超临界二氧化碳闭式布雷顿循环特点与应用

徐 前， 陈洪溪

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

在20世纪60年代，ANGELINO G等[1-2]提出了利用超临界二氧化碳(S-CO2)作为闭式布雷顿循环工质的概念，目的是减少压缩耗功，使循环获得更高的热效率；但是限于当时的技术水平，无法解决高效紧凑式换热器和高速发电机的技术瓶颈，最后并没有将其实现。随着当代技术的不断进步，印刷电路板式换热器的出现为S-CO2闭式布雷顿循环提供了高效紧凑式换热器。此外，以S-CO2为工质的紧凑式透平和压气机的设计和研制工作也逐步展开。S-CO2闭式布雷顿循环在燃煤发电、核能发电、聚光式太阳能发电(CSP)及余热利用等应用领域已经取得了一些初步的研究成果[3-4]，该循环对于实现清洁发电及高效能源利用可以起到重要作用，因此有必要开展对S-CO2闭式布雷顿循环的研究。

S-CO2闭式布雷顿循环是目前应用最广及效率最高的S-CO2动力循环方式，在中高温热源发电方面，已有学者从理论上验证其能够代替蒸汽朗肯循环，且具有结构紧凑、热效率高、系统布置简单等优点，特别是对于核能和太阳能等恒定高温热源来说，S-CO2闭式布雷顿循环的优势更加突出[5]。

笔者分析了CO2的热力学参数在临界区域附近的变化带来的循环增益，并将S-CO2闭式布雷顿循环与蒸汽朗肯循环及空气布雷顿循环进行比较，分析该循环的特点及优势，最后综述了S-CO2闭式布雷顿循环在燃煤电站、核反应堆、CSP以及余热利用等领域的研究进展及成果。

1 S-CO2工质特性

1.1 临界区域附近CO2的热力学参数变化

利用工质在临界点附近参数的变化往往可以为循环带来增益，但对于蒸汽和空气等其他工质，很难在运行工况内处于临界状态附近。表1给出了CO2的基本物性参数，可以看出其临界温度为30.98 ℃，接近于环境温度，在运行工况内容易达到超临界状态，也更方便利用工质临界区域附近热力学参数变化敏感的特点来提高布雷顿循环性能。

表1 CO2的基本物性参数

目前已有不少商业软件可以直接计算得到CO2在不同状态下的物性参数[6]，笔者基于REFPROP软件中的物性数据研究CO2在临界区域附近参数的变化趋势。

图1为CO2在4～20 MPa的等压线变化趋势。在临界区域附近，等压线的斜率显著减小，压力为8 MPa的等压线变化趋势最为明显，该等压线在温度304 K处的斜率已接近于水平；而等压线的斜率越小意味着实现相同的压比时工质温度升高的幅度越小，在压缩过程中，工质因压缩产生的温升越小，则压缩耗功越小，压缩效率就越高。比定压热容可以定义在为等压过程中比焓对温度的偏导数，相当于图1中等压线斜率的倒数，而图1中等压线在临界区域附近斜率很小，即意味着比定压热容在临界区域附近很大。

图1 临界区域附近CO2等压线变化趋势

图2为CO2密度随温度的变化。

图2 CO2密度随温度的变化

从图2中可以看出：在相同压力下CO2的密度随温度的升高而降低，且压力越接近于临界压力值时，密度随温度升高产生的下降幅度就越大，如在临界压力下，304 K时临界密度为467.6 kg/m3，而310 K时密度已经降低到约为241.2 kg/m3，下降幅度较大。

图3为CO2黏度随温度的变化。CO2黏度随温度的变化趋势与密度的变化趋势相同，在相同压力下黏度随温度升高呈现下降趋势，且在临界区域附近下降幅度很大，在临界温度(304 K)下，水的黏度为769 μPa·s，空气的黏度为18.5 μPa·s，CO2黏度比空气大，但远远小于水，相对更接近于空气。

图3 CO2黏度随温度的变化

CO2在临界区域附近导热系数的变化也很大，305 K时CO2的导热系数比307 K时提高近50%，相对于其他工质，CO2导热系数是相同温度(304 K)下空气导热系数的7倍，但远远小于水的导热系数[6]。因此，较高的导热系数也可以显著提高布雷顿循环中低温换热器的换热效率。

由以上分析可知：在临界点以前，CO2可以作为一种高黏度和高密度的液态工质，在临界区域附近比热容、密度、黏度及导热系数等都保持较大值，随温度升高这些参数沿着等压线方向呈现下降趋势，且越接近临界区域，下降幅度越大。

1.2 工质特性产生的循环增益

将压气机入口状态点设计在临界区域附近，此时CO2虽处于超临界状态，但接近于临界状态点，更类似于液态工质，密度大约为水的1/3，压缩系数在0.4左右[6]，可以有效降低压缩耗功。CO2在压气机中压缩至高压状态下，又经过加热器加热至高温高压状态进入透平膨胀做功，在较低的透平入口温度下，也可获得较好的循环热效率。

图4为S-CO2闭式布雷顿循环的温熵图。从图4中可以看出：在整个循环过程中，CO2都处于超临界状态，压气机入口状态点越接近于临界点，所带来的循环增益就越大；另一方面，在压气机入口处，当入口速度较高时，压气机局部静压和温度就会降低，一旦降低到临界参数以下，就会产生冷凝。为避免相变产生，压气机入口状态的设定既要尽可能接近临界区域以获得较好的压缩效率，又要留有一定的余量以避免发生相变。HOSANGADI A等[7]建立了相变模型，对压气机进口条件进行仿真分析，在压气机入口处压力为7.843 MPa、温度为305.4 K时，在叶片前缘和尾缘等温度比压力下降较快处预测到发生冷凝。MCCLUNG A等[8]指出在压气机入口处温度为35 ℃、马赫数为0.25、压力为9 MPa时，需要留有2～3 MPa等焓压力余量以避免相变发生。

图4 S-CO2闭式布雷顿循环温熵图

2 S-CO2闭式循环的特点与优势

2.1 循环特点

图5从循环热效率与透平进口温度的角度比较了目前几种应用最广泛的循环系统。

图5 不同循环方式的效率曲线示意图

由图5可得：从热效率来看，S-CO2闭式布雷顿循环最接近卡诺循环效率曲线；从透平进口温度来看，S-CO2闭式布雷顿循环透平进口温度跨度较大，从300 ℃到800 ℃，适用于众多热源。对于500 ℃以下的热源温度，S-CO2闭式布雷顿循环与蒸汽朗肯循环相比就失去了循环性能上的优势；对于500～700 ℃的热源，S-CO2闭式布雷顿循环在循环性能上具有比较明显的优势；当透平进口温度再进一步升高，S-CO2闭式布雷顿循环就不再适用，空气布雷顿循环可以利用温度高于1 100 ℃的热源，即燃气轮机的应用，但是其热效率低于40%。采用燃气-蒸汽联合循环，热效率能够显著提高至50%～57%。

蒸汽朗肯循环在较低的透平进口温度下可以获得较高的热效率，因为在循环升压过程中，工质(液态水)为不可压缩流体，升压过程耗功非常小、循环热效率高，但是由于水蒸气在超临界状态下的腐蚀性比较强，很难通过提高透平进口温度进一步提高热效率；而在燃气轮机中，虽然透平进口温度比前者高很多，但循环热效率也没有得到显著提高，主要是由于压缩过程消耗了大量的功，空气作为工质在压缩过程中耗功较大，同时燃气轮机透平入口温度的进一步提高也受到材料耐温性的限制。

S-CO2闭式布雷顿循环结合了两种循环各自的优势：相对于空气布雷顿循环，在压缩过程，CO2处于临界区域附近，此时的工质压缩系数在0.4左右，在性质上更接近于液态工质，对于减少压缩耗功非常有利；相对于蒸汽朗肯循环，在相同温度下，CO2的腐蚀性比蒸汽要低得多，因此，S-CO2闭式布雷顿循环可以提高蒸汽朗肯循环的透平进口温度来提高循环热效率。

2.2 循环布置形式

由于S-CO2闭式布雷顿循环中透平进口温度较高，而循环压比一般比蒸汽朗肯循环压比要小，导致透平的出口温度相对较高。因此，非常有必要采用回热装置，回热效率对循环热效率产生重要影响。对简单布雷顿循环形式进行改进，出现了包括回热式、中冷式、再热式、再压缩、分流膨胀等多种布置形式，目前效率最高的布置形式是S-CO2闭式再压缩循环[1-2]。

图6和图7分别为S-CO2再压缩闭式布雷顿(简称S-CO2再压缩)循环的系统布置图及相应的温熵图。

从加热器流出的高温、高压CO2进入透平膨胀做功，透平出口的CO2先进入高温回热器放热，再进入低温回热器，根据分流比进行分流，一部分工质直接进入分压气机进行压缩，另一部分工质先进入预冷器冷却后再进入主压气机压缩，且通过低温回热器回热至与直接在分压气机中压缩的另一部分工质相同的温度，混合后一起流经高温回热器回热，最后进入加热器加热。S-CO2再压缩循环采用2个回热器，即低温回热器和高温回热器，利用透平出口余热分别对主压气机和分压气机出口工质进行预热，以高效地利用循环中冷热两端较大的比热容差，有效提高循环的热效率。

图6 S-CO2再压缩循环系统布置图

图7 S-CO2再压缩循环系统温熵图

2.3 循环优势

S-CO2闭式再压缩循环作为一种非常有潜力的动力循环方式，有如下优势：

(1) CO2具有无毒、价格低廉等优点，其成本仅为He的1/10、R-134a的1/70。

(2) 透平部件尺寸优势。CO2在整个循环过程中都处于一个密度相对较大的状态，体积流量显著减小，透平部件的尺寸要远小于蒸汽透平，甚至只有后者的1/10[9]。紧凑的透平部件使得机组占地面积减小，尤其适用于船舶、舰艇等空间不足的场所。

(3) 透平进口温度适中且热效率高，不会受到透平部件材料的限制，循环热效率比蒸汽朗肯循环的热循环高出5%[5]。

(4) 循环布置形式简单，总投资成本小。CO2在整个循环过程中处于超临界状态，没有相变过程，不需要凝汽器，所使用的阀门数量也只有蒸汽朗肯循环的1/10，而且对材料的耐温性要求较低，在部件制造过程中减少制造成本。

(5) S-CO2闭式再压缩循环可采用空气冷却，特别适用于聚光式太阳能发电以及水资源短缺地区。在聚光式太阳能发电应用方面，S-CO2动力循环在采用空气冷却或混合方式冷却以减少冷却水的消耗方面具有竞争优势[10-12]；但是，也有研究表明采用空气冷却并不比采用水冷更具有竞争优势，因为空气冷却所需要的换热器尺寸较大，机组总投资成本会显著增加[13]。

(6) 良好的热源适应性。对于S-CO2闭式布雷顿循环，透平进口温度范围广，可应用到燃煤发电、太阳能发电等众多领域。

3 应用领域

3.1 燃煤电站

S-CO2闭式布雷顿循环是应用于煤炭清洁高效利用的未来发展的重要方向之一，已经列入国家科技创新规划重大工程。对于燃煤电站，该循环可以作为顶循环来提高发电效率，同时还可以利用CO2捕集装置来降低碳排放量。LE MOULLEC Y[14]对S-CO2闭式布雷顿循环应用于燃煤电站进行了概念设计，该燃煤电站带有CO2捕集装置，利用单乙醇胺作为溶剂收集CO2，低热值发电效率达到41.3%，减少了45%的脱碳成本。MECHERI M等[15]也研究了燃煤锅炉和S-CO2布雷顿循环相结合的布置形式，并分析了3种利用锅炉低温热源的形式，最终得到低热值发电效率高于48%；但是也面临加热器设计复杂、热损失较大、压降敏感等技术难题[16]。

3.2 核能发电

S-CO2闭式布雷顿循环早期研究就是为了应用于核能发电，在核反应堆中，该循环可以取代反应较为激烈的钠水反应，可以增加核电系统的安全性，同时在效率方面也有所提高。MOISSEYTSEV A等[17]对S-CO2闭式布雷顿循环在钠冷快堆(SFR)中的应用进行了研究，分析了不同布置形式下的循环效率。韩国核能与量子研究所采用数值模拟分析了CO2泄漏对钠-CO2换热器的影响，并进行了试验验证[18]。在第四代核电开发技术路线中，S-CO2闭式布雷顿循环可以作为二回路循环，尤其适用于堆出口温度为550 ℃的铅水快堆(LFR)和SFR。

3.3 太阳能发电

CSP通过聚集太阳辐射获取热能，并利用热能来产生高温蒸汽以驱动蒸汽轮机发电。对于缺水的沙漠地区不再适用，且机组庞大，投资成本高；而S-CO2闭式布雷顿循环适用于空冷机组和各种中小型聚光式太阳能发电站。

NEISES T等[19]总结了S-CO2闭式布雷顿循环与蒸汽朗肯循环在CSP应用中的优势，并比较了再压缩循环布置与部分冷却布置形式在应用到CSP中的平均热效率，并指出部分冷却布置形式更具有优势。美国能源部太阳能技术办公室规划在2030年CSP实现在基本负荷时平均发电成本降低至5 美分/(kW·h)[20]，在峰值负荷时发电成本降低至10 美分/(kW·h)，对S-CO2闭式布雷顿循环应用到CSP电站中进行了经济性分析，针对主换热器温差及空气冷却等方面进行初步验证，认为该循环可有效降低投资和发电成本。

3.4 余热利用

余热利用一般是对于已有的动力循环方式，当顶循环排气温度较高时，会采用一个底循环进行余热利用，传统采用蒸汽朗肯循环或有机朗肯循环来进行余热利用；而S-CO2闭式布雷顿循环具有较低的底循环温度，接近环境温度，因此可利用温度更低的低品质热源，且热效率较高。

MINKIM Y等[21]对S-CO2闭式朗肯循环用于燃气轮机余热利用方面进行了优化分析，指出了与蒸汽朗肯循环相比，该循环具有布置简单、结构紧凑及循环效率高的优势，分析了S-CO2简单朗肯循环用于余热利用还需要进一步改进布置形式，以获得更好的回热效率，对S-CO2简单朗肯循环、低温换热器串联朗肯循环以及分流朗肯循环进行了分析比较，结果表明分流式朗肯循环的循环热效率最高、回热效果最好。

4 结语

CO2作为循环工质，与蒸汽相比展现出较多优势，尤其是其临界状态点适中时可以获取循环增益，将其应用于闭式布雷顿循环中，可以显著减少压缩耗功，在500～700 ℃的热源温度下可以得到较高的热效率。在煤炭清洁发电、第四代核能发电及太阳能聚光式发电等领域中，S-CO2闭式布雷顿循环可承担重要角色。当前主要处于研发和试验验证阶段，在真正推广到实际商业应用的过程中，还有各种技术难题需要解决。