超临界二氧化碳发电技术现状及挑战

邓清华，胡乐豪，李 军，丰镇平

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院 叶轮机械研究所， 西安 710049；2.陕西省叶轮机械及动力装备工程实验室， 西安 710049)

从20世纪40年代第一台燃煤机组投入运行起，大型发电技术一直朝着高参数、大功率方向发展，以提高能量转换效率，降低单位功率的建设与运行成本。然而，高参数和大功率也使得发电机组体积庞大，循环系统复杂，这对材料强度、设备制造、运行控制等均提出了更高的要求。

20世纪60年代，Angelino[1]注意到燃煤发电技术和燃气轮机发电技术所面临的问题，主要分析了提高动力循环效率、缩小机组尺寸和降低结构复杂性等关键问题。Feher[2]在朗肯循环和布雷顿循环的基础上提出了超临界循环。两位学者均论证了以CO2为工质的热力循环可以大幅提高循环效率，减小部件尺寸。但当时受到换热器和透平设计水平的限制，该循环方案未能得到进一步发展。随着技术的进步，以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的动力循环再次受到关注。研究人员提出将SCO2动力循环应用于传统发电和新能源发电领域[3-4]，以提高循环热效率，缩小发电机组尺寸，降低大型电站的投资成本[5]。

本文介绍了当前SCO2动力循环的循环方案，以研究机构和相关项目为主线，综述了国内外SCO2动力循环、动力部件以及电厂示范项目的相关研究状况与存在的问题，比较了SCO2动力循环发电技术与当前传统发电技术，分析了当前面临的问题，以此为大型发电技术的发展提供参考。

1 SCO2动力循环的类型

SCO2动力循环一般可分为间接加热和直燃加热两种，如图1所示。当前研究最多、公开发表文献最多是SCO2间接加热循环方案，其具有循环系统简单、运行稳定、应用范围广的特点。直燃加热方案的研究相对较少，该方案包括阿拉姆(Allam)循环以及超临界水蒸煤循环，其燃烧产物(H2O、CO2)直接参与循环，循环效率能突破60%[6]，但由于需要增加分离器等装置，循环系统的长期稳定运行受到影响。

(a) 间接加热的SCO2动力循环

图1 SCO2动力循环方案

间接加热的SCO2动力循环方案可细分为简单布雷顿动力循环和再压缩布雷顿循环两种，如图2所示。SCO2简单布雷顿循环结构简单，设备体积小，投入成本低。然而，在循环过程中工质比热容变化比较大，回热器中存在“夹点”问题，这严重影响回热器的换热性能，降低循环效率。为解决回热器“夹点”问题，Angelino[1]提出了分流再压缩布雷顿动力循环，同时该方案减少了冷却器带走的热量，提高了循环效率。需要指出的是，以上所述的SCO2动力循环方案中，透平进口的CO2均为超临界状态，但是各循环差异很大，有的为布雷顿循环，有的为朗肯循环，甚至有的循环采用CO2和水蒸气的混合工质，非纯CO2。

(a) SCO2简单布雷顿循环

图2 间接加热SCO2布雷顿循环

2 国内外SCO2动力循环的发展现状

世界范围内，美国、中国、日本、韩国等均开展了SCO2动力循环的相关研究[7-8]，该技术不仅能应用于新能源、核能发电，也能应用于燃煤火力发电等领域。本节以研究机构和相关项目为主线，综述了SCO2动力循环及部件方面的研究进展。

2.1 美国能源部的SCO2项目

2.1.1 桑迪亚国家实验室(SNL)

自2007年起，SNL联合美国能源部(DOE)在SCO2压缩系统以及循环系统领域开展了细致深入的研究。2010年，SNL搭建了SCO2压缩系统实验台，其中压缩机由50 kW的电动机驱动，转速为75 000 r/min，压比为1.5，工质流量为3.5 kg/s。该实验台主要用于研究CO2临界点附近的压缩机运行特性[9]。2012年，SNL搭建了热源功率为780 kW、循环最高温度为811 K、转速为75 000 r/min的SCO2再压缩布雷顿循环系统实验台，该实验台主要用于对SCO2的再压缩循环系统进行原理性验证。实验结果表明：该循环可以解决回热器中“夹点”问题，提高循环效率；动力部件采用箔片轴承时转速需要高于20 000 r/min，且需要严格控制轴承处的温度；实验中循环最高温度仅达到672 K[10]，转速为59 000 r/min。另外，发电机的相关损失、压缩机和透平产生的泄漏流以及转子腔室内的摩擦鼓风损失是导致循环效率低的主要原因。需要说明的是，动力装置采用透平-发电机-压缩机同轴布置方案[11]，可有效抵消两叶轮上的轴向推力，同时在发电机功率和轴向推力不超限的情况下，拆除透平或压缩机中的一个，可以单独开展另一个的气动性能实验。

近年来，SNL在原有实验台架的基础上，重点开展了轴承以及循环工质参数控制方面的研究，其实验台输出功率为20 kW，转速为52 000 r/min，压比为1.65，工质流量为2.7 kg/s。结果表明，在启动阶段，CO2在主压缩机和再压压缩机进口处的密度不同，需要将2台压缩机维持相同转速，以防止其中之一发生喘振。同时，压缩机进口工质状态对循环效率的影响较大，需要将压缩机进口的CO2控制在临界点附近[12]，这给系统的参数控制带来了一定的挑战。

2.1.2 太阳能光热发电SunShot项目

2011年，DOE的SunShot计划向美国西南研究院(SwRI)资助490万美元，用于其制造和测试适用于光热发电项目的一种高效、紧凑的SCO2透平和印刷电路板换热器，以大幅降低太阳能光热发电的设备成本。该项目已于2017年结题[13]，为后续太阳能光热发电关键设备的研发积累了经验。

2014年，SwRI联合通用电气(GE)公司完成了10 MW等级用于太阳能光热发电的SCO2透平设计。结果发现，透平气动与结构的设计、优化、制造，以及转子的高周疲劳寿命均是需要重点考虑的问题，同时太阳光照的不稳定性要求透平能够快速适应发电过程中的负荷变化[14]。

SwRI和GE公司设计制造的透平和换热器解决了SCO2动力循环的两个关键问题，热电效率可以提高到50%以上，电站建造成本将低于1 200美元/kW，运行成本为0.06美元/(kW·h)。该研究项目为SCO2动力循环在太阳能光热发电领域的应用奠定了坚实的基础。

2.1.3 超临界转化电力(STEP)项目

SNL等机构开展的SCO2压缩系统、总体循环系统等方面的原理性验证实验，证明了其发电原理不存在问题。2016年，DOE提出超临界转化电力(Supercritical Transformation Electric Power，STEP)项目，其主要目标之一是设计建设发电功率10 MW等级的SCO2太阳能光热电厂，项目总投资约为8 000万美元，旨在降低SCO2动力循环在商业应用方面存在的风险，并解决技术难点，为SCO2动力循环进一步大型化发展奠定基础。其循环系统的透平进口温度为700 ℃，循环效率超过了50%。项目主要由美国燃气技术研究院(GTI)牵头，GE公司负责透平机械的设计和制造，SwRI负责循环系统的设计、实施、运行和评估。2018年10月该项目在美国得克萨斯州开工建设，计划于2020年完工。

项目的建成将对SCO2动力循环的商业化应用具有重要意义。SwRI借助于该示范电厂，将进一步优化SCO2动力循环参数、验证动力部件运行性能和稳定性，同时为SCO2动力循环商业化运行提供培训，积累运营经验，为后续的技术改进提供平台基础。

2.1.4 燃煤电站项目

为进一步推动SCO2动力循环在燃煤电站领域的应用，在DOE的资金支持下，GE公司在SwRI关于10 MW透平研究基础上，设计了一套应用于燃煤电站450 MW再热-再压缩SCO2布雷顿循环系统以及相应的透平部件[15-16]，循环系统的热效率可达51.9%。高压和低压透平设计转速均为3 600 r/min。其中高压透平进口总温为700 ℃，进口总压为25.06 MPa，采用4级结构，设计等熵效率为90.6%；低压透平进口总温为680 ℃，进口总压为12.96 MPa，出口压力为6.71 MPa，采用3级结构，设计等熵效率为91.6%。高压透平第1级叶片高度仅有71.12 mm，高压透平第3级叶片高度仅为137.16 mm，远小于相同功率条件下的蒸汽透平尺寸。

GE公司在450 MW透平设计中重点解决了材料选择、应力计算和转子稳定性分析等问题，为更高功率等级的SCO2透平设计提供了参考。然而，受限于当前干气密封的加工技术，GE公司在450 MW透平设计中采用的是迷宫密封，其泄漏量(0.45%)远大于干气密封泄漏量(0.02%)，因此透平中存在的泄漏损失将使得整个循环效率降低0.6%～0.8%。

另外，2018年DOE公布了Coal FIRST计划，项目投资1 亿美元，目标是开发“灵活、创新、弹性、小型、变革”的适用于未来能源系统的先进燃煤电厂，计划采用SCO2发电技术，通过创新设计及制造方法的进步，发展新型先进燃煤发电的示范系统。

2.2 中国的SCO2项目

2.2.1 重点研发计划

2016年，西安交通大学牵头承担了国家重点研发计划“煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产基础研究”项目(2016YFB0600100)，主要以煤炭清洁高效转化利用为目标，创建新型煤炭洁净高效制氢发电多联产的科学理论与技术支持，创立从煤炭超临界水气化制氢反应器，高湿/高CO2气氛下氢气燃烧器，到超临界H2O/CO2混合工质透平发电的多联产系统的设计理论，并提出了相关方法，完善了关键技术，完成新型系统的概念设计，并使系统发电效率达到50%以上[17-18]。

图3是超临界水煤气化制氢发电工艺流程图，煤与超临界水发生反应，生成H2和CO2，H2在燃烧器中燃烧后生成H2O，与CO2组成超临界混合工质，进入透平做功，驱动发电机。这种工艺流程完全避免了NOx、SOx的排放，实现了CO2的资源化利用，装置大型化后，一次性投资和运行成本将会进一步降低。该发电系统的优势在于采用超临界水煤气化制氢，避免了传统采用煤炭直接燃烧的方式，具有高效、清洁的技术优势。

图3 超临界水煤气化制氢发电工艺流程图[17]

2017年，华北电力大学牵头承担了国家重点研发计划“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”项目(2017YFB0601800)，该项目旨在解决超高参数CO2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，完成1 000 MW级系统概念设计[19]。

从总体上来说，华北电力大学徐进良教授提出的发电系统是基于传统技术的燃煤发电系统，将水蒸气介质替换为CO2，利用CO2在超临界状态附近压缩耗功小的特点，采用多次再热等措施，提高循环热效率，大幅缩小叶轮机械尺寸。计算结果表明，1 000 MW级SCO2燃煤电厂CO2透平在进口压力为35 MPa，进口温度为630 ℃，两次再热温度均为630 ℃时，系统发电效率为51.22%，比当前世界上效率最高的超超临界水蒸气电厂发电效率(48.12%)高出三个百分点，具有非常大的优势。另外，该SCO2燃煤电厂的透平排气压力在7.8 MPa左右，而传统燃煤发电系统透平排气压力在0.005 MPa左右，此时水蒸气的质量体积是CO2的1 900倍，因此采用CO2为介质，可使发电系统容积流量大幅降低，大幅缩小叶轮机械尺寸。图4给出了1 000 MW SCO2透平转子的初步方案图，即使采用双流结构，总长也不超过5 m。

图4 1 000 MW SCO2循环发电系统透平转子结构布置方案

2018年，中国科学院电工研究所牵头承担了国家重点研发计划“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究”(2018YFB1501000)，该项目旨在为我国SCO2动力循环系统在新能源发电领域，尤其为太阳能热发电领域开展相关研究。美国已于2011年开始了SunShot计划，现已完成了10 MW等级SCO2太阳能光热电站的系统及部件的工程设计与部分测试，并开始了示范电厂的建设，而我国目前还在SCO2太阳能光热发电的基础研究阶段。

2.2.2 企业自主研发项目

2018年，由中国科学院工程热物理研究所研制的我国首座大型SCO2压缩机实验平台在河北衡水基地正式建成。实验平台可用于测试SCO2压缩机工作性能，开展SCO2流体压缩特性研究，同时也可以开展高速转子、轴承和密封等相关部件的性能实验。其设计的压缩机出口压力可以达到20 MPa，最高转速可达40 000 r/min，最大流量为30 kg/s，可进行兆瓦级SCO2压缩机的相关测试实验，为我国后续开展SCO2压缩系统实验研究提供了强有力的支撑。

另外，西安热工研究院有限公司设计开发了输出功率为5 MW的SCO2循环发电实验平台[20]，其透平进口温度为600 ℃，透平进口压力为20 MPa，系统流量为80.7 kg/s，发电效率为25.4%，目前各关键部件已经完成加工制造，正在进行系统管路与关键部件的安装与调试。

2.3 国外企业自主研发项目

2.3.1 Echogen Power Systems(EPS)公司

于2007年成立的美国EPS公司致力于余热回收领域的研发工作，并采用CO2作为介质。经过5 kW、15 kW和200 kW样机的设计试制与实验，于2012年成功开发了EPS100机型，主要包括换热器、冷凝器、泵和透平4个部分，是世界上第一台采用CO2为循环介质的商用发电机组，其输出功率为7.5 MW，主要用于温度为500 ～ 550 ℃、流量为65 ～ 70 kg/s的气体燃烧产物的余热回收。需要说明的是，EPS100机组采用的是CO2朗肯循环，而非布雷顿循环，因为液态CO2更容易被压缩，且消耗更少的压缩功，所以CO2朗肯循环比其布雷顿循环的效率更高。

EPS100机型能够有效地将工业过程产生的废热转换为电能，可配置为热电联产方案，进一步提高废热回收的利用率。EPS公司在SunShot计划的支持下，对EPS100机型进行了测试。2013年，GE公司将EPS100技术应用于舰船动力领域。

2.3.2 Net Power公司

美国Net Power公司致力于开发和应用新型动力循环发电技术，实现化石燃料发电的低成本和零排放。该公司提出了阿拉姆(Allam)循环技术，即气化后的煤经过清洁处理后，经压缩机压缩进入燃烧器，燃烧产物(CO2、H2O)和经过空气分离器废热预热的CO2混合后，直接进入透平中做功发电，最后燃烧产物经过分离器分离出H2O和CO2进行循环，对多余的CO2进行捕集和封存。循环主要特点是零排放、100% CO2捕集，发电效率高，占地面积小[21-22]。值得指出的是，该Allam循环技术与西安交通大学郭烈锦院士提出的超临界水煤气化制氢及H2O/CO2混合工质热力发电系统较相似，只是煤炭的气化工艺不同。

目前，Net Power公司建成了世界上首座50 MW直燃式煤气化Allam循环系统，其中燃烧器和透平关键部件由Toshiba公司设计，印刷电路板换热器由Heatric公司设计。该电站建于美国得克萨斯州拉波特市，已经成功点火，成为全球首座零排放电站。下一步Net Power公司计划建设500 MW天然气Allam循环电站，目前已完成了工程设计。

经过分析，Allam循环的高效优势主要是来自两方面：(1)透平进口工质的温度压力较高；(2)将空气分离器的余热整合到SCO2循环中。将Allam循环用于化石燃料的发电领域，可以实现高效率发电和CO2零排放，与整体煤气化联合循环(IGCC)方案形成竞争，为清洁发电提供新的发展方向。

3 SCO2发电技术面临的挑战

与常规大型发电技术相比，大型SCO2布雷顿循环发电技术在叶轮机械尺寸方面具有极大的优势，表1比较了SCO2透平与燃煤电站、核电站的蒸汽轮机的技术指标。

表1 1 000 MW典型机组性能指标对比

尽管SCO2布雷顿动力循环系统在动力部件尺寸和循环效率方面具有优势，但要使其逐渐走上工程示范和后续的商业应用之路，还需要在以下方面开展广泛和深入的研究：

1) SCO2循环系统的锅炉中介质流量大，是相同功率等级常规燃煤机组的8倍左右，是核电机组的4倍左右，而单纯提高管内介质的流速，必然会增加流动阻力，而增大受热面又会增加锅炉尺寸，因此需要特别注意CO2在锅炉内的阻力与受热面的平衡问题。

2)压缩机进口处CO2在其临界点附近，物性参数变化剧烈，同时伴随凝结问题，这对压缩机气动性能和工作稳定性有较大影响。另外，介质密度大，CO2压缩机和透平叶片受力较大，其流体激振以及轴系结构布置问题也需要特别考虑。

3)SCO2介质密度大，压缩机和透平叶片高度低，叶片展弦比低，端部次流损失大，泄漏损失大，需要开发高效的新叶型。而且，为空气或燃气等常规介质建立的叶片流动损失模型能否适用于CO2介质，需要进一步论证。

4)SCO2循环系统的最低压力为7.9 MPa左右，这给CO2压缩机和透平的轴端密封技术带来了非常大的挑战。系统输出功率为1 000 MW的SCO2透平的初步设计结果显示，其轮毂直径为1 000 mm，轴径约为450 mm，然而当前干气密封加工工艺能够实现的最大的密封面直径为350 mm左右，不能满足要求。

5)SCO2压缩机进口状态点对其循环系统经济性具有非常重要的影响，如何将其控制在临界点附近，是系统控制需要解决的重点问题。

4 结 论

本文综述了国内外SCO2动力循环系统、关键部件、示范项目等方面的进展状况，分析了传统发电系统与SCO2发电系统的不同，以及SCO2发电系统面临的技术挑战。SCO2动力循环具有循环效率高、叶轮机械尺寸紧凑等优势，将其应用于大型发电领域具有很广阔的前景。

世界范围内，SCO2动力循环和相关部件的设计制造发展迅速，美国在10 MW以下的动力循环领域取得了较大的进展，现已基本完成了小型试验装置的原理性验证工作，这为后续SCO2动力循环发展打下了坚实的基础。现阶段，由DOE支持的STEP计划取得了进展，10 MW SCO2动力循环太阳能光热发电电厂已启动建设。

国内方面，我国对SCO2试验装置的研究还在起步阶段，目前国内只有西安热工研究院有限公司和中国科学院工程热物理研究所等建成了兆瓦级SCO2系统及部件实验平台，在基本理论和实验验证方面还需要进一步的研究。我国现阶段相继启动了3项关于SCO2动力循环在大型发电领域应用的研究，这对我国能源结构的发展与调整具有重要的意义。

目前相关机构已开展了系统原理性验证、部件设计与实验等大量研究工作，但是在CO2锅炉、压缩机与透平、干气密封以及系统控制等关键问题上，仍需要开展更深入的研究。