪機械不僅要實現高轉速以提高比功率，更需要充分考慮S-CO2工質的高溫高壓高流動性等參數，在材料強度、軸承方案、冷卻設計、密封設計上都具有較高的挑戰。高速電機的研究是目前的熱點之一，其轉子損耗、渦流損耗、材料、轉子動力學等都是提高高速電機效率的研究核心，電磁與溫度也是重要的研究參數。

3.3 熱端材料

S-CO2系統對材料的耐壓、耐高溫、耐腐蝕性要求高，同時對加工、生產、熱處理、檢驗探傷等工藝也提出了較高要求。目前主流的材料為鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼以及鎳基高溫合金等，并通過耐蝕性能、抗氧化性、高溫抗張強度、蠕變破裂強度、持久性以及經濟性等方案進行綜合評價，并根據不同的應用領域優化選擇。

4 樣機研制

在深入分析S-CO2渦輪發電原理和船舶工況參數的基礎上，研制了1套30 kW級S-CO2渦輪發電機，并于前期開展氮氣驅動功率試驗。樣機的設計參數如表1所示。

針對參數要求開展設計，包括葉型設計、進出口噴管設計、密封設計、潤滑冷卻設計、強度設計、電機設計等。完成了樣機研制并使用高壓氮氣進行功率測試試驗。樣機實物照片及試驗系統示意圖如圖5所示。氮吹試驗的功率/轉速結果如圖6所示。

需要說明的是，渦輪進口設計為兩路噴嘴，圖6中前5組試驗的條件均為單路噴嘴進氣，而第6組（即圖中方框中的數據點）試驗則為雙路噴嘴同時進氣，在進一步增加進氣流量的基礎上實現了功率36 kW/轉速36.5 kr/min的輸出。氮吹試驗為開式系統試驗，即氮氣直接排入大氣，高壓比提高了渦輪的作功能力。氮吹試驗的結果與數值計算的估計具有較好的擬合度，說明渦輪發電機設計正確；同時驗證了渦輪發電機具備在額定條件下穩定運行的能力；可進一步應用于S-CO2工質進行驗證。

表1 30 kW級S-CO2渦輪發電機設計參數Tab. 1 The S-CO2 turbo-generator design parameter of 30kW level

圖5 S-CO2渦輪發電機實物照片及試驗系統示意圖Fig. 5 The S-CO2 turbo-generator photograph and testing system diagram

圖6 S-CO2渦輪發電機氮吹試驗功率/轉速結果Fig. 6 The nitrogen testing power of S-CO2 turbo-generator and speed result

5 結 語

船舶發動機排氣溫度中蘊含著大量的能量，同時現代船舶的發展對電能的需求越來越大，高效利用排氣余熱進行發電，對于滿足船舶應用需求以及提高船舶運行效率具有重要的意義。溫差發電或燃氣輪機發電對于余熱的利用效率較低，而S-CO2渦輪發電則由于工質優良的物性狀態和作功能力而具有巨大的潛力，國內外也在積極開展相關技術的研究與樣機的研制。

本文介紹了S-CO2渦輪發電的技術方法及關鍵技術，并針對參數目標設計研制了一臺S-CO2渦輪發電機。在氮吹試驗中，樣機實現了最高36 kW/36.5 kr/min的輸出，可進一步應用于S-CO2工質的試驗。針對船舶余熱利用開展S-CO2渦輪發電系統的論證與研制，對于提高船舶效率和技術發展水平具有重要的意義。

[1]DAVID P, SIMON N. The development and application of the rolls-royce MT30 marine gas turbine[C]//ASME Turbo Expo,2011

[2]黃建新. 船舶動力裝置發展新趨勢探討[J]. 科技論壇, 2016, 6:19-21.

HUANG Jian-xin. The new trend investigation of ship engines system[J]. Pioneering with Science & Technology Monthly,2016, 6: 19-21.

[3]陳秋成. 船舶動力裝置的余熱利用分析[J]. 中國水運, 2010,10(7): 112–113.

CHEN Qiu-cheng. Analysis of waste-heat utilization based ship engines system[J]. China Water Transport, 2010, 10(7): 112-113.

[4]李紅霞, 張文孝, 任莉. 船舶動力裝置的余熱利用研究綜述[J].造船技術, 2013, (2): 4–5.

LI Hong-xia, ZHANG Wen-xiao, REN Li. The research of waste-heat utilization based ship engines system[J].Shipbuilding Technology, 2013, (2): 4-5.

[5]莫文火. 混合動力船舶發電系統的設計與研究[J]. 艦船科學技術, 2016, 38(2): 55-56.

MO Wen-huo. Design and research of hybrid power generation system[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(2): 55-56.

[6]李徐嘉, 劉云生. 艦用燃氣輪機發電機組發展概述[J]. 船電技術, 2014, 34(4): 49-52.

LI Xu-jia, LIU Yun-sheng. The development of warship's gas turbine generator[J]. Ship-electricity Technology, 2014, 34(4):49-52.

[7]唐豪杰, 孫鑫強. 發電燃氣輪機效率分析及提高措施[J]. 燃氣輪機技術, 2007, 20(4): 19-24.

TANG Hao-jie, SUN Xin-qiang. The efficiency analysis and improving measures of a gas turbine used for driving electric generator[J]. Gas Turbine Technology, 2007, 20(4): 19-24.

[8]高峰, 孫嶸, 劉水根. 二氧化碳發電前沿技術發展簡述[J]. 海軍工程大學學報, 2015, 12(4): 92-96.

GAO Feng, SUN Rong, LIU Shui-gen. Introductiion of supercritical CO2power generation technology[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2015, 12(4): 92-96.

Analysis of waste-heat utilization by supercritical carbon dioxide turbine generator in ship

LI Pei-jian
(Navy Equipment Department in CALT Military Repressentative Bureau, Beijing 100076, China)

The level of ship power equipment is key issue of State economy and military. One of the key technologies is waste-heat utilization of engine exhaust emission. Electrical energy is more and more important in modern ship, generating electricity from the waste heat is promising. With good characteristic of density and fluxion, supercritical carbon dioxide shows efficient power ability in the low temperature zone, having huge advantage than thermoelectric and combustion gas turbine. The development and technology are investigated of supercritical carbon dioxide turbine generator. A 30 kWs prototype is developed according to the ship parameters. The turbine generator maximum outputs 36 kW/36.5 kr/min during experiment using nitrogen, which can make advance on waste-heat utilization in ship.

supercritical carbon dioxide；turbine-generator；waste heat；ship；efficiency

TG172

A

1672 – 7649(2017)10 – 0084 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.016

2017 – 02 – 21

李沛劍(1979 – )，男，工程師，研究方向為導彈總體及伺服技術。