船舶余热利用sCO2布雷顿循环发电技术综述

严新平 王佳伟 孙玉伟 袁成清 汤旭晶 耿海鹏

1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉，430063 2.武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心，武汉，430063 3.武汉理工大学交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉，430063 4.西安交通大学机械强度与振动国家重点实验室，西安，710049

0 引言

航运是经济全球化发展的重要纽带，国际贸易80%～90%的货物是通过海洋运输实现的［1］。随着国际海事组织 （international maritime organization，IMO）对船舶能效的要求和对环保法规的执行日益严格，节能减排和高效营运已成为造船业和航运业的普遍共识。目前，最先进的大功率船用二冲程柴油机热效率已接近50%，而其余的热能因各种途径散失而未被有效利用。以某型6800TEU集装箱运输船所采用的最大持续功率 （maximum continuous rating，MCR）为68 520kW的主动力柴油机（HYUNDAI-MAN B＆W，12K98MC-C Mk6，104r／min）为例，其烟气排放热损失是所有热量损失形式中能量散失最多的部分，约占全部输入热量的25.5%，其他依次为空冷器热损失16.5%，缸套冷却热损失5.2%，润滑损失2.9%，热辐射损失0.6%［2］。对烟气排放散失热能的有效再利用是提升能源利用效率和主机综合热效率的有效途径。现阶段针对船舶主机烟气排放余热的利用主要有动力涡轮、余热锅炉及有机朗肯循环等余热回收技术［3］，且已有相应的系统实船应用案例，但是上述技术方案在结构紧凑、高效循环和节能环保等方面尚存在一定局限性。

超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，sCO2）布雷顿循环发电是以超临界状态（气液共存态）的CO2作为循环工质，经高效换热后由涡轮机将热能转化为机械能，再经发电机组转化为电能。美国Sandia国家实验室通过试验测定：采用布雷顿循环的sCO2发电系统在涡轮入口温度为538℃时，可实现43%的发电效率，其发电效率显著高于朗肯循环热力发电系统的发电效率33%［4］。目前，sCO2布雷顿循环发电已在核能、太阳能、工业余热利用等领域有所应用［5］，鉴于其所具有的显著技术优势和应用前景，美国、韩国、日本和中国等航运业较为发达的国家已针对该技术在船舶平台上的应用开展了相关的基础理论和试验系统研究工作，并逐步向实船工程化应用阶段推进。

1 sCO2布雷顿循环发电技术介绍

1.1 sCO2布雷顿循环发电技术的原理

sCO2是指温度和压力均在临界点以上的CO2流体。温度和压力分别高于31℃和7.37MPa时，CO2达到超临界状态［6］。sCO2具有化学性质稳定、流体流动性好、传热效果好、可压缩性小等物性特性，且其临界温度和压力较低（远低于水的临界点），可在接近室温条件下达到超临界状态，是理想的热力循环工质［7］。

sCO2布雷顿循环主要包括压气机中的等熵压缩、换热器内的等压吸热、涡轮透平内的等熵膨胀及冷却器内的等压冷却4个工作过程，与朗肯循环的4个工作过程相近，两者的区别在于循环工质在布雷顿循环中不发生集态改变［8］。

sCO2布雷顿循环发电系统是一种以sCO2为循环工质的动力循环系统，主要包含6个核心设备：压缩机、回热器、换热器、发电机、涡轮、冷却器［9］。循环过程可分为2个阶段：①低温低压的CO2经过压缩机升压后，通入回热器高温侧预热到一定温度，再由外部热源在换热器中进一步提升温度和压力；②在涡轮机中膨胀做功后的乏气进入回热器低温侧进行预冷，再由冷却器进一步冷却后通入压缩机，形成闭式循环。以压缩机入口端为循环起点，则sCO2的循环流向如图1中①→②→③→④→⑤→⑥→①所示。由于在采用单一回热器的布雷顿循环系统中，回热器高、低温侧工质质量热容的差异会导致回热器内出现“夹点”，进而降低循环效率，目前主要采用设备高温回热器和低温回热器来解决这一问题。

图1 简单回热sCO2发电系统［9］Fig.1 Simple recuperated sCO2power generation system［9］

1.2 sCO2布雷顿循环发电技术的特点

（1）效率高。美国麻省理工学院DOSTAL等［10］比较了sCO2布雷顿循环、超临界蒸汽循环、过热蒸汽循环和氦气布雷顿循环在不同涡轮进口温度下的循环效率变化趋势，如图2所示，可以看出温度在350～950℃之间时，sCO2布雷顿循环效率大于氦气布雷顿循环效率；温度在450℃以下时，sCO2布雷顿循环效率小于超临界蒸汽循环和过热蒸汽循环效率；温度在450～550℃之间时，sCO2布雷顿循环效率小于超临界蒸汽循环效率，但大于过热蒸汽循环效率；温度在550℃以上时，sCO2布雷顿循环效率大于超临界蒸汽循环效率和过热蒸汽循环效率。

图2 不同热力循环在不同涡轮进口温度下的循环效率［10］Fig.2 Cycle efficiency of different thermodynamic cycles under different turbine inlet temperatures［10］

（2）功率密度大。sCO2发电系统中的循环工作介质为超临界状态的CO2，在全循环过程中，CO2不发生相变（耗用压缩功较小），能量密度大，在不损失性能的情况下，可以获得较大的功率体积比。DOSTAL等［11］对比了蒸汽涡轮、氦气涡轮机和sCO2涡轮机功率尺寸。如图3所示，在同等功率级条件下，与氦气涡轮机和蒸汽涡轮相比，sCO2涡轮机的尺寸和体积可以更小。另外，sCO2涡轮机可以采用单体设计，而蒸汽涡轮和氦气涡轮机通常采用涡轮机体。

图3 蒸汽涡轮、氦气涡轮机和sCO2涡轮机尺寸比较［11］Fig.3 Size comparison of steam turbine，helium turbine and supercritical carbon dioxide turbine［11］

（3）体积小。sCO2发电系统没有蒸汽发电系统的水处理设备及排污设备，从而可使整个系统的设计非常紧凑。就可利用空间有限的船舶而言，由于sCO2发电系统整体结构紧凑、体积小，故将其应用于船舶能源系统中具有可行性。美国Echogen Power Systems 公 司 PERSICHILLI等［12］以LM2500燃气轮机排气作为热源，比较了sCO2发电系统和蒸汽发电系统的安装尺寸。2个热发电系统的发电功率均为8MW时，sCO2发电系统的总体安装面积至少可以比蒸汽发电系统的总体安装面积小1／3。

1.3 sCO2发电系统的循环结构

图4 不同循环结构的sCO2发电系统Fig.4 Different circulation structure of sCO2power generation system

船舶余热sCO2发电系统的目标是尽可能地回收船舶主机的烟气余热中的能量。在简单回热循环的基础上，国内外学者尝试采用多种循环结构，以提高简单回热循环sCO2发电系统的循环效率［13］。如图4所示，针对余热回收sCO2发电系统的循环结构主要可以分为：①简单回热循环（simple recuperated cycle）；②级联循环（cascade cycle）；③双回热循环（dual recuperated cycle）；④预热循环（preheating cycle）［14］。简单回热循环是其他三种循环结构的改进基础，改进的主要出发点在于增设涡轮机、换热器或回热器（设备投资成本会相应提高），通过提高循环工质在各级子循环中的热量利用效率，进而达到提升整个系统循环热效率的目的。美国SuperCritical Technologies公司 WRIGHT等［14］以LM2500PE燃气轮机排气作为热源，对上述4种循环结构的sCO2热经济分析结果表明：系统效率由大到小依次为④、②、③、①。除此之外，也有研究机构尝试将2种循环结构联合在一起，组成联合循环。

2 sCO2发电系统在船舶主机余热回收领域的研究进展

将sCO2发电系统应用在船舶主机余热回收可以追溯到20世纪70年代。如图5所示，麻省理工学院最早开始将其应用在海军舰艇余热回收中，但由于受当时高效换热材料制造成形技术、涡轮叶片加工工艺以及电力电子变换技术等发展相对滞后的局限，经历了较长时间的技术发展低谷期。2010年左右，随着新材料、制造加工工艺、高精度系统同步运行控制技术等的进步，特别是高效换热器和高效涡轮机制造工艺问题获得解决，sCO2布雷顿循环发电系统又逐渐成为该领域内的研究热点，并逐步在工程领域实现应用。

图5 sCO2发电系统在船舶平台上的应用技术研究时间轴线图Fig.5 Application in ship platform sCO2power generation system technology research timeline

20世纪70年代，麻省理工学院COMBS等［15］以采用燃气轮机为主动力装置的“佩里”（Perry）级（FFG7）导弹护卫舰为分析对象，开展了海军舰艇余热回收sCO2发电系统应用研究，主要包括：sCO2发电系统热力学分析，简单回热循环和再压缩回热循环的设计工况点与非设计工况点的性能差异，sCO2发电系统方案和主要设备设计，并通过试验分析sCO2发电系统应用在燃气轮机余热回收时的效率、性能等。

美国Echogen Power Systems公司针对烟气余热回收设计了EPS100热回收系统，该系统可用于船舶主机烟气余热回收。EPS100系统采用简单回热循环为循环结构，使用工业级sCO2作为循环工质，基于电力线通信（power line communication，PLC）进行控制。系统的主外壳为15m×4m×4m（长×宽×高），净重64t。当环境温度为15℃、相对湿度为60%时，余热供应温度为532℃，余热的输入功率为33.3MW，其电力输出的总产值为8.6MW，净产值为8MW，电力输出的效率可达24%［16］。EPS100循环结构简图见图6。

图6 EPS100循环结构简图［17］Fig.6 EPS100cycle structure diagram［17］

美国 Concepts NREC 公司和 Maine Maritime Academy、Thermoelectric Power Systems公司合作，研究将sCO2发电系统应用在MT-30燃气轮机推进的海军舰艇余热回收中［18－19］。美国Concepts NREC公司的可行性分析报告显示，在MT-30燃气轮机推进的海军舰艇上应用sCO2发电系统和温差发电系统回收余热，燃气轮机的效率可以提高20%以上。

印度理工学院SHARMA等［20］开展了将sCO2发电系统应用在海军舰艇燃气轮机余热回收的理论研究工作。研究人员以能量和火用为性能分析和优化的研究点，比较了简单回热循环和再压缩循环的效率和效果。结果表明，再压缩循环比简单回热循环具有更高的效率和效果。该研究结果有助于设计高效而紧凑的船舶主机烟气余热回收sCO2发电系统。

2016年，韩国现代重工和韩国电力公司从劳氏船级社获得了一个2MW级sCO2发电系统的原则批准（AIP），该系统用来回收船舶柴油机和燃气轮机的余热。两家公司计划到2019年将下一代sCO2发电系统商业化。现代重工研究中心主任认为，随着sCO2发电技术的发展，船舶能源效率将会得到提升，在绿色船舶领域的竞争力依赖于sCO2发电技术的发展。

表1 各研究机构船舶余热sCO2发电系统对比Tab.1 The results of finite element analysis

韩国能源研究所BAIK等［21］开展了将sCO2发电系统应用在船舶余热回收的理论研究工作，重点关注sCO2发电系统应用在船舶余热回收时的特性，在涡轮入口温度一定的条件下，他们通过多元优化技术对sCO2发电系统进行建模和优化。研究结果表明，每个设计参数具有最大功率的最优值。在该研究的模拟条件下，优化后的sCO2发电系统的输出功率明显增加。

上海交通大学 HOU等［22］为回收船舶燃气轮机余热，采用模块化设计，建立sCO2再压缩循环系统和回热循环系统的联合循环系统，并基于遗传算法对系统的参数进行多目标优化，获得系统最优参数。联合循环系统可以根据船舶需求来选择模块，提高船舶在部分负荷下的综合热效率。联合循环系统相比再压缩循环系统和回热循环系统，在输出功率、紧凑性和经济性等方面均具有技术优势。

3 船舶主机烟气余热利用sCO2发电系统的关键问题

sCO2发电系统在船舶主机烟气余热利用领域有较大的研究价值和应用前景，但目前面向船舶主机余热发电工程化应用仍存在一些关键问题。本节从sCO2发电系统核心组成设备设计制造、sCO2发电系统适用材料及防腐研究、sCO2发电系统循环结构设计与分析、sCO2发电系统运行控制等方面阐述现阶段面向船舶主机余热发电工程化应用的sCO2发电系统存在的若干关键问题。

3.1 核心组成设备的设计制造

面向船舶主机烟气余热发电工程化应用的sCO2发电系统存在的首要关键问题为换热器、涡轮发电机组等核心组成设备的设计制造。印刷电路板式换热器 （printed circuit heat exchanger，PCHE）是一种新型换热器，由于它具有结构紧凑、换热效率高、能够在高温高压及大压差下长期运行等特点，因而被广泛应用于sCO2发电系统换热器、回热器。美国俄亥俄州立大学ZHANG等［23］提出了S形翅片通道，较好地解决了sCO2发电系统中印刷电路板式换热器压力下降问题；Ceramatec公司LEWINSOHN等［24］开发了适用于sCO2发电系统的经济高效的陶瓷换热器；美国西南研究院HOOPES等［25］开发了一种评估热交换器的工具，该工具可用于预测不确定几何形状的热交换器的偏离设计性能。面向船舶主机余热发电工程化应用时，由于船舶主机烟气中含颗粒物，可能会堵塞印刷电路板式换热器流道，故烟气换热器不能用印刷电路板式。针对sCO2发电系统烟气换热器的研究具体可分为以下3方面：①烟气换热器的结构设计及优化；②烟气换热器的材料选择及耐腐蚀研究；③烟气换热器热机械疲劳特性研究。

sCO2发电系统在涡轮发电机组中实现热能到机械能再到电能的转化，涡轮发电机组是船舶余热sCO2发电系统所有部件中最核心的部分。美国通用电气公司BIDKAR 等［26－27］对50MW 和450MW级sCO2发电系统涡轮发电机组进行设计和优化，在高转速下，转子可以保持较好的稳定性；Barber-Nichols公 司 PREUSS 等［28］对 用 于sCO2发电系统涡轮机械的轴承进行设计，并研究sCO2发电系统涡轮机械的性能评估方法。面向船舶主机余热发电工程化应用时，针对sCO2发电系统涡轮发电机组的具体研究可分为以下4方面：①sCO2涡轮机的设计及优化；②高功率密度高速永磁同步发电机的设计、试验和研制；③弹性箔片气体动压轴承设计；④涡轮发电机组密封、摩擦研究。

3.2 适用材料及防腐研究

面向船舶主机余热利用的sCO2发电系统工程化应用研究中，对系统各个部件适用材料的选择以及防腐研究是关键问题。美国橡树岭国家实验室PINT等［29］研究了传统结构的合金在sCO2发电系统中的兼容性；美国橡树岭国家实验室SABAUA等［30］研究了sCO2发电系统换热器内氧化物剥落的特性以及它对换热器性能的影响。美国橡树岭国家实验室KEISER等［31］在sCO2处于750℃、20MPa的工作环境下，对sCO2发电系统涡轮机械的材料进行腐蚀研究；美国桑迪亚国家实验室 WALKER等［32］在sCO2发电系统的工作环境下，研究满足A53、A106和API-5L三种规格的无缝合格碳钢X65Q的腐蚀速率。面向船舶主机余热发电工程化应用时，针对sCO2发电系统适用材料的选择和防腐研究具体可分为以下3方面：①sCO2发电系统各部件材料的选择；②sCO2发电系统各部件腐蚀原因及机理分析；③易被腐蚀部件的防腐防护技术研究。

3.3 循环结构设计与分析

面向船舶主机余热利用的sCO2发电系统工程化应用研究中，由于不同循环结构sCO2发电系统各有特点，在船舶主机烟气状态、对余热回收系统的要求已经确定的情况下，对sCO2发电系统循环结构的选择及优化也是关键问题。韩国高等科学技术研究所 KIM 等［33］对钠冷快堆应用的sCO2发电系统循环结构进行设计，结合内部开发的多条设计代码将其设计成为再压缩循环结构，并以此为基础开展进一步研究工作；美国超临界技术公司STEVEN等［13］对4种用于余热回收sCO2发电系统循环结构进行热经济分析，研究结果表明更简单的循环结构的经济效益更好；加州大学LOUIS等［34］对应用在聚光太阳能领域中的sCO2发电系统循环结构进行研究，目的是最大限度地提高sCO2发电系统在非设计点的循环效率。面向船舶主机余热发电工程化应用时，针对sCO2发电系统循环结构的选择及优化的具体研究可分为以下3方面：①不同循环结构sCO2发电系统的特点及适用范围分析；②sCO2发电系统循环结构设计方法；③设计工况点以及偏离设计工况点的系统状态参数控制过程优化。

3.4 系统的运行控制

sCO2发电系统运行状态控制难度大，系统能否高效稳定运行取决于系统的控制策略和控制算法的优劣，系统的运行控制也属于面向工程化应用的关键问题。美国阿贡国家实验室MOISSEYTSEV等［35］开发出sCO2发电系统瞬态分析程序，对 Bechtel Marine Propulsion Corporation（BMPC）的100kW简单回热sCO2发电系统仿真的数据与实验测试数据进行比较，结果表明在稳态和瞬态条件下都得到很好的一致性；美国Newport News Shipbuilding的 RAPP等［36］对中等温度下运行的sCO2发电系统进行参数分析，考虑了不同的循环参数对效率的影响，研究工作对sCO2发电系统的控制策略优化有很大帮助。面向船舶主机余热发电工程化应用时，当船舶主机烟气发生改变及sCO2发电系统的功率输出需求发生变化时，sCO2发电系统的热量获取、冷却量供给、涡轮发电机组、压缩机等均需做出相应的调整，针对sCO2发电系统运行控制的具体研究可分为以下3方面：①sCO2发电系统的瞬态及稳态响应特性；②sCO2发电系统控制策略；③sCO2发电系统控制算法优化。

4 结论

本文聚焦于sCO2布雷顿循环发电技术及其在船舶主机余热回收利用方面的研究进展及技术性问题。在概述sCO2布雷顿循环发电技术基本原理、典型特点及不同循环结构的基础上，对比分析了国内外研究机构针对该技术在船舶余热回收利用方面的研究现状，并探讨了现阶段面向船舶主机余热发电工程化应用所存在的关键技术问题，结论如下。

（1）具有效率高、功率密度大、体积小等特点的sCO2布雷顿循环发电技术是提高船舶能效和主机综合热效率的重要技术途径。

（2）对sCO2布雷顿循环发电技术的相关研究已逐渐成为行业领域内的研究热点，随着高效换热器和高速涡轮发电机组等核心设备设计制造技术以及新型高性能材料研制技术的突破，sCO2布雷顿循环发电技术的关键问题将逐步转移到针对该系统高效运行的过程控制层面。

（3）面向船舶主机余热发电工程化应用，需针对船舶主机在不同运行负荷工况下排气余热的温度、压力和流量变化特点，分析评估确定sCO2发电系统的装机功率、循环结构、馈电设备等，解决核心组成设备设计制造、材料的选择及防腐、循环设计优化分析及运行控制等问题。