船舶余熱利用sCO2布雷頓循環發電技術綜述

嚴新平 王佳偉 孫玉偉 袁成清 湯旭晶 耿海鵬

1.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢，430063 2.武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心，武漢，430063 3.武漢理工大學交通部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢，430063 4.西安交通大學機械強度與振動國家重點實驗室，西安，710049

0 引言

航運是經濟全球化發展的重要紐帶，國際貿易80%～90%的貨物是通過海洋運輸實現的［1］。隨著國際海事組織 （international maritime organization，IMO）對船舶能效的要求和對環保法規的執行日益嚴格，節能減排和高效營運已成為造船業和航運業的普遍共識。目前，最先進的大功率船用二沖程柴油機熱效率已接近50%，而其余的熱能因各種途徑散失而未被有效利用。以某型6800TEU集裝箱運輸船所采用的最大持續功率 （maximum continuous rating，MCR）為68 520kW的主動力柴油機（HYUNDAI-MAN B＆W，12K98MC-C Mk6，104r／min）為例，其煙氣排放熱損失是所有熱量損失形式中能量散失最多的部分，約占全部輸入熱量的25.5%，其他依次為空冷器熱損失16.5%，缸套冷卻熱損失5.2%，潤滑損失2.9%，熱輻射損失0.6%［2］。對煙氣排放散失熱能的有效再利用是提升能源利用效率和主機綜合熱效率的有效途徑。現階段針對船舶主機煙氣排放余熱的利用主要有動力渦輪、余熱鍋爐及有機朗肯循環等余熱回收技術［3］，且已有相應的系統實船應用案例，但是上述技術方案在結構緊湊、高效循環和節能環保等方面尚存在一定局限性。

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，sCO2）布雷頓循環發電是以超臨界狀態（氣液共存態）的CO2作為循環工質，經高效換熱后由渦輪機將熱能轉化為機械能，再經發電機組轉化為電能。美國Sandia國家實驗室通過試驗測定：采用布雷頓循環的sCO2發電系統在渦輪入口溫度為538℃時，可實現43%的發電效率，其發電效率顯著高于朗肯循環熱力發電系統的發電效率33%［4］。目前，sCO2布雷頓循環發電已在核能、太陽能、工業余熱利用等領域有所應用［5］，鑒于其所具有的顯著技術優勢和應用前景，美國、韓國、日本和中國等航運業較為發達的國家已針對該技術在船舶平臺上的應用開展了相關的基礎理論和試驗系統研究工作，并逐步向實船工程化應用階段推進。

1 sCO2布雷頓循環發電技術介紹

1.1 sCO2布雷頓循環發電技術的原理

sCO2是指溫度和壓力均在臨界點以上的CO2流體。溫度和壓力分別高于31℃和7.37MPa時，CO2達到超臨界狀態［6］。sCO2具有化學性質穩定、流體流動性好、傳熱效果好、可壓縮性小等物性特性，且其臨界溫度和壓力較低（遠低于水的臨界點），可在接近室溫條件下達到超臨界狀態，是理想的熱力循環工質［7］。

sCO2布雷頓循環主要包括壓氣機中的等熵壓縮、換熱器內的等壓吸熱、渦輪透平內的等熵膨脹及冷卻器內的等壓冷卻4個工作過程，與朗肯循環的4個工作過程相近，兩者的區別在于循環工質在布雷頓循環中不發生集態改變［8］。

sCO2布雷頓循環發電系統是一種以sCO2為循環工質的動力循環系統，主要包含6個核心設備：壓縮機、回熱器、換熱器、發電機、渦輪、冷卻器［9］。循環過程可分為2個階段：①低溫低壓的CO2經過壓縮機升壓后，通入回熱器高溫側預熱到一定溫度，再由外部熱源在換熱器中進一步提升溫度和壓力；②在渦輪機中膨脹做功后的乏氣進入回熱器低溫側進行預冷，再由冷卻器進一步冷卻后通入壓縮機，形成閉式循環。以壓縮機入口端為循環起點，則sCO2的循環流向如圖1中①→②→③→④→⑤→⑥→①所示。由于在采用單一回熱器的布雷頓循環系統中，回熱器高、低溫側工質質量熱容的差異會導致回熱器內出現“夾點”，進而降低循環效率，目前主要采用設備高溫回熱器和低溫回熱器來解決這一問題。

圖1 簡單回熱sCO2發電系統［9］Fig.1 Simple recuperated sCO2power generation system［9］

1.2 sCO2布雷頓循環發電技術的特點

（1）效率高。美國麻省理工學院DOSTAL等［10］比較了sCO2布雷頓循環、超臨界蒸汽循環、過熱蒸汽循環和氦氣布雷頓循環在不同渦輪進口溫度下的循環效率變化趨勢，如圖2所示，可以看出溫度在350～950℃之間時，sCO2布雷頓循環效率大于氦氣布雷頓循環效率；溫度在450℃以下時，sCO2布雷頓循環效率小于超臨界蒸汽循環和過熱蒸汽循環效率；溫度在450～550℃之間時，sCO2布雷頓循環效率小于超臨界蒸汽循環效率，但大于過熱蒸汽循環效率；溫度在550℃以上時，sCO2布雷頓循環效率大于超臨界蒸汽循環效率和過熱蒸汽循環效率。

圖2 不同熱力循環在不同渦輪進口溫度下的循環效率［10］Fig.2 Cycle efficiency of different thermodynamic cycles under different turbine inlet temperatures［10］

（2）功率密度大。sCO2發電系統中的循環工作介質為超臨界狀態的CO2，在全循環過程中，CO2不發生相變（耗用壓縮功較小），能量密度大，在不損失性能的情況下，可以獲得較大的功率體積比。DOSTAL等［11］對比了蒸汽渦輪、氦氣渦輪機和sCO2渦輪機功率尺寸。如圖3所示，在同等功率級條件下，與氦氣渦輪機和蒸汽渦輪相比，sCO2渦輪機的尺寸和體積可以更小。另外，sCO2渦輪機可以采用單體設計，而蒸汽渦輪和氦氣渦輪機通常采用渦輪機體。

圖3 蒸汽渦輪、氦氣渦輪機和sCO2渦輪機尺寸比較［11］Fig.3 Size comparison of steam turbine，helium turbine and supercritical carbon dioxide turbine［11］

（3）體積小。sCO2發電系統沒有蒸汽發電系統的水處理設備及排污設備，從而可使整個系統的設計非常緊湊。就可利用空間有限的船舶而言，由于sCO2發電系統整體結構緊湊、體積小，故將其應用于船舶能源系統中具有可行性。美國Echogen Power Systems 公 司 PERSICHILLI等［12］以LM2500燃氣輪機排氣作為熱源，比較了sCO2發電系統和蒸汽發電系統的安裝尺寸。2個熱發電系統的發電功率均為8MW時，sCO2發電系統的總體安裝面積至少可以比蒸汽發電系統的總體安裝面積小1／3。

1.3 sCO2發電系統的循環結構

圖4 不同循環結構的sCO2發電系統Fig.4 Different circulation structure of sCO2power generation system

船舶余熱sCO2發電系統的目標是盡可能地回收船舶主機的煙氣余熱中的能量。在簡單回熱循環的基礎上，國內外學者嘗試采用多種循環結構，以提高簡單回熱循環sCO2發電系統的循環效率［13］。如圖4所示，針對余熱回收sCO2發電系統的循環結構主要可以分為：①簡單回熱循環（simple recuperated cycle）；②級聯循環（cascade cycle）；③雙回熱循環（dual recuperated cycle）；④預熱循環（preheating cycle）［14］。簡單回熱循環是其他三種循環結構的改進基礎，改進的主要出發點在于增設渦輪機、換熱器或回熱器（設備投資成本會相應提高），通過提高循環工質在各級子循環中的熱量利用效率，進而達到提升整個系統循環熱效率的目的。美國SuperCritical Technologies公司 WRIGHT等［14］以LM2500PE燃氣輪機排氣作為熱源，對上述4種循環結構的sCO2熱經濟分析結果表明：系統效率由大到小依次為④、②、③、①。除此之外，也有研究機構嘗試將2種循環結構聯合在一起，組成聯合循環。

2 sCO2發電系統在船舶主機余熱回收領域的研究進展

將sCO2發電系統應用在船舶主機余熱回收可以追溯到20世紀70年代。如圖5所示，麻省理工學院最早開始將其應用在海軍艦艇余熱回收中，但由于受當時高效換熱材料制造成形技術、渦輪葉片加工工藝以及電力電子變換技術等發展相對滯后的局限，經歷了較長時間的技術發展低谷期。2010年左右，隨著新材料、制造加工工藝、高精度系統同步運行控制技術等的進步，特別是高效換熱器和高效渦輪機制造工藝問題獲得解決，sCO2布雷頓循環發電系統又逐漸成為該領域內的研究熱點，并逐步在工程領域實現應用。

圖5 sCO2發電系統在船舶平臺上的應用技術研究時間軸線圖Fig.5 Application in ship platform sCO2power generation system technology research timeline

20世紀70年代，麻省理工學院COMBS等［15］以采用燃氣輪機為主動力裝置的“佩里”（Perry）級（FFG7）導彈護衛艦為分析對象，開展了海軍艦艇余熱回收sCO2發電系統應用研究，主要包括：sCO2發電系統熱力學分析，簡單回熱循環和再壓縮回熱循環的設計工況點與非設計工況點的性能差異，sCO2發電系統方案和主要設備設計，并通過試驗分析sCO2發電系統應用在燃氣輪機余熱回收時的效率、性能等。

美國Echogen Power Systems公司針對煙氣余熱回收設計了EPS100熱回收系統，該系統可用于船舶主機煙氣余熱回收。EPS100系統采用簡單回熱循環為循環結構，使用工業級sCO2作為循環工質，基于電力線通信（power line communication，PLC）進行控制。系統的主外殼為15m×4m×4m（長×寬×高），凈重64t。當環境溫度為15℃、相對濕度為60%時，余熱供應溫度為532℃，余熱的輸入功率為33.3MW，其電力輸出的總產值為8.6MW，凈產值為8MW，電力輸出的效率可達24%［16］。EPS100循環結構簡圖見圖6。

圖6 EPS100循環結構簡圖［17］Fig.6 EPS100cycle structure diagram［17］

美國 Concepts NREC 公司和 Maine Maritime Academy、Thermoelectric Power Systems公司合作，研究將sCO2發電系統應用在MT-30燃氣輪機推進的海軍艦艇余熱回收中［18－19］。美國Concepts NREC公司的可行性分析報告顯示，在MT-30燃氣輪機推進的海軍艦艇上應用sCO2發電系統和溫差發電系統回收余熱，燃氣輪機的效率可以提高20%以上。

印度理工學院SHARMA等［20］開展了將sCO2發電系統應用在海軍艦艇燃氣輪機余熱回收的理論研究工作。研究人員以能量和火用為性能分析和優化的研究點，比較了簡單回熱循環和再壓縮循環的效率和效果。結果表明，再壓縮循環比簡單回熱循環具有更高的效率和效果。該研究結果有助于設計高效而緊湊的船舶主機煙氣余熱回收sCO2發電系統。

2016年，韓國現代重工和韓國電力公司從勞氏船級社獲得了一個2MW級sCO2發電系統的原則批準（AIP），該系統用來回收船舶柴油機和燃氣輪機的余熱。兩家公司計劃到2019年將下一代sCO2發電系統商業化。現代重工研究中心主任認為，隨著sCO2發電技術的發展，船舶能源效率將會得到提升，在綠色船舶領域的競爭力依賴于sCO2發電技術的發展。

表1 各研究機構船舶余熱sCO2發電系統對比Tab.1 The results of finite element analysis

韓國能源研究所BAIK等［21］開展了將sCO2發電系統應用在船舶余熱回收的理論研究工作，重點關注sCO2發電系統應用在船舶余熱回收時的特性，在渦輪入口溫度一定的條件下，他們通過多元優化技術對sCO2發電系統進行建模和優化。研究結果表明，每個設計參數具有最大功率的最優值。在該研究的模擬條件下，優化后的sCO2發電系統的輸出功率明顯增加。

上海交通大學 HOU等［22］為回收船舶燃氣輪機余熱，采用模塊化設計，建立sCO2再壓縮循環系統和回熱循環系統的聯合循環系統，并基于遺傳算法對系統的參數進行多目標優化，獲得系統最優參數。聯合循環系統可以根據船舶需求來選擇模塊，提高船舶在部分負荷下的綜合熱效率。聯合循環系統相比再壓縮循環系統和回熱循環系統，在輸出功率、緊湊性和經濟性等方面均具有技術優勢。

3 船舶主機煙氣余熱利用sCO2發電系統的關鍵問題

sCO2發電系統在船舶主機煙氣余熱利用領域有較大的研究價值和應用前景，但目前面向船舶主機余熱發電工程化應用仍存在一些關鍵問題。本節從sCO2發電系統核心組成設備設計制造、sCO2發電系統適用材料及防腐研究、sCO2發電系統循環結構設計與分析、sCO2發電系統運行控制等方面闡述現階段面向船舶主機余熱發電工程化應用的sCO2發電系統存在的若干關鍵問題。

3.1 核心組成設備的設計制造

面向船舶主機煙氣余熱發電工程化應用的sCO2發電系統存在的首要關鍵問題為換熱器、渦輪發電機組等核心組成設備的設計制造。印刷電路板式換熱器 （printed circuit heat exchanger，PCHE）是一種新型換熱器，由于它具有結構緊湊、換熱效率高、能夠在高溫高壓及大壓差下長期運行等特點，因而被廣泛應用于sCO2發電系統換熱器、回熱器。美國俄亥俄州立大學ZHANG等［23］提出了S形翅片通道，較好地解決了sCO2發電系統中印刷電路板式換熱器壓力下降問題；Ceramatec公司LEWINSOHN等［24］開發了適用于sCO2發電系統的經濟高效的陶瓷換熱器；美國西南研究院HOOPES等［25］開發了一種評估熱交換器的工具，該工具可用于預測不確定幾何形狀的熱交換器的偏離設計性能。面向船舶主機余熱發電工程化應用時，由于船舶主機煙氣中含顆粒物，可能會堵塞印刷電路板式換熱器流道，故煙氣換熱器不能用印刷電路板式。針對sCO2發電系統煙氣換熱器的研究具體可分為以下3方面：①煙氣換熱器的結構設計及優化；②煙氣換熱器的材料選擇及耐腐蝕研究；③煙氣換熱器熱機械疲勞特性研究。

sCO2發電系統在渦輪發電機組中實現熱能到機械能再到電能的轉化，渦輪發電機組是船舶余熱sCO2發電系統所有部件中最核心的部分。美國通用電氣公司BIDKAR 等［26－27］對50MW 和450MW級sCO2發電系統渦輪發電機組進行設計和優化，在高轉速下，轉子可以保持較好的穩定性；Barber-Nichols公 司 PREUSS 等［28］對 用 于sCO2發電系統渦輪機械的軸承進行設計，并研究sCO2發電系統渦輪機械的性能評估方法。面向船舶主機余熱發電工程化應用時，針對sCO2發電系統渦輪發電機組的具體研究可分為以下4方面：①sCO2渦輪機的設計及優化；②高功率密度高速永磁同步發電機的設計、試驗和研制；③彈性箔片氣體動壓軸承設計；④渦輪發電機組密封、摩擦研究。

3.2 適用材料及防腐研究

面向船舶主機余熱利用的sCO2發電系統工程化應用研究中，對系統各個部件適用材料的選擇以及防腐研究是關鍵問題。美國橡樹嶺國家實驗室PINT等［29］研究了傳統結構的合金在sCO2發電系統中的兼容性；美國橡樹嶺國家實驗室SABAUA等［30］研究了sCO2發電系統換熱器內氧化物剝落的特性以及它對換熱器性能的影響。美國橡樹嶺國家實驗室KEISER等［31］在sCO2處于750℃、20MPa的工作環境下，對sCO2發電系統渦輪機械的材料進行腐蝕研究；美國桑迪亞國家實驗室 WALKER等［32］在sCO2發電系統的工作環境下，研究滿足A53、A106和API-5L三種規格的無縫合格碳鋼X65Q的腐蝕速率。面向船舶主機余熱發電工程化應用時，針對sCO2發電系統適用材料的選擇和防腐研究具體可分為以下3方面：①sCO2發電系統各部件材料的選擇；②sCO2發電系統各部件腐蝕原因及機理分析；③易被腐蝕部件的防腐防護技術研究。

3.3 循環結構設計與分析

面向船舶主機余熱利用的sCO2發電系統工程化應用研究中，由于不同循環結構sCO2發電系統各有特點，在船舶主機煙氣狀態、對余熱回收系統的要求已經確定的情況下，對sCO2發電系統循環結構的選擇及優化也是關鍵問題。韓國高等科學技術研究所 KIM 等［33］對鈉冷快堆應用的sCO2發電系統循環結構進行設計，結合內部開發的多條設計代碼將其設計成為再壓縮循環結構，并以此為基礎開展進一步研究工作；美國超臨界技術公司STEVEN等［13］對4種用于余熱回收sCO2發電系統循環結構進行熱經濟分析，研究結果表明更簡單的循環結構的經濟效益更好；加州大學LOUIS等［34］對應用在聚光太陽能領域中的sCO2發電系統循環結構進行研究，目的是最大限度地提高sCO2發電系統在非設計點的循環效率。面向船舶主機余熱發電工程化應用時，針對sCO2發電系統循環結構的選擇及優化的具體研究可分為以下3方面：①不同循環結構sCO2發電系統的特點及適用范圍分析；②sCO2發電系統循環結構設計方法；③設計工況點以及偏離設計工況點的系統狀態參數控制過程優化。

3.4 系統的運行控制

sCO2發電系統運行狀態控制難度大，系統能否高效穩定運行取決于系統的控制策略和控制算法的優劣，系統的運行控制也屬于面向工程化應用的關鍵問題。美國阿貢國家實驗室MOISSEYTSEV等［35］開發出sCO2發電系統瞬態分析程序，對 Bechtel Marine Propulsion Corporation（BMPC）的100kW簡單回熱sCO2發電系統仿真的數據與實驗測試數據進行比較，結果表明在穩態和瞬態條件下都得到很好的一致性；美國Newport News Shipbuilding的 RAPP等［36］對中等溫度下運行的sCO2發電系統進行參數分析，考慮了不同的循環參數對效率的影響，研究工作對sCO2發電系統的控制策略優化有很大幫助。面向船舶主機余熱發電工程化應用時，當船舶主機煙氣發生改變及sCO2發電系統的功率輸出需求發生變化時，sCO2發電系統的熱量獲取、冷卻量供給、渦輪發電機組、壓縮機等均需做出相應的調整，針對sCO2發電系統運行控制的具體研究可分為以下3方面：①sCO2發電系統的瞬態及穩態響應特性；②sCO2發電系統控制策略；③sCO2發電系統控制算法優化。

4 結論

本文聚焦于sCO2布雷頓循環發電技術及其在船舶主機余熱回收利用方面的研究進展及技術性問題。在概述sCO2布雷頓循環發電技術基本原理、典型特點及不同循環結構的基礎上，對比分析了國內外研究機構針對該技術在船舶余熱回收利用方面的研究現狀，并探討了現階段面向船舶主機余熱發電工程化應用所存在的關鍵技術問題，結論如下。

（1）具有效率高、功率密度大、體積小等特點的sCO2布雷頓循環發電技術是提高船舶能效和主機綜合熱效率的重要技術途徑。

（2）對sCO2布雷頓循環發電技術的相關研究已逐漸成為行業領域內的研究熱點，隨著高效換熱器和高速渦輪發電機組等核心設備設計制造技術以及新型高性能材料研制技術的突破，sCO2布雷頓循環發電技術的關鍵問題將逐步轉移到針對該系統高效運行的過程控制層面。

（3）面向船舶主機余熱發電工程化應用，需針對船舶主機在不同運行負荷工況下排氣余熱的溫度、壓力和流量變化特點，分析評估確定sCO2發電系統的裝機功率、循環結構、饋電設備等，解決核心組成設備設計制造、材料的選擇及防腐、循環設計優化分析及運行控制等問題。