超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環特點與應用

徐 前， 陳洪溪

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

在20世紀60年代，ANGELINO G等[1-2]提出了利用超臨界二氧化碳(S-CO2)作為閉式布雷頓循環工質的概念，目的是減少壓縮耗功，使循環獲得更高的熱效率；但是限于當時的技術水平，無法解決高效緊湊式換熱器和高速發電機的技術瓶頸，最后并沒有將其實現。隨著當代技術的不斷進步，印刷電路板式換熱器的出現為S-CO2閉式布雷頓循環提供了高效緊湊式換熱器。此外，以S-CO2為工質的緊湊式透平和壓氣機的設計和研制工作也逐步展開。S-CO2閉式布雷頓循環在燃煤發電、核能發電、聚光式太陽能發電(CSP)及余熱利用等應用領域已經取得了一些初步的研究成果[3-4]，該循環對于實現清潔發電及高效能源利用可以起到重要作用，因此有必要開展對S-CO2閉式布雷頓循環的研究。

S-CO2閉式布雷頓循環是目前應用最廣及效率最高的S-CO2動力循環方式，在中高溫熱源發電方面，已有學者從理論上驗證其能夠代替蒸汽朗肯循環，且具有結構緊湊、熱效率高、系統布置簡單等優點，特別是對于核能和太陽能等恒定高溫熱源來說，S-CO2閉式布雷頓循環的優勢更加突出[5]。

筆者分析了CO2的熱力學參數在臨界區域附近的變化帶來的循環增益，并將S-CO2閉式布雷頓循環與蒸汽朗肯循環及空氣布雷頓循環進行比較，分析該循環的特點及優勢，最后綜述了S-CO2閉式布雷頓循環在燃煤電站、核反應堆、CSP以及余熱利用等領域的研究進展及成果。

1 S-CO2工質特性

1.1 臨界區域附近CO2的熱力學參數變化

利用工質在臨界點附近參數的變化往往可以為循環帶來增益，但對于蒸汽和空氣等其他工質，很難在運行工況內處于臨界狀態附近。表1給出了CO2的基本物性參數，可以看出其臨界溫度為30.98 ℃，接近于環境溫度，在運行工況內容易達到超臨界狀態，也更方便利用工質臨界區域附近熱力學參數變化敏感的特點來提高布雷頓循環性能。

表1 CO2的基本物性參數

目前已有不少商業軟件可以直接計算得到CO2在不同狀態下的物性參數[6]，筆者基于REFPROP軟件中的物性數據研究CO2在臨界區域附近參數的變化趨勢。

圖1為CO2在4～20 MPa的等壓線變化趨勢。在臨界區域附近，等壓線的斜率顯著減小，壓力為8 MPa的等壓線變化趨勢最為明顯，該等壓線在溫度304 K處的斜率已接近于水平；而等壓線的斜率越小意味著實現相同的壓比時工質溫度升高的幅度越小，在壓縮過程中，工質因壓縮產生的溫升越小，則壓縮耗功越小，壓縮效率就越高。比定壓熱容可以定義在為等壓過程中比焓對溫度的偏導數，相當于圖1中等壓線斜率的倒數，而圖1中等壓線在臨界區域附近斜率很小，即意味著比定壓熱容在臨界區域附近很大。

圖1 臨界區域附近CO2等壓線變化趨勢

圖2為CO2密度隨溫度的變化。

圖2 CO2密度隨溫度的變化

從圖2中可以看出：在相同壓力下CO2的密度隨溫度的升高而降低，且壓力越接近于臨界壓力值時，密度隨溫度升高產生的下降幅度就越大，如在臨界壓力下，304 K時臨界密度為467.6 kg/m3，而310 K時密度已經降低到約為241.2 kg/m3，下降幅度較大。

圖3為CO2黏度隨溫度的變化。CO2黏度隨溫度的變化趨勢與密度的變化趨勢相同，在相同壓力下黏度隨溫度升高呈現下降趨勢，且在臨界區域附近下降幅度很大，在臨界溫度(304 K)下，水的黏度為769 μPa·s，空氣的黏度為18.5 μPa·s，CO2黏度比空氣大，但遠遠小于水，相對更接近于空氣。

圖3 CO2黏度隨溫度的變化

CO2在臨界區域附近導熱系數的變化也很大，305 K時CO2的導熱系數比307 K時提高近50%，相對于其他工質，CO2導熱系數是相同溫度(304 K)下空氣導熱系數的7倍，但遠遠小于水的導熱系數[6]。因此，較高的導熱系數也可以顯著提高布雷頓循環中低溫換熱器的換熱效率。

由以上分析可知：在臨界點以前，CO2可以作為一種高黏度和高密度的液態工質，在臨界區域附近比熱容、密度、黏度及導熱系數等都保持較大值，隨溫度升高這些參數沿著等壓線方向呈現下降趨勢，且越接近臨界區域，下降幅度越大。

1.2 工質特性產生的循環增益

將壓氣機入口狀態點設計在臨界區域附近，此時CO2雖處于超臨界狀態，但接近于臨界狀態點，更類似于液態工質，密度大約為水的1/3，壓縮系數在0.4左右[6]，可以有效降低壓縮耗功。CO2在壓氣機中壓縮至高壓狀態下，又經過加熱器加熱至高溫高壓狀態進入透平膨脹做功，在較低的透平入口溫度下，也可獲得較好的循環熱效率。

圖4為S-CO2閉式布雷頓循環的溫熵圖。從圖4中可以看出：在整個循環過程中，CO2都處于超臨界狀態，壓氣機入口狀態點越接近于臨界點，所帶來的循環增益就越大；另一方面，在壓氣機入口處，當入口速度較高時，壓氣機局部靜壓和溫度就會降低，一旦降低到臨界參數以下，就會產生冷凝。為避免相變產生，壓氣機入口狀態的設定既要盡可能接近臨界區域以獲得較好的壓縮效率，又要留有一定的余量以避免發生相變。HOSANGADI A等[7]建立了相變模型，對壓氣機進口條件進行仿真分析，在壓氣機入口處壓力為7.843 MPa、溫度為305.4 K時，在葉片前緣和尾緣等溫度比壓力下降較快處預測到發生冷凝。MCCLUNG A等[8]指出在壓氣機入口處溫度為35 ℃、馬赫數為0.25、壓力為9 MPa時，需要留有2～3 MPa等焓壓力余量以避免相變發生。

圖4 S-CO2閉式布雷頓循環溫熵圖

2 S-CO2閉式循環的特點與優勢

2.1 循環特點

圖5從循環熱效率與透平進口溫度的角度比較了目前幾種應用最廣泛的循環系統。

圖5 不同循環方式的效率曲線示意圖

由圖5可得：從熱效率來看，S-CO2閉式布雷頓循環最接近卡諾循環效率曲線；從透平進口溫度來看，S-CO2閉式布雷頓循環透平進口溫度跨度較大，從300 ℃到800 ℃，適用于眾多熱源。對于500 ℃以下的熱源溫度，S-CO2閉式布雷頓循環與蒸汽朗肯循環相比就失去了循環性能上的優勢；對于500～700 ℃的熱源，S-CO2閉式布雷頓循環在循環性能上具有比較明顯的優勢；當透平進口溫度再進一步升高，S-CO2閉式布雷頓循環就不再適用，空氣布雷頓循環可以利用溫度高于1 100 ℃的熱源，即燃氣輪機的應用，但是其熱效率低于40%。采用燃氣-蒸汽聯合循環，熱效率能夠顯著提高至50%～57%。

蒸汽朗肯循環在較低的透平進口溫度下可以獲得較高的熱效率，因為在循環升壓過程中，工質(液態水)為不可壓縮流體，升壓過程耗功非常小、循環熱效率高，但是由于水蒸氣在超臨界狀態下的腐蝕性比較強，很難通過提高透平進口溫度進一步提高熱效率；而在燃氣輪機中，雖然透平進口溫度比前者高很多，但循環熱效率也沒有得到顯著提高，主要是由于壓縮過程消耗了大量的功，空氣作為工質在壓縮過程中耗功較大，同時燃氣輪機透平入口溫度的進一步提高也受到材料耐溫性的限制。

S-CO2閉式布雷頓循環結合了兩種循環各自的優勢：相對于空氣布雷頓循環，在壓縮過程，CO2處于臨界區域附近，此時的工質壓縮系數在0.4左右，在性質上更接近于液態工質，對于減少壓縮耗功非常有利；相對于蒸汽朗肯循環，在相同溫度下，CO2的腐蝕性比蒸汽要低得多，因此，S-CO2閉式布雷頓循環可以提高蒸汽朗肯循環的透平進口溫度來提高循環熱效率。

2.2 循環布置形式

由于S-CO2閉式布雷頓循環中透平進口溫度較高，而循環壓比一般比蒸汽朗肯循環壓比要小，導致透平的出口溫度相對較高。因此，非常有必要采用回熱裝置，回熱效率對循環熱效率產生重要影響。對簡單布雷頓循環形式進行改進，出現了包括回熱式、中冷式、再熱式、再壓縮、分流膨脹等多種布置形式，目前效率最高的布置形式是S-CO2閉式再壓縮循環[1-2]。

圖6和圖7分別為S-CO2再壓縮閉式布雷頓(簡稱S-CO2再壓縮)循環的系統布置圖及相應的溫熵圖。

從加熱器流出的高溫、高壓CO2進入透平膨脹做功，透平出口的CO2先進入高溫回熱器放熱，再進入低溫回熱器，根據分流比進行分流，一部分工質直接進入分壓氣機進行壓縮，另一部分工質先進入預冷器冷卻后再進入主壓氣機壓縮，且通過低溫回熱器回熱至與直接在分壓氣機中壓縮的另一部分工質相同的溫度，混合后一起流經高溫回熱器回熱，最后進入加熱器加熱。S-CO2再壓縮循環采用2個回熱器，即低溫回熱器和高溫回熱器，利用透平出口余熱分別對主壓氣機和分壓氣機出口工質進行預熱，以高效地利用循環中冷熱兩端較大的比熱容差，有效提高循環的熱效率。

圖6 S-CO2再壓縮循環系統布置圖

圖7 S-CO2再壓縮循環系統溫熵圖

2.3 循環優勢

S-CO2閉式再壓縮循環作為一種非常有潛力的動力循環方式，有如下優勢：

(1) CO2具有無毒、價格低廉等優點，其成本僅為He的1/10、R-134a的1/70。

(2) 透平部件尺寸優勢。CO2在整個循環過程中都處于一個密度相對較大的狀態，體積流量顯著減小，透平部件的尺寸要遠小于蒸汽透平，甚至只有后者的1/10[9]。緊湊的透平部件使得機組占地面積減小，尤其適用于船舶、艦艇等空間不足的場所。

(3) 透平進口溫度適中且熱效率高，不會受到透平部件材料的限制，循環熱效率比蒸汽朗肯循環的熱循環高出5%[5]。

(4) 循環布置形式簡單，總投資成本小。CO2在整個循環過程中處于超臨界狀態，沒有相變過程，不需要凝汽器，所使用的閥門數量也只有蒸汽朗肯循環的1/10，而且對材料的耐溫性要求較低，在部件制造過程中減少制造成本。

(5) S-CO2閉式再壓縮循環可采用空氣冷卻，特別適用于聚光式太陽能發電以及水資源短缺地區。在聚光式太陽能發電應用方面，S-CO2動力循環在采用空氣冷卻或混合方式冷卻以減少冷卻水的消耗方面具有競爭優勢[10-12]；但是，也有研究表明采用空氣冷卻并不比采用水冷更具有競爭優勢，因為空氣冷卻所需要的換熱器尺寸較大，機組總投資成本會顯著增加[13]。

(6) 良好的熱源適應性。對于S-CO2閉式布雷頓循環，透平進口溫度范圍廣，可應用到燃煤發電、太陽能發電等眾多領域。

3 應用領域

3.1 燃煤電站

S-CO2閉式布雷頓循環是應用于煤炭清潔高效利用的未來發展的重要方向之一，已經列入國家科技創新規劃重大工程。對于燃煤電站，該循環可以作為頂循環來提高發電效率，同時還可以利用CO2捕集裝置來降低碳排放量。LE MOULLEC Y[14]對S-CO2閉式布雷頓循環應用于燃煤電站進行了概念設計，該燃煤電站帶有CO2捕集裝置，利用單乙醇胺作為溶劑收集CO2，低熱值發電效率達到41.3%，減少了45%的脫碳成本。MECHERI M等[15]也研究了燃煤鍋爐和S-CO2布雷頓循環相結合的布置形式，并分析了3種利用鍋爐低溫熱源的形式，最終得到低熱值發電效率高于48%；但是也面臨加熱器設計復雜、熱損失較大、壓降敏感等技術難題[16]。

3.2 核能發電

S-CO2閉式布雷頓循環早期研究就是為了應用于核能發電，在核反應堆中，該循環可以取代反應較為激烈的鈉水反應，可以增加核電系統的安全性，同時在效率方面也有所提高。MOISSEYTSEV A等[17]對S-CO2閉式布雷頓循環在鈉冷快堆(SFR)中的應用進行了研究，分析了不同布置形式下的循環效率。韓國核能與量子研究所采用數值模擬分析了CO2泄漏對鈉-CO2換熱器的影響，并進行了試驗驗證[18]。在第四代核電開發技術路線中，S-CO2閉式布雷頓循環可以作為二回路循環，尤其適用于堆出口溫度為550 ℃的鉛水快堆(LFR)和SFR。

3.3 太陽能發電

CSP通過聚集太陽輻射獲取熱能，并利用熱能來產生高溫蒸汽以驅動蒸汽輪機發電。對于缺水的沙漠地區不再適用，且機組龐大，投資成本高；而S-CO2閉式布雷頓循環適用于空冷機組和各種中小型聚光式太陽能發電站。

NEISES T等[19]總結了S-CO2閉式布雷頓循環與蒸汽朗肯循環在CSP應用中的優勢，并比較了再壓縮循環布置與部分冷卻布置形式在應用到CSP中的平均熱效率，并指出部分冷卻布置形式更具有優勢。美國能源部太陽能技術辦公室規劃在2030年CSP實現在基本負荷時平均發電成本降低至5 美分/(kW·h)[20]，在峰值負荷時發電成本降低至10 美分/(kW·h)，對S-CO2閉式布雷頓循環應用到CSP電站中進行了經濟性分析，針對主換熱器溫差及空氣冷卻等方面進行初步驗證，認為該循環可有效降低投資和發電成本。

3.4 余熱利用

余熱利用一般是對于已有的動力循環方式，當頂循環排氣溫度較高時，會采用一個底循環進行余熱利用，傳統采用蒸汽朗肯循環或有機朗肯循環來進行余熱利用；而S-CO2閉式布雷頓循環具有較低的底循環溫度，接近環境溫度，因此可利用溫度更低的低品質熱源，且熱效率較高。

MINKIM Y等[21]對S-CO2閉式朗肯循環用于燃氣輪機余熱利用方面進行了優化分析，指出了與蒸汽朗肯循環相比，該循環具有布置簡單、結構緊湊及循環效率高的優勢，分析了S-CO2簡單朗肯循環用于余熱利用還需要進一步改進布置形式，以獲得更好的回熱效率，對S-CO2簡單朗肯循環、低溫換熱器串聯朗肯循環以及分流朗肯循環進行了分析比較，結果表明分流式朗肯循環的循環熱效率最高、回熱效果最好。

4 結語

CO2作為循環工質，與蒸汽相比展現出較多優勢，尤其是其臨界狀態點適中時可以獲取循環增益，將其應用于閉式布雷頓循環中，可以顯著減少壓縮耗功，在500～700 ℃的熱源溫度下可以得到較高的熱效率。在煤炭清潔發電、第四代核能發電及太陽能聚光式發電等領域中，S-CO2閉式布雷頓循環可承擔重要角色。當前主要處于研發和試驗驗證階段，在真正推廣到實際商業應用的過程中，還有各種技術難題需要解決。