超臨界二氧化碳布雷頓循環研究進展

紀宇軒， 邢凱翔， 岑可法， 倪明江， 肖 剛

(浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027)

超臨界二氧化碳(S-CO2)具有臨界參數低(31.1 ℃/7.38 MPa)、功率密度大、傳熱性能好、無毒穩定和廉價易得等顯著優勢，是一種優質的能量傳輸和動力轉換工質。超臨界二氧化碳布雷頓循環是近年來國內外廣泛關注的動力循環形式，其基本結構如圖1所示，包括熱源、渦輪機組(透平和壓縮機)、回熱器及冷卻器等部分。

與現有蒸汽朗肯循環相比，超臨界二氧化碳布雷頓循環具備以下優勢：

(1) 循環效率較高。當熱源溫度高于550 ℃時，超臨界二氧化碳布雷頓循環的熱功效率可以超過45%[1]，高于現有蒸汽朗肯循環技術；當熱源溫度達到700 ℃時，循環效率能達到50%[2]，突破現有效率瓶頸。

圖1 超臨界二氧化碳布雷頓循環示意圖

(2) 壓縮耗功少。超臨界二氧化碳具有液態量級的密度，這使得其在布雷頓循環壓縮過程中耗功大大減少，只占渦輪輸出功的30%，低于氦氣布雷頓循環和燃氣輪機壓縮耗功的占比。

(3) 系統體積小，且結構緊湊。超臨界二氧化碳密度大、黏度小、能量密度高，使得循環系統的渦輪和壓縮機等關鍵部件的尺寸顯著減小，在相同發電功率下，超臨界二氧化碳和水蒸氣所需的渦輪機組體積之比約為1∶20[2]，整個系統體積減小、結構緊湊。

(4) 降本潛力大。系統設備體積減小，材料成本大大降低。二氧化碳的腐蝕性較小，系統維護成本降低，設備使用壽命延長，提高了系統的經濟性。據測算，超臨界二氧化碳布雷頓循環用于火力發電時，成本約為0.173元/(kW·h)，低于600 ℃超超臨界機組發電成本；超臨界二氧化碳布雷頓循環用于聚光太陽能熱發電(CSP)時，成本約為0.414元/(kW·h)[3]。

目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環技術尚不成熟，主要設備部件的設計制造存在難度，循環系統構建和運行缺乏經驗。筆者從關鍵部件和循環系統的角度總結了國內外超臨界二氧化碳布雷頓循環相關研究進展，分析現存理論難點和技術瓶頸，為超臨界二氧化碳布雷頓循環技術的發展提供指導。

1 熱源

超臨界二氧化碳布雷頓循環可與多種形式的熱源相結合，包括化石能源、核能和太陽能等，二氧化碳本身既作為做功介質，又可以直接參與吸熱，從而滿足不同熱源環境的需求，大大增加了循環系統的靈活性。

1.1 化石能源

化石燃料作為超臨界二氧化碳布雷頓循環的熱源時，根據加熱形式的不同，可以分為間接加熱循環和直接加熱循環2種。間接加熱循環將現有鍋爐機組與超臨界二氧化碳布雷頓循環相結合，將傳統的水工質改為超臨界二氧化碳，工質直接吸收爐內燃燒熱，升溫至所需透平入口溫度。直接加熱循環又叫Allam循環，是將化石燃料與氧氣在二氧化碳氣氛中燃燒，得到的二氧化碳與水的混合工質直接進行布雷頓循環，其中高溫高壓的工作環境、燃料的燃燒充分度及二氧化碳的純度等條件使燃燒室的設計及制造面臨巨大的挑戰。

Iwai等[4]成功制造了以天然氣為熱源的超臨界二氧化碳燃燒室并對其性能進行了測試，該燃燒室采用單旋流器結構，利用三乙基鋁-三乙基硼烷(TEA/TEB)作為引火劑，在1～2 MPa壓力時點火，最終使二氧化碳參數達到30 MPa/1 150 ℃，經過長期測試，該燃燒室在大范圍當量比情況下具有較好的燃燒性能。Abdul-Sater等[5]利用煤氣化氣作為熱源，設計和模擬了5 MW級燃燒室，其中燃燒器工作壓力為30 MPa，溫度為1 150 ℃。Xu等[6]發現將超臨界二氧化碳布雷頓循環應用于燃煤電廠時，對于相同容量的電站規模，工質為二氧化碳時的流量是水蒸氣流量的7～9倍，導致鍋爐壓降過大，煙氣能量利用較為困難，因此提出了分流策略，將鍋爐單級受熱面內的流量和流程減半，壓降降至總流量下的1/8，鍋爐排煙溫度降低，能量利用更加完全。鄭開云等[7]對再壓縮和部分冷卻循環與燃煤鍋爐的集成技術進行了研究，發現部分冷卻循環吸熱溫區較大，且顯著減少了工質流量，從而降低了鍋爐壓降損失。

1.2 核能

核能也可作為超臨界二氧化碳布雷頓循環的熱源。目前，鈉冷快堆(SFR)是第四代核系統中工程經驗最為豐富的堆型，超臨界二氧化碳布雷頓循環中不存在水，不會出現劇烈的鈉水反應，從而可降低系統風險，是第四代反應堆理想的能量轉化系統。核反應堆與超臨界二氧化碳布雷頓循環結合的關鍵設備為鈉與超臨界二氧化碳熱交換器，現階段推薦形式為印刷電路板式換熱器(PCHE)。

中國原子能科學研究院長期從事鈉冷快堆研究，結果表明在PCHE中鈉與超臨界二氧化碳兩側的壓力差容易造成換熱通道破損，導致鈉與二氧化碳的直接接觸，當溫度較高時兩者會發生反應，生成CO、Na2CO3和C等物質，造成堵塞[8]，最終這些物質會被高壓二氧化碳推入鈉中。另外，鈉冷快堆與超臨界二氧化碳布雷頓循環結合中的一個熱點問題為鈉與二氧化碳反應的溫度，研究者普遍認為兩者在250 ℃以下反應微弱，但反應爆發的溫度尚未達到一致結論。Simon等[9]認為鈉與二氧化碳快速反應的爆發溫度為500 ℃，而Eoh等[10]則認為該溫度為460 ℃，這方面的研究方法和相關結果尚未獲得學術界的共識，有待開展系統的研究。

1.3 太陽能

聚光太陽能熱發電與超臨界二氧化碳布雷頓循環結合是太陽能光熱技術發展的重要方向。太陽光能量傳遞給二氧化碳的形式，可分為直接式吸熱和間接式吸熱2種。

直接式吸熱在超臨界二氧化碳吸熱器中完成。目前，國內外的研究集中于不同類型吸熱器的結構設計和吸熱特性分析[11-14]，但由于運行溫度和壓力高，吸熱器材料熱應力較大，研究主要采用數值模擬的方法，實驗測試分析較少。

間接式吸熱通過熔鹽或高溫顆粒等中間介質將太陽能傳遞給二氧化碳。目前，熔鹽吸熱器已實現商業化，但現有熔鹽由于自身分解溫度條件限制，難以實現600 ℃以上高溫條件下的吸熱和換熱。Jiang等[15]綜述了現有太陽能顆粒吸熱器和換熱器的研究進展，指出顆粒吸熱器能夠耐受較高的溫度，對光斑不均勻性具有較好的承受能力，且顆粒自身穩定性和吸光特性較好，方便與儲熱結合，是目前太陽能聚光集熱的研究熱點。

目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環與多種熱源相結合的研究大多停留在理論設計方面，缺乏完整系統的試驗平臺和示范項目。美國Sandia國家實驗室、浙江大學和中國科學院電工研究所等單位都在開發塔式太陽能顆粒吸熱器與超臨界二氧化碳動力循環試驗系統，有望在近期獲得更多的試驗數據，支撐該技術的進一步發展。

2 渦輪機組

渦輪機組包括透平和壓縮機設備，是超臨界二氧化碳布雷頓循環系統中的關鍵部件，對循環效率具有顯著影響，進而直接影響電站的發電效率。超臨界二氧化碳的密度、黏度和比熱容等熱物性質與傳統水工質不同，且在透平和壓縮機工作的參數范圍內變化更加顯著，因此在超臨界二氧化碳透平和壓縮機設計和研究過程中會面臨許多新的問題，如透平內部能量密度大、氣動和溫度載荷高；壓縮機的入口處工質狀態位于超臨界點附近，物性變化劇烈[3]等。要保證布雷頓循環系統的整體效率，渦輪機組的選型和設計優化顯得尤為重要。

2.1 透平

超臨界二氧化碳透平具有入口溫度高、轉速高和體積小等顯著特點，對材料特性、加工精度、氣動特性及冷卻密封等方面的要求較高。

可以根據比轉速(Ns)來選取合適的透平。一般而言，當Ns值低于0.3或高于0.8時，可以使用軸流式透平；向心透平Ns值通常設計在0.3～0.8。向心透平的渦輪結構緊湊，在小流量設計工況下可以獲得較高效率，所以其在小流量、高轉速超臨界二氧化碳布雷頓循環中占據主導地位。Uusitalo等[16]研究了透平比轉速對超臨界二氧化碳向心透平轉速、幾何形狀、效率和損耗分布的影響，結果表明比轉速和二氧化碳質量流量會嚴重影響向心透平的幾何形狀和損耗分布，具有最高等熵效率的透平對應的比轉速范圍為0.5～0.6。Lv等[17]結合一維設計方法和順序二次規劃(SQP)優化算法對超臨界二氧化碳動力循環中的向心透平進行設計優化，計算結果與實驗結果、CFD模擬結果吻合較好。該方法可以確定關鍵設計參數的最佳集合，包括在多個幾何形狀和空氣動力學約束下的速度比、反作用力、半徑比和轉子出口處的葉片角等參數。

2.2 壓縮機

超臨界二氧化碳壓縮機入口處參數接近臨界點，工質物性隨熱力參數變化而劇烈波動，極易對壓縮機運行造成影響，這也使得超臨界二氧化碳壓縮機設計成為難點問題。

對于50 MW以內的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統，離心式壓縮機具有較寬的穩定工作范圍。Liu等[18]的研究表明相對于軸流式壓縮機，離心式壓縮機由于結構簡單、效率高，更適用于超臨界二氧化碳布雷頓循環系統。美國Sandia國家實驗室最早搭建了超臨界二氧化碳離心式壓縮機實驗平臺，并對其設計的超臨界二氧化碳離心式壓縮機進行了實驗研究，證明了在近臨界點進行超臨界二氧化碳壓縮的可行性[19]。近年來，國內高校和科研機構對超臨界二氧化碳離心式壓縮機的研究主要集中于離心式壓縮機的熱力設計和流動分析等[20]。2018年，中國科學院工程熱物理研究所在國內率先開展超臨界二氧化碳離心式壓縮機實驗研究，并自主設計搭建了國內首座兆瓦級離心式壓縮機實驗平臺。Tang等[21]提出了基于模擬退火算法的超臨界二氧化碳壓縮機的優化設計方法，研究表明在設計條件下減小葉片數量和葉片入口角，同時增大現有壓縮機葉片出口角能夠提高壓縮機效率，并通過該方法將壓縮機的等熵效率從82.26%提高到87.72%。

目前，對于超臨界二氧化碳布雷頓循環系統中透平和壓縮機的研究，大多是基于模型和算法的優化設計工作，而實驗測試方面的研究相對較少，各種模型缺少有效的實驗數據驗證，對渦輪設備的運行調控等也缺乏經驗。

3 回熱器

由于超臨界二氧化碳的熱物性隨溫度壓力變化明顯，且循環系統的工質流量遠大于蒸汽朗肯循環[22]，使得循環系統回熱量巨大。二氧化碳循環具有較高的效率，很大程度上依賴于循環系統中大量的回熱利用。因此，回熱器成為影響循環性能的重要部件。

PCHE被認為是超臨界二氧化碳布雷頓循環中回熱器的優選形式，其具有比表面積大、換熱性能好、體積尺寸小和結構緊湊等特點，并能夠耐受較高的溫度、壓力，相比于傳統的管殼式換熱器具有明顯優勢。國內外學者通過實驗測試和模擬優化的方法，對PCHE內部流道進行了設計和優化，其主要目標為增強PCHE的換熱性能，同時盡可能降低內部微通道造成的壓降損失。目前，主要的幾種通道結構包括Z型、S型和翼型。

Nikitin等[23]在東京工業大學搭建的超臨界二氧化碳循環實驗回路上研究了Z型結構的PCHE的換熱和壓降特性，測得總體傳熱系數范圍在300～650 W/(m2·K)。Tsuzuki等[24]建立了S型流道的PCHE數值模型，發現S型結構流道具備與Z型結構流道相同的熱力性能，并且其壓降損失可以降到傳統Z型結構流道的1/5。Ngo等[25]通過實驗研究了以二氧化碳為工質的Z型和S型結構流道的PCHE的熱力水力特性，發現相比于傳統的管殼式換熱器，這2種PCHE的換熱性能都比較優異，Z型結構流道的PCHE的努塞爾數比S型結構流道高24%～34%，但相同雷諾數條件下其壓降損失也比S型結構流道高4～5倍。

Kim等[26]建立了三維的超臨界二氧化碳的Z型結構流道的PCHE模型，模擬得到的出口溫度和壓力與Ishizuka等[27]的實驗結果很吻合。另外，他們還提出了一種翼型肋片的結構，能夠在保證換熱性能的前提下，使壓降損失降到Z型結構流道的1/12。Chen等[28]通過數值模擬對比了4種NACA 00XX系列的翼型結構PCHE的性能，并分析了翼型剖面對流動和換熱的影響，發現在保持較好換熱性能的前提下，翼型結構能夠顯著降低壓降損失。

現階段有關PCHE回熱器的研究主要存在以下不足：一是研究的參數范圍相對較低，未能完全滿足二氧化碳動力循環系統中的要求，雷諾數也不夠高，多停留在層流和過度湍流范圍內；二是實驗中PCHE結構相對簡單，主要是直通道和Z型結構流道的測試樣板或樣機，還缺乏其他優化的復雜結構實驗數據；三是研究所得的PCHE換熱與壓降的關聯式都具有一定的特殊性，未形成系統的、廣泛適用的結果；四是PCHE在實際循環系統中的瞬態響應和動態特性研究還相對較少。

4 冷卻器

在超臨界二氧化碳布雷頓循環的后端，超臨界態的二氧化碳經冷卻器冷卻至臨界點附近，再送入壓縮機中升壓。雖然該過程中二氧化碳始終處于超臨界態，但實際上其物性在冷卻器中經歷了1個復雜的變化過程：二氧化碳在臨界點以上被冷卻，密度接近液態，這樣在壓縮機中的壓縮過程就會類似于液體在泵中的升壓，從而減少了壓縮耗功。因此，冷卻器的性能是影響壓縮機穩定運行的1個關鍵因素，對循環效率的影響也至關重要。

根據冷卻原理，超臨界二氧化碳循環的冷卻器通常可分為干式冷卻器和濕式冷卻器。

4.1 干式冷卻器

干式冷卻是使用空氣作為冷卻介質的冷卻方式。由于超臨界二氧化碳循環在干冷條件下即可表現出優異的性能[29]，因此研究者對干式冷卻開展了較多研究。

干式冷卻可分為直接干冷和間接干冷，二者區別在于間接干冷使用水作為中間換熱介質。Dai等[30]的研究結果表明在相同的空氣溫度下，直接干冷系統的冷卻性能相比間接干冷系統更具優勢，且其環境空氣溫度越低，優勢越明顯，表明直接干冷系統更適合于小型化超臨界二氧化碳布雷頓循環。

在核能發電領域，通常核電站的選址會考慮淡水資源或海水資源豐富的地區，采用干式冷卻會顯著增加投資成本。但Conboy等[31]的分析表明，采用干冷的超臨界二氧化碳布雷頓循環的成本將顯著低于干冷式蒸汽循環，甚至其成本與輕水堆的濕式冷卻塔成本相當。這意味著使用超臨界二氧化碳布雷頓循環的核電站將大大降低冷卻水的使用量，減少核事故堆芯冷卻對水源的核污染。Moisseytsev等[32]對采用模塊化翅片管干式冷卻器的超臨界二氧化碳循環AFR-100型鈉冷快堆進行了動態控制分析優化，結果表明通過優化比例積分微分(PID)參數，能夠很好地實現干冷條件下的負荷跟蹤，從實驗角度驗證了干式冷卻在超臨界二氧化碳循環中的適用性。

在聚光太陽能熱發電領域，豐富的光熱資源通常存在于干燥缺水地區，此時干式冷卻是最合理的選擇。Ehsan等[33]對應用于塔式聚光太陽能超臨界二氧化碳循環的干式冷卻研究進行了總結，并對干式冷卻塔(以下簡稱干冷塔)進行了較為詳細的建模分析。干冷塔基于循環最優運行工況進行設計，當其偏離設計工況時，采用極值尋優控制、混合冷卻和輻射冷卻等方式即可提高循環效率，為干冷塔的設計和操作運行提供了參考。

關于干冷換熱器的形式，Moisseytsev等[34]考慮將PCHE應用于干式冷卻器的可能，但PCHE的小通道尺寸要求冷卻介質的壓降要維持在合理的范圍，而空氣介質在PCHE中則存在壓降過高的問題。

4.2 濕式冷卻器

對濕式冷卻的研究主要集中在探究PCHE應用于濕冷換熱器中的可能性。Cheng等[35]采用100 kW級的Z型結構流道PCHE模塊，探究了在二氧化碳和水不同入口溫度及雷諾數下PCHE的換熱性能，結果表明降低水的入口溫度、增大水的入口雷諾數或減小二氧化碳的入口雷諾數均可提升PCHE的換熱有效度。Park等[36]對3 kW級直線型PCHE冷卻器進行了研究，針對跨臨界、近臨界和遠臨界3種工況，采用改進的離散方法計算PCHE換熱過程中的努塞爾數，相比傳統的進出口焓值平均的數據處理方法，該方法獲得了更合理的努塞爾數計算結果，為后續濕式PCHE冷卻器的設計提供了參考。

5 循環系統

超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的研究方法主要包括模擬優化和實驗示范。其中，模擬優化研究內容又包括結構優化、循環耦合及參數優化等。

結構優化方面，模擬研究已得到廣泛的開展，其中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環被認為是結構相對簡單、效率極高的最優選擇。Chacartegui等[37]研究了超臨界二氧化碳簡單布雷頓循環和再壓縮布雷頓循環，發現隨著熱端溫度升高，再壓縮循環效率優勢相比簡單循環更加顯著。Pérez-Pichel等[38]分析了各種超臨界二氧化碳布雷頓循環在核電站鈉冷快堆中的應用，發現相比于其他復雜的循環結構，再壓縮布雷頓循環的效率最高，且有良好的經濟效益。Turchi等[39]分析了簡單循環、再壓縮循環和部分冷卻循環的效率差異，發現再壓縮循環和部分冷卻循環的效率較高，而部分冷卻循環的效率優勢在熱源溫度高于850 ℃時才較為明顯。

循環耦合方面，超臨界二氧化碳布雷頓循環既能作為頂循環又能作為底循環，與多種不同類型的循環結構耦合可實現較高的能量利用效率。當作為頂循環時，由于超臨界二氧化碳布雷頓循環的透平出口溫度高，具有較大的余熱利用潛力，與常見的有機朗肯循環[40]、二氧化碳朗肯循環[41]和吸收制冷循環[42]等底循環均可耦合；當作為底循環時，超臨界二氧化碳布雷頓循環熱源溫度通常在500～800 ℃，且在550 ℃以上存在明顯的效率優勢，可與高溫燃料電池[43]、燃氣輪機循環等更高溫度的循環結合。這些循環耦合研究往往針對特定的工作場景進行設計，以求達到最高效率。

參數優化方面，針對不同規模的循環系統，研究響應的最優運行參數。主要研究的優化對象為再壓縮布雷頓循環結構，從循環系統的壓力、壓比、分流比和冷端溫度等參數出發，優化得到循環效率最優的運行參數。Reyes-Belmonte等[44]對光熱發電系統中的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環進行了優化，結果表明優化后凈循環效率可以達到50%。Park等[45]對小型核反應堆中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環的參數進行優化，分析了壓比和分流比對循環效率的影響，并優化了渦輪和回熱器，結果表明翼型結構PCHE的循環效率相比于Z型結構流道PCHE提高了1%。張一帆等[46]的對火力發電系統中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環建立數學模型并分析了關鍵參數的影響，發現存在最優的壓縮機出、入口壓力和分流系數的耦合關系，使得系統的循環效率最高。

實驗示范方面，美國政府先后開展“SunShot”計劃和“Gen Ⅲ”項目，已經投入數億美元開展超臨界二氧化碳循環技術在光熱發電領域的研究。此外，韓國、日本、中國以及歐盟地區都在加大超臨界二氧化碳循環研究的投入，但完整的布雷頓循環示范系統仍然較少，全球主要的示范系統情況見表1。

雖然循環的穩態模擬優化研究已較為豐富，但是循環的動態模擬優化研究卻相對較少，尤其是壓縮機、回熱器等部件對參數變化十分敏感，穩態模擬優化往往采用了固定效率的部件模型，無法真實反饋溫度、壓力、流量和負荷等參數變化對系統部件的影響，依舊缺乏基于動態模型的研究。而在示范系統的啟動、停止和控制方面，目前的技術經驗仍然不足，需要更多的示范系統來進行深入的研究和探索。

6 結論與展望

作為一種新興的動力循環技術，超臨界二氧化碳布雷頓循環表現出顯著的優勢和巨大的發展潛力。筆者從關鍵部件和循環系統的角度綜述了國內外超臨界二氧化碳布雷頓循環在熱源設備、動力設備、回熱設備、冷卻設備以及設計優化等方面的研究進展，分析了超臨界二氧化碳關鍵部件的實驗測試結果與系統示范。目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環面臨主要設備缺乏設計制造經驗、計算模型缺乏實驗驗證、系統循環運行與動態特性缺乏經驗等諸多技術挑戰。建議未來關注和研究的方向如下：

表1 現有超臨界二氧化碳布雷頓循環示范系統

(1) 動力設備方面，渦輪透平和壓縮機現有研究多集中在100～300 kW等級，建議今后根據工程實際要求，建設10～50 MW等級的透平和壓縮機測試平臺，獲取更準確的實驗數據，進一步指導設備的優化設計和加工制造。

(2) 換熱設備方面，包括熱源換熱器、回熱器和冷卻器等，需要在現有模擬和實驗基礎上，掌握完善的超臨界二氧化碳傳熱特性，并結合工程實際開展百兆瓦等級系統中大型化設備的設計制造及測試工作。

(3) 循環系統方面，亟需構建與多種熱源形式結合的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統試驗示范系統：對于化石能源，可基于現有火力發電機組，構建300 MW以上等級示范系統；對于核能，可通過改造或建設10～50 MW等級示范系統；對于太陽能光熱，可結合現有聚光系統，搭建50～200 MW等級示范系統。獲取循環系統中各個關鍵部件的運行特性及循環效率等關鍵參數，探索循環系統啟停機、變工況運行等瞬態控制策略及方法，為未來超臨界二氧化碳布雷頓循環系統的廣泛應用積累經驗。