國外超臨界二氧化碳循環發電技術發展及應用前景

晉文超，葛 宋

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

超臨界二氧化碳發電技術是以超臨界二氧化碳作為布雷頓熱力循環工質來發電的技術。超臨界二氧化碳循環發電技術具有諸多優點，在民用及軍用（尤其是艦船）領域受到極大關注。

1）效率可超過50%，比最先進的蒸汽動力循環高出25%

超臨界二氧化碳布雷頓循環最引人關注的特點是有可能大幅提高熱力循環效率，理論分析指出在接近800 ℃的渦輪入口溫度時，其熱力循環效率有可能超過50%，比目前最先進的大型蒸汽動力裝置的熱效率（略超過40%）高出近25%。蒸汽郎肯循環效率的平均水平僅在34%左右。

2）裝置體積僅為蒸汽動力系統的1/30

由于超臨界二氧化碳的獨特性質，超臨界二氧化碳布雷頓循環熱力裝置具有較高的能量密度，渦輪的級數可減少，體積顯著縮小。例如，一個300 MW的超臨界二氧化碳電站的渦輪直徑只有大約1 m，只需要3個級，而同等功率的蒸汽系統則需要直徑5 m的渦輪，需要22～30個葉片組。超臨界二氧化碳布雷頓循環系統可達到蒸汽系統體積的1/30。

圖1所示為美國麻省理工學院研究給出的各種熱力循環中動力渦輪的尺寸比較。這種小型化的特點，使超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術在軍艦上應用具有獨特優勢。

3）適用于各種不同品質熱源

與水蒸氣郎肯循環相比，超臨界二氧化碳適用的熱源溫度更廣，且在這些溫度范圍內均能達到較高效率，尤其在500 ℃～800 ℃區間內。超臨界二氧化碳布雷頓循環為閉式循環，可使用各種品質熱源，包括核反應堆、劣質的燃油、煤、垃圾焚燒、地熱能、太陽能、工業廢熱等各種不同溫度的熱源。

4）系統噪聲小

超臨界二氧化碳發電系統一般采用高速渦輪機發電機組，轉速高，以高頻振動線譜為主，有利于隔振降噪。此外，超臨界二氧化碳發電系統的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。這對于降噪要求高的應用場合（如軍艦）具有十分重要的意義。

5）二氧化碳成本低廉且性質穩定，降低選材難度

二氧化碳的成本低廉、儲量豐富，是一種化學性質穩定、無毒的氣體，在中低溫條件下與金屬發生化學反應而侵蝕的速率較慢，循環部分的選材范圍相對較寬。這些都為超臨界二氧化碳布雷頓循環的推廣應用提供了良好的基礎。

二氧化碳布雷頓循環的研究最早可追溯到1948年。一位名叫Sulzer的學者申請了一個采用部分冷凝的二氧化碳布雷頓循環的專利，人們很快意識到采用超臨界二氧化碳作為工質的優勢。美國、意大利、蘇聯等國家在20世紀60–70年代對超臨界二氧化碳開展了很多研究，但并未得到實際應用，主要是由于當時的渦輪機械的設計和制造技術無法滿足要求、缺乏合適的緊湊換熱器等。直到20世紀90年代，隨著各國對能源利用的重視以及制造技術的進步，又一次引起了對超臨界二氧化碳布雷頓循環的興趣。但直到2006年，超臨界二氧化碳布雷頓循環的研究還大多停留在理論設計階段。近年來，美國、日本、韓國、歐洲等國家都在開展相關研究，其中美國取得的進展最顯著。

1 超臨界二氧化碳循環發電關鍵技術及國外進展

1.1 超臨界二氧化碳布雷頓循環發電關鍵技術

超臨界二氧化碳布雷頓循環的關鍵技術及難點包括基礎科學、設備設計與制造工藝、材料開發等方面。

1）超臨界二氧化碳的物性、換熱規律的掌握

超臨界流體的物性具有很獨特的特點，包括臨界點附近的比熱尖峰、導熱系數變化、密度變化等，這些既是超臨界流體利用的基礎，也給相應的分析帶來了困難。

另一方面，超臨界二氧化碳的獨特性質相應地帶來了流動和換熱規律的獨特性。已有研究顯示，超臨界流體會出現換熱強化和換熱惡化等現象，但目前對于這些規律仍不能很好地掌握。這也給超臨界二氧化碳布雷頓循環的應用帶來了障礙。

2）超臨界二氧化碳循環系統運行狀態的精確控制

系統循環的高效率是建立在冷凝器出口即壓氣機吸入口（循環起點）的二氧化碳仍處于超臨界狀態。當系統輸出需求發生變化時，整個系統的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發電機、高速壓氣機的轉速均要做相應調整，需要精確調節控制，確保系統仍處于超臨界狀態以上，才能使系統效率達到最優。超臨界二氧化碳熱物理參數的強烈非線性特征使得對超臨界二氧化碳循環系統的運行狀態控制十分困難，需要開展控制研究。

3）高速超臨界二氧化碳渦輪發電機組的設計制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環中最關鍵的部件是渦輪發電機件。渦輪發電機組的效率和可靠性是確保超臨界二氧化碳發電技術優勢發揮的關鍵，確保渦輪發電機高轉速是設備減少體積、降低重量、提高效率的重要途徑。渦輪發電機組設計過程中，在確保高轉速的前提下，既要兼顧高速精密軸承、轉子運行穩定性，同時要充分考慮超臨界二氧化碳工質溫度、壓力、密度等參數，以及發電機電磁、溫升等參數的影響問題。

超臨界二氧化碳渦輪和壓縮機的設計和制造是利用超臨界二氧化碳布雷頓循環的核心問題之一，也是主要難點之一。由于超臨界二氧化碳在壓縮和膨脹過程中物性的強非線性變化，對渦輪和壓縮機的設計提出了很高的要求，同時也考驗相關的制造工藝和工業基礎。

4）高效緊湊換熱器的設計制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環要求有緊湊、高效和可靠的換熱器進行快速的熱量交換，傳統的換熱器很難滿足要求。隨著制造技術的發展，印刷電路換熱器的出現給問題的解決帶來了希望。印刷電路板換熱器由薄鋼板組成，內部通過刻蝕形成微通道，換熱面積可達到1 000 m2/m3。這種換熱器非常緊湊，且能承受住高溫和高壓，其制造需要相應的制造工藝基礎。

5）耐高溫高壓、耐腐蝕材料的開發

二氧化碳雖然化學性質穩定，腐蝕性弱，但由于超臨界二氧化碳布雷頓循環往往用于高溫高壓（如高達550 ℃，20 MPa）條件，其對材料的腐蝕仍然難以避免。開發和測試符合要求的材料也是關鍵的因素之一。為實現高效率，必須提高系統熱力循環的溫度、壓力，要求超臨界二氧化碳熱力循環壓力達15～32 Mpa、溫度達550 ℃以上。為滿足高溫高壓參數要求，加熱器、渦輪機、發電機的材料都必須具有高強度、耐高溫、耐腐蝕性的特點，設備的加工、生產、熱處理、檢驗探傷等工藝則需要技術突破。

1.2 國外超臨界二氧化碳循環發電技術研發項目及發展現狀

1)美國

①按從小功率到大功率，分階段推進的路線實施

按規劃，美國超臨界二氧化碳循環發電技術發展路線按階段可分為：基礎測試→概念開發→kW級小型系統與部件測試→10 MW級電站演示驗證與大部件研發→10 MW以上大型系統測試與商業化應用等階段。綜合來看，其總體發展思路是通過實驗室小功率系統解決基本技術問題，再通過各分部件的可擴展性分析，逐步推廣到大功率商業化系統。

為推動超臨界二氧化碳循環發電技術的發展，早期R&D經費主要由美國能源部及軍方的海軍核動力辦公室投資，開展基礎的概念開發和探索工作；當達到一定成熟度后（TRL 4～6），由政府和工業部門聯合出資開展相關研發和試驗演示工作；當技術成熟度達到7級時，商業投資增加，完全由工業部門開展相關研發工作。

②目前美國已基本完成實驗室小型樣機測試，進入到10 MW級系統演示驗證階段，2020年技術成熟度將超過7級

在美國海軍和能源部的支持下，美國在多個實驗室搭建了超臨界二氧化碳循環發電小型試驗臺，如諾爾斯實驗室、桑迪亞國家實驗室、Echogen公司等，對不同系統布置形式的超臨界二氧化碳循環發電系統進行試驗和分析，并積累運行經驗。

美國海軍核動力推進辦公室NR（Nuclear Reactor）下屬的諾爾斯實驗室從2007年啟動將超臨界二氧化碳布雷頓循環應用到海軍反應堆的研究。諾爾斯實驗室搭建的綜合系統試驗臺采用簡單再熱閉式布雷頓循環，功率為100 kW，采用2個渦輪（一個動力渦輪直接發電，一個渦輪-發電機-壓縮機組件發電的同時驅動壓縮機）。

近年來，美國能源部在力推超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術，其主要發展策略是以國家投資為牽引的同時，吸引工業部門加入。眾多研究力量和工業部門參與其中，取得了顯著突破。考慮的應用對象以核反應堆為主，太陽能、工業余熱等也在研究之中。

桑迪亞國家實驗室超臨界二氧化碳再回熱閉式布雷頓循環試驗樣機布置如圖2所示，該系統功率250 kW，包括2個TAC組件、2個印刷回路換熱器（功率分別為2.3 MW和1.7 MW）。該系統在2015年完成測試。

按美國能源部的規劃，在2020左右年完成10 MW級超臨界二氧化碳再壓縮閉式布雷頓循環（RCBC）發電系統的演示驗證，技術成熟度超過7級，具備商業推廣條件。為此，2016年美國能源部授出價值8千萬美元的合同，開展10 MW的超臨界二氧化碳渦輪發電系統示范性工程。同時，在10 MW系統的基礎上，探索將10 MW級擴展到300 MW的技術，廣泛開展系統的可擴展性研究，分析了不同功率下系統組件的適用方案。據美國媒體報道，美國有望在2035年左右實現在1 000 MW級大型超臨界二氧化碳循環發電核電站的商業應用。

2）其他國家

日本、韓國等國家也在開展超臨界二氧化碳發電技術的研究。如京都應用能源學院搭建了一個小型試驗臺用于研究小尺度渦輪機械并評估循環性能。東京技術學院搭建了一個超臨界二氧化碳腐蝕測試回路。韓國科學技術高級研究院（KAIST）搭建了一個帶低壓縮比壓縮機的試驗回路開展超臨界二氧化碳壓縮機性能試驗。韓國原子能研究院和韓國能源研究院也開展了相關測試。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環發電技術的民用及艦用前景

1）未來20年內將在大型核電站上應用

目前國外超臨界二氧化碳布雷頓循環的研究以核反應堆為主要應用對象，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界二氧化碳布雷頓循環除了效率高、體積小等優勢外，在安全性上與二回路采用蒸汽系統相比有了極大的改善。根據美國能源部的研究規劃及相關進展，超臨界二氧化碳布雷頓循環在大型核電站得到運用將有可能在未來20年內成為現實。

2）可將太陽能發電效率提高8%，增強太陽能發電競爭力

美國能源部認為，超臨界二氧化碳布雷頓循環的應用可達到降低太陽能發電成本的目的。據分析，超臨界二氧化碳布雷頓循環可幫助提高8%左右的太陽能光熱式發電效率。美國能源部計劃通過超臨界二氧化碳布雷頓循環研究的實施，以推動使太陽能光熱發電成本大幅降低，提高太陽能光熱發電的競爭力。

3）提高傳統化石能源的利用效率

煤炭、垃圾、生物質等均以燃燒的方式提供熱量。對于超臨界二氧化碳布雷頓循環的應用，以煤炭為例，國際能源署（IEA）在《21世紀的煤炭》報告中總結了4種未來煤炭利用技術，這些技術可能代表著煤炭利用的重大進步，閉式布雷頓循環即是其中之一。

4）在工業廢熱利用中有望得到推廣

盡管工業廢熱是一種低品位的能源，但其儲藏巨大，即便是其中一小部分得到回收利用，也是一個可觀的量。工業廢熱熱源溫度通常降低，超臨界二氧化碳布雷頓循環在相對較低的溫度下仍適用，且系統體積小，有利于安裝。

5）在船舶和核動力潛艇上的應用具有突出的優勢

早在20世紀70年代就有人提出將超臨界二氧化碳布雷頓循環應用到船舶上，并指出燃料利用效率有望提高超過25%。超臨界二氧化碳布雷頓循環系統效率高、體積小、噪聲小等特點，使其在燃料成本高、空間狹小的船舶上應用相比蒸汽系統有很大的優勢，尤其對于采用核動力與蒸汽系統的船舶和潛艇。

3 我國發展超臨界二氧化碳循環動力技術的初步建議

1）加強超臨界二氧化碳流體特性的基礎研究

基礎研究是技術開發和應用的基礎。超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的設計和應用依賴于對超臨界二氧化碳流體基本物性的變化規律、通道內（尤其是換熱器中的微通道內）的流動和換熱規律的掌握。同時，可靠的計算機數值仿真可有效輔助系統的設計和驗證，降低成本，也是基礎研究的重點。加強這些方面的基礎研究有助于推進該項技術的發展。

2）加大對制造技術和材料研發領域的投入

超臨界二氧化碳布雷頓循環系統中的壓縮機、動力渦輪、印刷電路換熱器涉及的精密制造技術和工藝正是我國制造工業的短板，同時高溫耐腐蝕材料的開發也存在很大的技術難度。因此，我國推動超臨界二氧化碳布雷頓循環的研究和應用不僅僅取決于對這樣技術本身的投入，還將依賴我國制造工業和材料技術的整體進步。

3）通過政府主導、軍民融合等方式引導技術發展

超臨界二氧化碳布雷頓循環系統發電技術既涉及基礎研究，也對制造技術和工藝水平提出了很高的要求，要實現在軍、民領域的實際應用是一個復雜、長期的過程，發展初期需要政府投入和有效引導，分階段實施。

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