超临界二氧化碳布雷顿循环在发电领域的应用

叶侠丰，潘卫国，尤 运，王文欢

(1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海发电环保工程技术研究中心，上海 200090)

超临界二氧化碳布雷顿循环在发电领域的应用

叶侠丰，潘卫国，尤 运，王文欢

(1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海发电环保工程技术研究中心，上海 200090)

对超临界二氧化碳布雷顿循环在发电领域的研究，是实现能源的清洁高效利用和节能减排的重要途径。介绍了超临界二氧化碳布雷顿循环的基本原理及特点，并且综述了超临界二氧化碳布雷顿循环在火电、核电等发电系统中的发展和研究现状。最后给出了我国在未来关于超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术研究重点的几点看法。

超临界二氧化碳；布雷顿循环；高效率；发电系统

对不可再生能源高效、清洁利用的研究，是实现可持续发展的一条重要途径。而能源的高效转化利用主要是通过热力学循环系统实现的，因此对热力学循环系统的研究一直是最重要的研究课题之一[1]。

布雷顿循环作为一种典型的热力学循环之一，是由美国科学家布雷顿首次提出的以气体为工质的热力学循环。简单的布雷顿循环气体工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以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。由于布雷顿循环的循环效率高，被广泛应用于能量转化领域里，如燃气轮机发电系统，飞机、轮船的动力系统，空间的动力装置等，同时布雷顿循环系统也是最重要的制冷循环之一。因此，深入开展布雷顿循环在能量转化领域中的研究具有十分重要的意义[2]。

1 SCO2布雷顿循环概述

超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环是以SCO2作为循环工质，CO2具有相对稳定的化学性质、良好的物理性能、可靠的安全性，价格低廉以及易于获取等优点，并且CO2的临界温度和临界压力相对较低，易达到超临界状态。当CO2将处于超临界状态，介于液体和气体之间，兼具气体黏度低和流体密度高的特殊物理特性，使其具有流动性好、比体积小、可压缩性小、传热效率高等优点，所以SCO2是应用最广泛的超临界流体之一[3]。对于SCO2布雷顿循环，基于SCO2的各种优点，SCO2布雷顿循环发电系统具有占地空间小、发电效率高、经济性好等优点，因此火电、核电等发电系统等都尝试采用SCO2布雷顿循环作为新的动力循环系统。

1.1 基本原理

基于SCO2布雷顿循环的发电系统主要包括热源、气轮机、发电机、压缩机、冷却器、回热器等。图1给出了简单SCO2布雷顿循环的过程[4]，低温低压的SCO2工质经过压缩机升压后，然后通过回热器和气轮机排出的乏气进行换热，预热到一定温度后，随后被热源(工业余热、核反应堆、化石燃料及太阳能等)被进一步加热，再进入涡轮机膨胀做功带动发电机发电；做完功乏气由气缸排出，进入回热器与压缩机排出的低温高压工质换热，达到预冷的目的，冷却后的工质进入冷却器进一步冷却，最后进入压缩机压缩完成了整个循环。

SCO2布雷顿循环中工质的压力和体积的变化情况如图2所示。图2中，各点工质的状态与图1各点一一对应。在实际应用中，回热器中高、低温侧的工质由于换热温差大，造成较大的换热损失，会导致循环效率降低，因此回热器分离成了高温回热器和低温回热器以提高换热效率。此外，再压缩SCO2布雷顿循环还增加了再压缩等热力过程，降低了低温回热器的端部温差及冷却器带走的热量，从而提高了系统的安全性和经济效益。

图2 布雷顿循环P-V图

1.2 SCO2布雷顿循环的特点

1.2.1 SCO2的特点

当CO2的温度和压力分别达到其临界温度31.1℃和临界压力7.38 MPa时，CO2将处于超临界状态，介于液体和气体之间，兼具有气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，相比其他同类型热力循环的工质具有以下特点：①CO2临界点适中，易达到，相比于水及He等循环工质，对热源温度要求更低，能得到较高的效率；②SCO2是一种理想的闭环发电机组的工作介质，工质特性与热力循环匹配良好；③SCO2黏性小、密度大、流动能力强、传热效率高、做功能力强；④SCO2循环无相变，压缩过程中消耗压缩功较小，并且SCO2的高密度使得压缩机、涡轮机等关键部件的结构设计更加紧凑，固定投资低；⑤SCO2循环技术继承性好，可基于现有的材料实现，避免开发耐高温的镍基合金材料。

1.2.2 SCO2布雷顿循环布雷顿循环发电系统的特点

她好像受到我笑的鼓励，放松了一些。但她的声音仍旧有些犹豫：“我想……也许……我们可以一起走走，一块吃点东西……”我终于镇定下来，找到了自己的声带。“当然……可以。我非常荣幸，那边的街上有许多不错的餐馆。”

由于SCO2的特殊优势，采用SCO2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。3 种介质在不同温度条件下的循环效率如图3所示。图3中，分别以水蒸气、He和CO2作为工质的循环热效率[5]。在高于400℃时，SCO2具有明显的优势。在温度达550℃时，超临界二氧化碳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。SCO2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。

图3 3 种介质在不同温度条件下的循环效率

(2)对管道设备腐蚀速率更低。由于SCO2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SCO2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，SCO2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%。

(6)将CO2资源化。CO2是一种温室气体，该循环提供了一种将CO2资源化的有效方法。

2 SCO2布雷顿循环在发电领域的国内外研究应用

由于SCO2布雷顿循环自身的特点，使其在火电、核电等发电系统等具有很好的应用前景。目前，有关SCO2布雷顿循环系统的研究主要集中在热力循环过程、循环效率的分析和优化等理论研究，关键部件的选材、设计等方面及实验室内建设大型的模拟机组并进行测试试验，尚未有正式发电运行的规模化机组，所以关于SCO2布雷顿循环在火电、核电等发电领域中的研究应用一直在进行着。

我国对SCO2布雷顿循环系统发电技术的研究较晚，目前对该领域的研究并不多。在热力循环过程、循环效率的分析和优化等理论研究方面，段承杰、王捷等人建立了SCO2布雷顿再压缩循环模型，模拟了各参数对循环效率的影响，研究了各参数间的变化关系及对循环参数进行了优化分析，并且与目前核能转化系统中研究最广泛的He布雷顿循环进行比较发现，SCO2布雷顿再压缩循环是一种更为理想的热力循环系统，在较低温度(700℃)条件下，布雷顿循环的效率也能达到He(1 000℃)布雷顿循环的效率水平，同时还可以减小压缩机、涡轮机等关键部件体积并且对材料的要求更低[6-7]。张尧立等人通过数值模拟的方法，建立了 SCO2闭式再压缩布雷顿循环的模型。发现回热器的换热能力对系统热效率影响显著，当回热器的换热效率超过一定数值后，增大压力不再能提高系统的热效率，此外涡轮机的排气温度对系统热效率的影响比热源温度更加明显，并且当回热器的换热效率达到一定数值后，涡轮机的排气温度存在一个最佳值[8]。中国原子能科学研究院基于SCO2布雷顿循环的机理，结合我国钠冷快堆的特点和需求，研究发现SCO2布雷顿循环在中温范围(600℃左右)内，循环效率能够达到45%，因此得出了应用于钠冷快堆的SCO2布雷顿循环系统极具工程应用前景的结论[9]。梁墩煌等人就SCO2作为第四代核反应堆的循环工质进行了理论分析和建模计算，结果表明，在400～750℃范围内，相比于水蒸气朗肯循环和He布雷顿循环，SCO2具有更高的循环效率，并且SCO2工质应用于液钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆时具有更高的热效率和铀资源利用率[10]。廖吉香等人对比分析了5种SCO2热力循环，发现再压缩循环结构简单且效率更高，并对该循环进行了进一步的热力计算，分析了循环参数的影响规律，得到了最高循环效率下的最佳运行参数[11]。张一帆等对含分流再压缩和再加热的SCO2布雷顿循环火力发电系统，利用计算机编程深入分析了压缩机进出口压力、分流系数、透平进口温度等对循环效率的影响，结果表明，压缩机进出口压力、分流系数、透平进口温度之间存在最优的耦合关系，使得该系统的循环效率最高[12]。

在关键部件的选材、设计等方面，赵新宝、鲁金涛等人综述分析了SCO2布雷顿循环在火电、第四代核电及太阳能发电的研究，对比评估了几种电厂常用钢材在SCO2环境下的力学特征与腐蚀行为，发现在 650℃以上，镍基合金的持久强度比铁素体钢及奥氏体钢具有更明显的优势，此外，还重点介绍了几种常见的掺杂气体(水蒸气、SO2、空气)对SCO2环境下合金腐蚀行为的影响规律及机理[13-14]。

国外对SCO2布雷顿循环发电技术的研究相对较多，美国麻省理工学院的研究人员针对核电系统的设计方案，提出了基于 SCO2雷顿循环的冷却快堆的总体方案，并进行了热力计算，反应堆额定热功率为2 400 MW，涡轮机入口温度和压力分别为920 K和20 MPa，系统热效率为51%，净效率为47%[15]。美国Sandia国家实验室建成了以SCO2为工质的布雷顿循环，功率为125 kW，涡轮机转速为7 500 r/min的机组，并系统计算了各组成部件的能量损耗。该实验室还研发出一种基于SCO2布雷顿循环的燃涡轮机，可将发电效率提高到50%以上，同时，等功率下比传统蒸汽循环设备体积缩小1/30左右，并掌握了大量SCO2对透平部件、管路、轴承、密封件以及其他各种各样的组件性能和技术的影响规律[16]。Iverson等人在实验室内搭建了基于 SCO2雷顿循环的太阳能发电系统，功率为780 kW，并进行了深入的实验研究。结果表明该系统具有更高的发电效率，在透平入口温度超过600℃时，发电效率可达50%[17]。美国Echogen公司将SCO2布雷顿循环应用于余热发电，研发出了世界上第一个兆瓦级的SCO2发电机组EPS100，它采用的是双轴带回热的布雷顿循环系统，该机组已经进入测试运行阶段，机组运行的测试数据证实了兆瓦级SCO2发电机组的可行性，结果表明用SCO2循环替代传统蒸汽循环，可以降低安装成本以及运行、维护成本，从而使电力成本降低10%～20%，并且使机组拥有更大的输出功率[18]。美国能源部能源效率及可再生能源办公室下属的国家实验室于2012年提出以EPS100系统为基础的SunShot试验计划，开发10 MW了基于SCO2布雷顿循环的涡轮机[19]。

日本东京工业大学[20]提出了循环效率更高的SCO2雷顿循环模型，增加了两级预冷和两级压缩，以提高循环过程的热效率。为了减少CO2及污染物的排放以及提高发电效率，日本东芝[21]进行了新型 SCO2布雷顿循环系统的250 MW的发电站研究，如图4所示。以化石燃料、O2、CO2为混合流体的燃烧介质，其中烟气中占据95%的CO2来膨胀做功，在进入燃烧室前SCO2的压力可达到30 MPa，经过燃烧室加热后SCO2的温度高达1 150℃，这种系统具有组合利用燃气和蒸汽的燃气联合循环发电同等水平的效率，同时无需另外设置分离及捕集设备就可回收高压CO2。这对于我国实现燃煤的清洁高效利用具有重要的借鉴意义。

图4 日本新型 SCO2循环系统图

3 结语

由于SCO2布雷顿循环自身的特点，使其具有较高的循环效率、紧凑的热力系统设备、较低的经济投入等优点，在火电、核电等发电领域都具有很好的应用前景。因此，大力发展SCO2布雷顿循环在发电领域的研究，是实现能源的清洁利用和节能前排的重要途径。由于我国对SCO2布雷顿循环的研究还处于起步阶段，建议未来的工作重点放在以下几个方面。

(1)目前的热力循环研究将SCO2考虑为理想工质，与实际不符。所以，需要开展SCO2流体热力性能的基础研究，如密度、热容、粘度、导热系数等热物理特性试验测试和研究。

(2)目前国内对设备材料在SCO2环境的力学特征及腐蚀行为研究较少，需要加强实验机理研究，发现更安全、经济的材料，寻找合适的防结垢、防腐蚀技术。

(3)目前对SCO2的热力循环系统，包括动力、换热特性的认识还不够深入，需要进一步研究得到压缩机、换热器、涡轮机等关键部件设计技术基础，获得部件性能特性，为系统设计提供支持。

(4)由于我国燃煤的产能严重过剩，重点开展SCO2布雷顿循环在IGCC、工业余热等的研究不仅可以实现燃煤的清洁高效利用，还可以将CO2资源化，实现CO2减排。

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(本文编辑：赵艳粉)

Application of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle in Power Generation Fields

YE Xiafeng，PAN Weiguo，YOU Yun，WANG Wenhuan

(1. School of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2. Shanghai Power Environmental Protection Engineering Technology Research Center，Shanghai 200090，China)

The application research of supercritical carbon dioxide Brayton cycle in power generation fields is an important way to achieving the goal of using energy cleanly, efficiently and energy saving and emission reduction. This paper briefly introduces the fundamentals and features of supercritical carbon dioxide Brayton cycle, and summarizes the research and application status of supercritical carbon dioxide Brayton cycle in power generation system, such as thermal power, nuclear power and so on. Finally, it proposes some ideas about research focus of supercritical carbon dioxide Brayton cycle.

supercritical carbon dioxide; Brayton cycle; high efficiency; power generation system

s：The National Natural Science Foundation of China (21546014)；Shanghai Municipal Natural Science Foundation(14 ZR1417800)

10.11973/dlyny201703028

国家自然科学基金(21546014)；上海市自然科学基金(14ZR1417800)

叶侠丰(1990—)，男，硕士研究生，从事电站节能技术研究。

TK11

A

2095-1256(2017)03-0343-05

2017-03-03