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GEDI ｜ 南方能源建设
新技术 ‖ 超临界CO₂布雷顿循环
郑开云
上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
近年来，采用超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，S-CO₂）作为工质的动力循环在全球范围内逐渐成为研究热点，其优良特性对节能减排和新能源产业（尤其是太阳能热发电和核能）具有颠覆性的意义，应用前景十分广阔。本文邀请了《南方能源建设》特约作者郑开云博士，介绍了一种新型发电技术——S-CO₂发电技术的基本情况、关键技术、潜在应用领域，以及全球范围和国内对此技术的研究现状与进度。
S-CO₂和布雷顿循环
蒸汽循环（锅炉 汽轮机组）是最常见的发电方式，该系统中采用水（蒸汽）作为工质。水经给水泵升压后进入锅炉吸热，生成高温高压蒸汽，然后进入汽轮机膨胀做功，并推动发电机运行。水的临界点温度为374℃(647 K)、压力为22MPa（220 bar）。目前火电机组的主流技术为超临界和超超临界参数，最先进的超超临界火电机组的运行温度高于620℃，压力高于31MPa。
与水相似，CO₂也是一种优良的天然工质，常用作制冷剂。CO₂化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，易获得。S-CO₂是指温度和压力均在临界值（T= 30.98℃、P=7.38MPa）以上的CO₂流体，将其用来做动力循环的工质，它能在很小的体积内传递很大的能量，且在工程实现上比水更容易达到超临界状态。S-CO₂循环发电具有环境友好、热效率高、经济性好等特点，是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向，是一项将带来发电变革的新技术。
CO₂相图
以S-CO₂为工质的动力循环在500~700℃温度下热效率可达40%~55%，高于蒸汽循环3~5个百分点，同时，该循环系统具备更高的紧凑性，其透平机械的体积可降至汽轮机的10%以下，由此带来更好的经济性。S-CO₂循环系统适用于工业余热利用、核能发电、太阳能光热发电、化石燃料燃烧发电等诸多能源利用领域以及舰船、坦克等动力装备，具备非常广阔的商业前景和重要的国防军事意义。
S-CO₂透平与蒸汽透平尺寸对比
布雷顿循环是一种典型热力学循环，它以气体为工质，先后经过绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。和传统的蒸汽朗肯循环相比，布雷顿循环具有更高的循环效率，并且当工质处于超临界状态时，由于避免了工质相态的改变，减少了压缩功的消耗，它的循环效率能得到很大的提升。S-CO₂循环系统主要由压缩机、透平、发电机、加热器、回热器、预冷器等组成，基本的工作流程为：低温低压工质首先进入压缩机升至高压，经回热器吸收透平排出工质的热量，再经加热器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平做功推动发电机工作，透平排出的工质经回热器释放部分热量，最后经预热器冷却后进入下一个循环过程。S-CO₂循环有多种循环布置方式，其中分流再压缩循环的效率最高，最具发展前途。
分流再压缩S-CO₂循环
由于S-CO₂流体具有独特的性质，采用S-CO₂布雷顿循环作为发电系统的热力循环系统，还具有以下优点：
1）系统具有更高的循环效率｡水蒸气､He和CO₂作为工质在不同温度下的循环热效率｡在高于400℃时，S-CO₂具有明显的优势｡在温度达550℃时，S-CO₂发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45%｡随着温度的升高，效率也显著提高｡S-CO₂不需要很高的循环温度即可达到满意的转换效率，而He循环要想获得40%的循环效率,循环温度必须在750℃以上,这对部件材料的性能提出了很大的挑战。
2）对管道设备腐蚀速率更低｡由于S-CO₂具有稳定的化学性质，相比于高温高压的水蒸气，对金属管道设备侵蚀的速率较慢，因此对材料的要求相对较低｡
3）无水处理｡由于不存在水处理系统，节约了大量的水资源和水处理剂等，减少了初始投资｡
4）系统结构紧凑，占地空间小｡由于S-CO₂黏性小和密度大的物理特性，使其具有流动性好､传热效率高､可压缩性小等典型优势，因此压缩机､涡轮机等关键部件体积较小､结构紧凑
5）降低电力成本｡相比水蒸气热力循环发电系统，S-CO₂布雷顿循环发电系统的建设成本以及运行､维护成本更低，并且寿命更长，经济效益更好，可降低平准化电力成本8%~15%。
S-CO₂循环的研究进展
S-CO₂循环的发展前景
S-CO₂循环技术的兴起源于美国，随后英国、法国、捷克、日本、韩国和中国等多个国家和地区都相继发展该技术。S-CO₂循环发电具有环境友好、热效率高、经济性好等特点，是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向，是一项将带来发电变革的新技术。经过近二十年的发展，至今已接近商业化应用的成熟度水平。
美国是S-CO₂循环技术发展的风向标，代表了当今最先进的技术水平。美国能源部Sunshot计划支持下，西南研究院(SwRI)联合通用电气(GE)、Thar等公司完成了关键部件透平机械和微通道换热器的试验验证。美国能源部STEP项目位于德克萨斯州圣安东尼奥的示范电站于2018年10月破土动工，该项目由西南研究院(SwRI)，气体技术研究所(GTI)、通用电气(GE)共同参与。该示范电站耗资1.19亿美金，采用10MWe超临界CO2循环，预计2022年完工。美国NET Power公司与东芝公司合作建设完成50MWth 的直燃加热S-CO₂循环（Allam循环）试验装置，选址在德州La Porte，直接资金投入1.4亿美元，该系统于2018年5月30日点火，并于2019年上半年完成测试。
法国电力公司开展了适合S-CO₂的材料研究、聚光太阳能发电(CSP)动态模拟、S-CO₂换热系统设计；PCHE初步设计完成。在2013年提出二次再热燃煤S-CO₂循环系统概念设计，计算效率达50%。
日本东京工业大学完成了面向核反应堆的S-CO₂布雷顿循环系统设计，采用多级压缩-间冷技术路线，功率600MW，发电效率为45.8%；还设计了用于太阳能光热发电的S-CO₂布雷顿循环发电系统，发电效率达48.2%。
韩国原子能研究院分析了S-CO₂循环与钠冷快中子堆结合的可行性，推出了示范快堆电站KALIMEＲ－600，与美国阿贡国家实验室设计的电站相比，省去了中间回路，S-CO₂和堆芯出来的高温钠直接换热，减少了设备。
西南研究院(SwRI) S-CO₂循环试验装置
STEP项目S-CO₂循环示范电站布置
NET Power公司基于Allam循环原理的S-CO₂电站机组
我国在2012年左右开始基础技术的分析和设计的研究。2016年6月《中国制造2025——能源装备实施方案》中将S-CO₂循环发电列入清洁高效燃煤发电装备。近年来发展迅速，包括西安热工院、中国核动力研究院、中科院等科研单位针对循环系统开展了研究，其中西安热工院正在开展5MWe试验回路建设。华能开展燃煤S-CO₂发电技术研发，目标是实现600MW等级以上的大型S-CO₂火力发电系统及关键部件的工程方案。目前已完成5MW试验系统的设计，该系统最高压力21.5MPa，最高温度600℃，工质流量308t/h，整个系统由锅炉燃烧系统、涡轮发电系统、压缩机、回热器、循环冷却水系统、工质充排系统和热工基础试验系统等组成。另外还进行了300MW S-CO₂发电机组概念设计，其中锅炉的一次工质压力和二次工质压力分别为32MPa和18.4MPa，一次工质温度602℃，工质流量为7150.2 t/h，锅炉热效率达94.3%。
西安热工院S-CO₂循环装置
华能300MW S-CO₂概念设计
国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项2017年立项项目《超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究》，华北电力大学牵头，研究解决超高参数二氧化碳燃煤系统能量梯级利用、热力学循环及热学优化理论，以及关键部件能质转换与传递机理的关键科学问题，突破锅炉燃烧及污染物控制、换热器、透平及一体化系统设计等关键技术，研制锅炉、回热器及透平原理样机,最终完成发电效率51%的1000MW级系统概念设计，为逐步推进大容量S-CO₂燃煤发电系统示范及应用奠定理论与技术基础，实施周期4年， 资助经费2842万元。
国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项2018年立项项目《超临界CO₂太阳能热发电关键基础问题研究》，中国科学院电工研究所牵头，拟解决的关键科学问题主要有：高温高效吸热器设计理论与方法，储热放热模式对系统性能的影响机理，S-CO₂与透平热功转换过程的相互作用机制。该项目拟建立基于采用太阳能聚光集热的S-CO₂太阳能热发电系统，研制发电功率不低于200kW的S-CO₂太阳能热发电实证平台，实施周期4年， 资助经费3267万元。
2018年5月，中国电机工程学会发布《能源动力领域十项重大工程技术难题》，S-CO₂太阳能热发电技术被列为其中之一。2018年9月和11月，中科院完成了国内首座大型S-CO₂压缩机实验平台和双回路全温全压S-CO₂换热器综合试验测试平台的建设工作，填补了国内相关试验测试平台的空白。
S-CO₂循环应用前景
S-CO₂循环的内在优势主要有：（1）可与多种热源结合，循环效率高；（2）系统简单、设备紧凑、占地面积小；（3）CO₂化学性质稳定、密度高、成本低；（4）可以空冷、适用地区广。这些优势使得S-CO₂循环在各个发电领域具有很大的应用潜力。
S-CO₂布雷顿循环发电技术潜在应用领域
1
火力发电
对于间接加热的S-CO₂循环，其应用于火力发电的优势可通过与蒸汽循环的比较来体现。研究表明：（1）在效率方面，S-CO₂循环具有优于蒸汽循环的潜质。S-CO₂循环电厂在相同等级的运行参数下，其循环效率可比超超临界蒸汽循环电厂高5个百分点，并且这种优势随着温度等级向700℃以上发展时更趋明显。另一方面，相比水蒸气，二氧化碳对金属材料的氧化作用较小，所以在S-CO₂循环中高温氧化对材料许用温度的限制较小；（2）在设备成本方面，由于S-CO₂循环的最高压力在35MPa以内，最低压力在临界压力附近，压比非常小，所以二氧化碳透平尺寸小（约为蒸汽透平的1/10），透平制造成本势必成倍下降。此外，S-CO₂循环的系统布置非常简单、结构紧凑、辅助设备少、维护工作量小，也有利于提高电厂的综合效益。因此，S-CO₂循环具有替代蒸汽循环的潜在优势。
对于直燃加热的S-CO₂循环，即Allam循环，其用于火力发电，可与F级及更先进的燃气轮机—蒸汽轮机联合循环带碳捕捉（CCS）装置的电厂相媲美，也就是说，可替代IGCC和NGCC，并实现高发电效率和零排放。Allam循环技术，包括天然气Allam循环和煤气化Allam循环，均采用纯氧直燃加热的技术，使其在本质上具备清洁和高效两方面特性，S-CO₂循环还具有整合低品位热量的天然优势，可将空分设备的排热回收用于CO₂工质在低温大比热区的加热，大幅节省了空分的能耗。类似地，Allam循环也兼具S-CO₂循环所共有的系统简单、结构紧凑、维护方便等优势
我国的能源结构以煤为主，天然气资源比较短缺，发展基于燃煤和煤气化的火力发电技术更加适合我国的能源国情，所以间接加热的S-CO₂循环宜结合燃煤锅炉开展研发，而直燃加热的S-CO₂循环宜结合煤气化系统开展研发。
2
燃机余热和工业废热发电
S-CO₂循环热效率高，并且具有系统简单、结构紧凑、运行灵活等潜在优势，可与燃气轮机组成新型的燃气-S-CO₂联合循环。燃气-S-CO₂联合循环系统包括燃气轮机、余热锅炉和S-CO₂循环，另外，配置余热利用装置，可用于供热、制冷或者也可以进一步进行余热发电。系统总的运行过程为：燃气轮机运行发电，产生的高温排气进入余热锅炉，余热锅炉内布置三段加热器来加热S-CO₂循环工质，S-CO₂循环运行发电，并提供热量给余热利用装置。燃气-S-CO₂联合循环发电系统具有较高的热效率，并且保留部分较高品位的余热，可进一步用于电厂运行。
尽管工业废热是一种低品位的能源，但其储藏量巨大，即便是一小部分得以利用，也是很可观的。S-CO₂发电系统在较低温度下的效率相比同类热电系统高，体积小，便于安装。
1-预冷器，2-低压压缩机，3-间冷器，4-高压压缩机，5-回热器Ⅰ，6-回热器Ⅱ，7-回热器Ⅲ，8-回热器Ⅳ，9-高压透平，10-低压透平，11-加热器Ⅰ，12-加热器Ⅱ，13-加热器Ⅲ
燃气-S-CO₂联合循环布置
3
小型模块化压水堆核能发电
小型模块化压水堆（小型堆）核电站由于温度参数低，其发电效率不到30%，为了提高小型堆的核能利用效率，可将小型堆与可再生能源组合，并以先进的S-CO₂循环作为热能转换为电能的装置。基于简单回热模式的S-CO₂循环，并在此基础上增加一次间冷和一次再热，将小型堆与可再生能源集成为新型混合发电系统。S-CO₂循环发电系统以小型堆（二回路）和可再生能源作为热源，其中前者加热温度较低，作为低温段热源，后者加热温度较高，作为高温段热源。小型堆和可再生能源的热功率按照工程上常用设计，两者大小相互匹配。小型堆的热功率大多在50～300 MWt，可选配聚光太阳能集热器或生物质直燃锅炉与小型堆相结合。此外，CO₂本身是具备核安全属性的工质，并且S-CO₂循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统，确保在严重事故工况下，反应堆持续排出衰变热。集成小型堆和可再生能源的S-CO₂循环发电系统具备良好的发电效率和核安全性。
目前，国外对S-CO₂布雷顿循环的研究以核反应堆为主要应用对象，包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。根据美国能源部的规划，S-CO₂发电可能将在未来10年内实现。
1-主压缩机，2-低温回热器，3-二回路换热器，4-高温回热器，5-可再生能源加热器，6-高压透平，7-可再生能源再热器，8-低压透平，9-发电机，10-预冷器，11-预压缩机，12-间冷器，13-小型堆，14-可再生能源
基于小型堆和可再生能源的S-CO₂循环布置
4
太阳能发电
美国能源部认为，S-CO₂布雷顿循环可用于太阳能发电，并且能使太阳能光热式发电效率提高8%，使太阳能光热发电成本大幅降低。光热发电是利用太阳能的辐射能，通过聚光器和吸热器，将工质加热，再通过热机发电。S-CO₂布雷顿循环发电技术是目前最前沿的光热发电技术之一，2018年5月25日，中国电机工程学会发布了《能源动力领域十项重大工程技术难题》，S-CO₂太阳能热发电技术被列为其中之一。S-CO₂布雷顿循环仅需外界提供500~800摄氏度的温度，这是应用现有太阳能聚光器和吸热器技术即可很容易达到的的温度。
我国航空工业，机械工业都有布雷顿循环燃气轮机的研发和制造能力，尤其航空工业能生产各种功率等级，大量的布雷顿循环航空发动机产品。如能充分利用航空 技术基础和设备条件，开展S-CO₂布雷顿循环的机组研发生产，则既可装备使用清洁能源的基本负荷电厂，也可装备中小电厂就地供电。在太阳能充分， 当地无水的地区，更可发挥优势。由于太阳热发电系统能建成可储能，可以将不稳定的电变成为可调度的电，使电网能容纳更多不稳定的电源（如可再生能源的风电 等）。从而为实现国家节能减排，应对气候变暖做出重大贡献，又为航空工业企业开发了巨大市场。
5
舰船发电及推进系统
由于舰船内部空间有限，对船内设备体积限制要求严格，而S-CO₂发电系统效率高、体积小，对于提高发电效率，节省能源，减小发电系统体积和重量等诸多方面均有优势。
目前国内95%民用船舶动力是柴油机，热效率在50%左右，其中排气损失热能量为25%，温度在250～350℃之间。其排气余热只有很少的热能被利用，大多数热量被排掉。
军用舰艇上的动力绝大多数是用燃气轮机，动力效率在40%以内，排气能量更大、温度更高，配用S-CO₂热机，将会节约更多的燃油。
结语和展望
S-CO₂循环发电技术是国内外发电行业广泛关注的热点，近年来S-CO₂循环发电技术也取得长足进步，处于由工程示范走向商业化应用的阶段。从总体来看，S-CO₂循环发电技术仍属于前沿技术，在S-CO₂循环发电系统中，总体循环架构的设计、工质品质、关键设备、控制技术以及高温材料的开发等方面均面临诸多挑战。当今世界正处于能源革命和转型发展的重要机遇期，S-CO₂循环作为传统蒸汽循环的替代技术，有望在未来多元化的能源体系中发挥独特作用。
郑开云
⏬ 郑开云
1980-，男，浙江宁波人，高级工程师，博士，主要从事动力工程技术研究工作。《南方能源建设》特约专家，先后在《南方能源建设》上发表论文《超临界二氧化碳循环应用于火力发电的研究现状》（2017年03期），《超临界工质布雷顿循环热力学分析》（2018年03期 ），《集成小型堆和可再生能源的超临界CO₂循环发电系统》（2019年02期），《燃气-超临界CO₂联合循环发电系统》（2019年03期 ）。
编辑发布：《南方能源建设》编辑部 郑文棠
期刊网站：http://energy.gedi.com.cn/
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