超臨界二氧化碳布雷頓循環在能源領域的應用

張一童 周濤

（1 東南大學能源與環境學院 江蘇南京 210096 2 核熱工安全與標準化研究團隊 江蘇南京 210096）

0 引言

隨著科技的發展和時代的進步，對環境污染的預防和對高效能源的利用越來越受到重視。當CO2在達到臨界狀態時，作為工質循環可以得到相比于其他工質更高的熱效率，在20世紀60～70 年代就曾掀起過研究的熱潮，只是由于當時相關技術還不夠成熟，比如材料耐高溫能力不足、缺少高效緊湊的換熱器等，并未得到很好的推廣。隨著關鍵技術的進步，Michael［1］曾提 出3 種S-CO2冷卻快堆的設計方案，其中高性能的設計方案凈效率可高達49%；趙全斌等［2］的研究表明SCO2動力轉換系統對于我國大型鈉冷快堆的研究有著相當重要的意義。根據Simon 等［3］的研究，S-CO2動力循環也不存在鈉和水的反應，具備循環效率高等諸多優勢。CO2屬于溫室氣體，如果作為工質替代蒸汽，在無泄漏的情況下循環利用，可以實現CO2的零排放，對保護環境、實現碳中和有很大的幫助。已經有諸多研究表明S-CO2布雷頓循環的優勢和應用前景，在火力發電、核電和太陽能發電領域都有所應用。通過對S-CO2在不同領域中的循環效率和建設成本等進行比較，得到S-CO2在火力發電、核電和太陽能發電領域的應用特點，以更好地幫助S-CO2在不同能源領域發揮優勢。

1 研究對象

1.1 工質性質

超臨界二氧化碳的部分性質如表1 所示。

從表1 可以看出，超臨界CO2（S-CO2）有著高密度、低黏度和低壓縮系數的特點，同時具備液體的高密度和傳熱載熱能力和氣體的良好流動性。S-CO2的臨界溫度較為接近環境溫度，更便于完成從熱源的吸熱和向冷源的放熱。其具備的高密度的優點，可以增加設備的緊湊程度，節省占地面積。S-CO2動力循環還有著最高溫度和壓力適中的特點，因此并不需要采用較高耐溫等級的材料，使得設備成本下降。一般來說，處于壓縮機進口的CO2處于剛達到超臨界的狀態，工質的可壓縮性很小，可以當作不可壓縮流體來看待，使得壓縮機在這個區域的耗功很小。

表1 超臨界二氧化碳性質

1.2 循環原理

布雷頓循環在理想情況下的p-v 曲線和T-S 曲線如圖1、圖2 所示。

圖1 布雷頓循環p-v 圖

圖2 布雷頓循環T-S 圖

從圖1 和圖2 可以看出，超臨界CO2布雷頓循環包括4個基本過程：絕熱壓縮（1-2）、絕熱膨脹（3-4）、定壓加熱（2-3）和定壓放熱（4-1）過程。

1.3 工藝流程

根據葉俠豐等［4］的研究，基本的布雷頓循環工藝流程如圖3 所示。

圖3 布雷頓循環工藝流程

從圖3 可以看出：在布雷頓循環過程中，首先，低溫低壓的S-CO2工質在壓縮機中進行壓縮，變為高壓工質，然后先經由回熱器中的乏汽進行第一步的預熱處理，被熱源進一步加熱，達到符合要求的高溫高壓工質。這些高溫高壓工質將會在透平膨脹機中進行絕熱膨脹，帶動發電機發電，而已經做完功的乏汽將進入回熱器中進行余熱余能的回收，用來對壓縮機送入的低溫高壓工質進行預熱處理，最后進入壓縮機中壓縮，至此完成了整個布雷頓循環。

2 應用領域

2.1 火力發電

2.1.1 循環方式

根據馮巖等［5］的研究，這里以部分冷卻循環方式為例來進行分析，流程如圖4 所示。

圖4 部分冷卻及改進回熱循環流程

從圖4 可以看出，部分冷卻S-CO2的溫度較低，吸熱溫差大，可以提高換熱效率，同時工質的流量也可以大大減少。以便選擇從主壓縮機出口或者高溫回熱器入口處采用工質分流，這部分工質可以送往冷卻鍋爐的煙氣，降低鍋爐排煙溫度，這樣做會使得循環效率降低，但是由于降低了排煙溫度，所以從整體角度思考，系統的熱效率更高。在傳統的火力發電廠中，一般是采用朗肯循環來進行火力發電，可以直接用SCO2布雷頓循環直接代替朗肯循環，并依據布雷頓循環與朗肯循環的區別來對對應設施進行改進，就可以得到符合要求的大容量機組。

2.1.2 與蒸汽工質的循環效率比較

依據王為術等［6］和周海瀾等［7］對火電機組效率的研究，可以得到不同工質機組的循環效率如表2 所示。

表2 火電機組效率

從表2 可以看出，S-CO2機組的循環效率比傳統的蒸汽循環效率高3%～10%，但是平均成本也會高出5%～8%。從經濟上來講，與目前燃煤發電的方式相比較，S-CO2機組的循環效率其實并沒有顯著的提高。由于其需要大量的回熱器，參照當前國際上的價格，版型回熱器［8］一般為500 元/kWth～600 元/kWth，如果折算為單位裝機容量，差不多為2 500 元/kWe～3 000 元/kWe。雖然有著循環效率高和其他方面的優勢，但是經濟性方面稍有不足。如果能夠降低所需的成本，那么對于S-CO2的推廣必然有著很大的幫助。

2.2 核電

2.2.1 循環方式

以鈉冷快堆為例，根據齊少璞等［9］的研究，循環原理如圖5 所示。

圖5 鈉冷快堆采用S-CO2 動力循環流程

從圖5 可以看出，在鈉冷快堆中使用S-CO2作為工質可以避免鈉水反應的發生，提高安全性。CO2是1 種良好的一回路冷卻劑，同時S-CO2應用于第4 代核反應堆可以獲得更高的循環熱效率和安全性。第4 代堆型可以達到500 ℃～900 ℃，以往的蒸汽工質已經無法滿足需求。

2.2.2 與蒸汽工質的循環效率比較

S-CO2與He 和水蒸氣在堆芯出口溫度變化時，其循環熱效率［10］的變化如圖6 所示。

圖6 3 種工質在不同溫度下的循環效率

從圖6 可以看出，當溫度處于500 ℃～800 ℃的時候，SCO2的循環熱效率明顯高于He 和水蒸氣，這就是S-CO2的顯著優勢。如果使用He 作為工質，想要達到較高的循環效率，就需要工質擁有較高的溫度，對于容器的材料要求很高，用水蒸氣作為工質，其溫度適應范圍較小。

從閻昌琪［11］和Dostal 等［12］對核電機組效率的研究，可以得到表3。

表3 核電機組效率

從表3 可以得知，我們在第4 代反應堆中選擇使用S-CO2作為工質，可以使循環效率提升12%左右。由于S-CO2布雷頓循環系統可以使用較小的占地面積，設備更加緊湊，因此在小型堆的應用前景很好。在常規島中使用代替傳統的汽輪機組，節省占地面積。按照目前的發展方向，小型機組的研發越來越受到廣泛關注。在小型機組中，如果采用壓水堆，二回路中溫度相對較低（290 ℃左右），采用汽輪機組的效率本來就不高，而使用S-CO2時效率更低，S-CO2與壓水堆匹配結合效果并不好。而S-CO2與高溫氣冷堆，鈉冷快堆等的組合都相對較好，兼具設備緊湊，規模小和循環熱效率高的優勢，在小規模堆型中有著很好的應用前景。

2.3 太陽能發電

2.3.1 循環方式

根據程虎等［13］的研究，基于超臨界二氧化碳布雷頓循環的塔式光熱發電系統如圖7 所示。

圖7 基于超臨界二氧化碳布雷頓循環的塔式光熱系統圖

由圖7 可知，在該系統中，S-CO2與高溫熔融鹽換熱，最后到渦輪機中膨脹做功。目前太陽能光熱發電仍以水蒸氣的朗肯循環為主要方式，Sarkar［14］認為用S-CO2布雷頓循環代替朗肯循環可以獲得更好的效果。首先，減少了水資源的消耗，其次S-CO2高密度的特性可以使得設備更加緊湊，在干旱缺水、光照充足的地區應用有著顯著的優勢。太陽能光熱發電的1個問題在于投資成本較高，國際上光熱電站單位投資約為4 200 美元/kW～4 800 美元/kW，國內某光熱電站投資約為17 億元，相比較于火電站，成本高了數倍。部分關鍵設備和材料，比如鎳基合金鋼和耐高溫涂層等仍需要從國外進口，也使得成本居高不下，光熱發電難以得到推廣。

2013 年，美國可再生能源實驗室（NREL）對S-CO2在塔式太陽能發電中的研究［15］表明，S-CO2循環包括直接循環和間接循環兩種方式，S-CO2在太陽能吸熱器中直接吸收熱量叫做直接循環，而間接循環則是太陽能先傳遞給熔融態的鹽類等工質，再進一步傳遞給S-CO2。2 種方式的比較如表4 所示。

表4 太陽能發電中2 種不同S-CO2 循環方式比較

2.3.2 與蒸汽工質的循環效率比較

以S-CO2為工質的光熱系統［16］發電效率如表5 所示。

表5 不同運行場景下某光熱系統的日均運行效率 （%）

從表5 可以看出，太陽能發電的一個問題是效率不高，雖然S-CO2的使用可以使得發電效率有所提升，但是與傳統的火力發電相比較效率還是較低，而且會受到天氣與環境的影響。

3 3 種領域中不同工質機組的比較

3.1 比較結果

將S-CO2和蒸汽工質在3 種領域中的應用特點進行比較，得到表6。

表6 不同領域不同工質機組比較

從表6 可以看出，在3 種領域中，以S-CO2為工質的機組循環效率都高于蒸汽工質機組，但在不同領域中也分別存在相應的問題，各自存在其應用特點。

3.2 共性特點

從表6 可以看出，超臨界二氧化碳布雷頓循環在火力發電、核電和太陽能領域中存在共性特點。

（1）循環效率高。在火力發電、核電和太陽能領域中都可以提高循環效率，只是效率提高的比例有所不同，分別為2%～4%、10%～12%和3%～4%。

（2）對換熱器要求較高。S-CO2對于換熱器等關鍵部件和材料需求較高，要求換熱性能和設備緊湊性好，因此關鍵部件成本也會比蒸汽工質要高。

（3）工作溫度范圍廣。S-CO2可在400 ℃～700 ℃應用，大于蒸汽工質的工作溫度范圍。

3.3 個性特點

從表6 可以看出，超臨界二氧化碳布雷頓循環在火力發電、核電和太陽能領域中也有各自特點。

（1）火電機組的設備改動成本低。S-CO2布雷頓循環可以在原有的朗肯循環基礎上對設備進行改動，省去了新建造新設備的費用。

（2）小堆在軍民融合的前景良好。鈉冷快堆里S-CO2可以避免鈉水反應的發生，提高核電站的安全性。核電站的問題是建設成本較高，S-CO2的高密度可以使得設備更加緊湊，節省占地面積，可以促使其在小堆和軍民融合中廣泛應用。

（3）光熱電站在干旱地區的前景較好。由于受天氣影響較大，在光照充足而干旱的地方，無法提供水作為工質，S-CO2的應用前景比較好。但主要問題在于光熱電站本身的成本遠高于火電站，使用S-CO2為工質，成本仍然居高不下，雖然光熱電站省去了燃料費，但是設備的整體造價和成本還是高于汽輪機組。

4 結論

在3 種不同能源領域中，依據循環方式對S-CO2布雷頓循環和傳統蒸汽工質的循環效率和建造成本等進行分析比較，得到在3 種領域中的應用特點。

（1）S-CO2布雷頓循環應用于火電領域循環效率可以提高2%～4%，如果能夠解決高效緊湊換熱器的問題，可以在原有的朗肯循環基礎上對設備進行改進，進而實現大規模推廣。

（2）在核電領域中，S-CO2具備諸多優勢，循環效率可以比蒸汽工質高出12%左右，安全性好，設備更加緊湊，在核電廠小規?；蛙娒袢诤现械膽脧V泛，是應用前景最好的能源領域。

（3）S-CO2布雷頓循環在太陽能發電中可以提高效率3%～4%，在光照充足的干旱地區優勢顯著，但無論直接式循環還是間接式循環的整體效率都只有20%左右，和火力發電、核電相比差距明顯，加之高昂的建造成本，短時間內很難實現推廣。