超临界CO2闭式布雷顿循环系统特性试验与模拟研究综述

2020-05-12

流体机械 2020年4期

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

化石能源的不可再生性以及大量使用对地球环境造成了极大威胁，提高能源利用率进而减少环境污染是可持续发展的重要目标。为了提高能源利用率，先后出现了朗肯循环、布雷顿循环等能量转换系统。超临界CO2（sCO2）布雷顿循环技术相较于应用较多的蒸汽朗肯循环和氦气布雷顿循环，在同等条件下（压力8～20 MPa和温度450～650 ℃）下具有更高的热效率和介质密度，减小了压缩机、换热器和透平的尺寸，使系统更加紧凑而易于模块化建设［1］。因此sCO2布雷顿循环系统是未来核能、太阳能、工业废热、地热能、火电等能源综合利用的重要发展方向［2］，是一二十年内有可能带来发电变革的一项前沿技术。

sCO2布雷顿循环研究始于20世纪40年代。在 20 世纪 60-70 年代，Angelino 和 Feher［3-5］对sCO2布雷顿循环理论基础和一系列可能的循环系统配置进行了开创性研究，并取得了阶段性研究成果；之后主要由于透平机械、紧凑式热交换器制造技术不成熟而使得该方面研究几乎停滞。直至21世纪初，sCO2布雷顿循环的研究才再度兴起。2004年，Dostal［6-7］首次总结了Angelino和Feher的热动力学和技术方面的前期工作，并提出新的循环系统配置，开启了sCO2布雷顿循环技术及相应设备的研究热潮。近年来，国外在sCO2布雷顿循环领域已经开展了应用于电力等行业的理论分析、试验研究和工程应用，国内虽然对于sCO2布雷顿循环技术的认识起步不久，但已引起相关行业的密切关注。

本文主要介绍了sCO2布雷顿循环系统特性的研究现状、系统配置分类及其应用领域，简述了典型配置sCO2布雷顿循环系统热力学特性理论分析与数值模拟研究进展；并针对sCO2布雷顿循环系统工况优化方案的选择与系统循环特性研究方向，提出了建议。

1 sCO2布雷顿循环系统特性研究现状

由于sCO2物性的复杂性，特别是在近临界区和跨临界处，CO2热力学参数呈现非线性变化，这使sCO2流体流动和换热规律具有特殊性，系统运行工况将不断处于动态变化过程中。对于不同配置的循环系统，动态运行工况会有很大区别。sCO2布雷顿循环效率主要取决于系统布置类型、循环运行工况以及关键部件性能三个方面。因此，sCO2布雷顿循环系统特性研究主要集中在循环系统设计和操作参数、不同系统布置和构造形式对系统性能的影响方面；在此基础上，开展对系统热力学性能优化、系统安全和稳定性能分析研究。下面对不同循环布置类型的sCO2布雷顿循环系统性能试验研究、理论分析和数值模拟进行介绍。

1.1 简单循环及单独测试件循环

对于sCO2简单布雷顿循环工艺流程，稍高于临界点的CO2经过压缩机升压后，进入加热器进一步加热到工作温度，然后进入透平膨胀做功；做完功的乏气进入预冷器冷却降至稍高于临界点附近，再进入压缩机即完成整个循环。单独测试件循环布置包括压缩机、回热器等部件测试。

针对先进核反应堆、太阳能等能源领域，美国桑迪亚国家实验室SNL［8-10］依托美国能源部第四代计划，2008年建立了一套包括主压缩机、废热气体冷却器及减压阀的单独压缩机循环系统（如图1（a）），主要用于测量主压缩机的运行性能；在此基础上增加了加热器和透平，组成简单循环试验系统（如图1（b））。韩国科学技术院（KAIST）［11］搭建了一套低压缩比的sCO2布雷顿简单循环实验装置，用于测试压缩机性能，计划在此简单循环实验台基础上实现系统的升级（如图2）。

图1 SNL建立的sCO2单独主压缩机和简单循环系统

图2 韩国KAIST建立的简单循环实验装置

1.2 简单回热循环

对于sCO2简单回热布雷顿循环工艺流程，通过在简单布雷顿循环工艺流程基础上增加一个回热器，利用透平做功后的乏气热量对进入加热器前的CO2进行预加热。相较于简单布雷顿循环过程，降低了压缩机的压缩功和预冷器的换热面积，提高了系统热效率。简单回热循环研究是实现再压缩等复杂循环类型分析的基础。

美国海军所属诺尔斯原子能实验室（KAPL）与贝蒂斯实验室（Bettis）［12］于2010年建成100 kW级sCO2布雷顿简单回热循环集成测试系统（IST），如图3所示。该系统采用双轴回热闭式循环，换热器采用管壳式，压缩机进、出口压力分别为9.03，13.5 MPa、效率60.8%，透平进口温度300 ℃、设计转速75 000 r/min、输出电功率100 kW，热油系统加热功率1 MW；用于sCO2布雷顿循环热动力学模拟结果的试验验证、研究不同操作条件下系统运行控制方案、以及明确系统运行中的部件性能。

图3 100 kW级sCO2布雷顿简单回热循环测试系统（IST）

美国贝泰船用推进公司（BMPC）［13］基于KAPL与Bettis建立的100 kW级IST系统，进行了透平机械性能、换热器性能和系统控制等测试研究，为下一步升级到再压缩循环、换热器紧凑化、MW级系统功率升级、以及向示范工程的转变提供基础。

目前应用于太阳能发电的蒸汽朗肯循环技术，受上限温度565 ℃限制的热电效率大约为41%，为了提高操作温度和系统效率同时降低系统尺寸和总成本，美国能源部能源效率及可再生能源办公室下属的国家试验室（NREL）［14］于2012年基于美国能源部提出的SunShot计划，开发透平功率可达10 MW、操作温度700 ℃和效率超过50%的闭式sCO2布雷顿太阳能热发电循环系统。整个试验系统以EPS100系统为基础，包括高温透平、高温换热器、改装压气机、700℃热源和干式冷却系统等。项目成员包括SNL实验室、威斯康辛大学、美国Echogen电力系统等。该计划进一步依托美国能源部STEP项目，将进行商业推广。EPS100系统为美国Echogen电力系统［15］建立的世界首套MW级商用sCO2朗肯循环发电机组，透平功率7.5 MW、入口温度275 ℃。美国西南研究所（SwRI）［16］依托SunShot计划，与美国通用电气（GE）、Thar Energy、BMPC合作开发了一套1 MWe级简单回热测试系统（见图4），用于sCO2透平膨胀机和紧凑式换热器的性能测试。该系统由CO2泵、回热器、加热器、透平和预冷器组成，系统压力和温度范围分别为8～28 MPa和45～700 ℃，已配备的换热器采用管壳式。SunShot计划试验目的针对的是再压缩循过程，因此该简单回热系统的设计条件满足再压缩循环的工况。

图4 1 MWe级简单回热测试系统

Osori等［19］对sCO2集中式太阳能发电简单回热布雷顿循环系统进行动态分析，通过开发包括中央受热器、冷热储热单元、热交换器、换热器、多级压缩与膨胀子系统等组成的循环系统数学模型，研究发现利用sCO2集中式太阳能发电系统是满足沙漠地区缺乏水资源和化石能源需求的可行方案。

捷克理工大学和布拉格研究中心［18］联合开发了一套可以测试换热器温度、压力和流量等性能的sCO2简单回热循环试验系统。该系统由低温回热器、高温回热器、主泵、减压阀和电加热器等组成，最高运行压力25 MPa，最高运行温度550 ℃，流量2.5 kg/s，加热器最大功率500 kW，回热器采用蛇形管型式。澳大利亚昆士兰大学地热能源中心（UQ）［19］在2010年开始搭建sCO2简单回热循环回路测试实验装置，如图5所示。该实验装置可用于测试包括CO2、丙烷、丙烯等不同介质的循环特性、透平和换热器性能、以及控制方法。系统部件包括冷凝器、循环泵、回热器、蒸发器、透平、以及减压阀和冷却器组成的旁路。系统循环过程包括回路测试和透平测试两种模式。在回路测试中，循环过程不经过透平，而经过由减压阀和冷却器组成的旁路；在透平测试中，高压高温介质经过透平膨胀做功。循环泵进、出口压力分别为10，20 MPa，透平进口温度为250 ℃，循环流量0.5 kg/s。

图5 sCO2简单回热循环回路测试实验装置

韩国原子能研究院（KAERI）［20］建立了一套高压缩比的sCO2布雷顿集成试验系统，并具有两级压缩和两级膨胀过程，换热器采用PCHE型式，如图6所示。拟将第四代钠快冷堆与sCO2布雷顿循环相结合，正在建立示范快堆电站KALIMER-600，去掉了钠冷快堆传统的中间回路，sCO2直接同堆芯出来的钠通过钠-CO2热交换器进行换热，设备数量和系统尺寸减少。韩国能源研究所（KIER）［21］已建立了用于工业废热回收的sCO2布雷顿简单循环系统，电功率达到10 kW，透平入口温度小于200 ℃；正在建立SubkWe级的简单回热系统和80 kW的双布雷顿循环系统。

图6 韩国KAERI建立的简单回热循环实验装置

日本东京工业大学（TIT）［22］建立了小型sCO2布雷顿简单回热试验系统，系统效率14.7%，热功率30 kWth，透平进口温度527 ℃，进口压力20 MPa，转速 100 000 r/min。

TIT与日本应用能源研究所（IAE）［23］合作建立了10 kWe级sCO2布雷顿简单回热循环系统，系统效率7%，热功率160 kWe，透平进口温度277 ℃，透平转速 100 000 r/min。

1.3 再压缩循环

对于sCO2再压缩布雷顿循环工艺流程，在主压缩机内，一部分CO2流体被压缩至高压，并在低温回热器内吸收热量而使温度升至再压缩机的出口温度；与经过再压缩机升压的CO2汇合后的主流体被高温回热器预热并进入加热器吸收热量，在加热器出口达到循环系统的最高温度后直接进入透平膨胀做功；做功后的高温CO2流体依次经过高温回热器和低温回热器将热量传递给冷流体侧流体并被冷却；冷却后的CO2流体在进入压缩机之前进行分流，一部分经再压缩机直接压缩至高压，另一部分经预冷器后进入主压缩机升压形成闭式循环。该循环过程采用的分流压缩方式，相较于再压缩机入口条件，主压缩机内CO2具有更高的密度、更低的温度和可压缩性，从而具有更低的压缩功；同时降低了低温回热器的端部温差和冷却器带走的热量，因此具有较高的循环效率。针对sCO2再压缩布雷顿循环布置的特点和优势、系统运行参数对循环效率的影响，国外基于部分试验项目研究，目前开展了大量理论分析和数值模拟研究工作。

2009年美国桑迪亚国家实验室SNL在简单循环系统基础上搭建可实现简单回热和再压缩循环两种过程的再压缩循环试验系统（如图7）［10］，由透平-发电机-主压缩机、透平-发电机-再压缩机、高温和低温回热器、加热器和废热气体冷却器组成。两套系统中的主压缩机转速均为75 000 r/min、流量为3.5 kg/s、压比1.8、进口压力和温度分别为7.69 MPa和31.85 ℃。再压缩循环试验系统中采用的透平-发电机-压缩机方式利用电机驱动压缩机来测试压缩机性能，以解决压缩机的基本问题和使压缩机运行工况处于临界区域的控制方法；透平机械由永磁转子、交流发电机定子、迷宫密封和气体润滑轴承等组成；高温和低温回热器采用了高效紧凑的印刷电路板式换热器PCHE；并系统分析了各组成部件的功率损耗，以及运行工况对系统效率的影响规律。

图7 SNL建立的sCO2再压缩布雷顿循环系统

美国阿贡国家实验室［24］基于先进的快速反应堆（AFR-100），建立了结合sCO2闭式再压缩布雷顿循环过程的钠冷快堆模型，将Na/CO2换热器替代水汽发生器，最高温度550 ℃，循环效率42.3%；并分析了换热器成本与循环效率之间的关系。麻省理工学院［25］在美国能源部的支持下，基于SNL试验验证开展sCO2循环理论工作，提出了sCO2再压缩布雷顿循环冷却核反应堆的总体方案并进行了热动力设计，对循环中不同温度和压力条件下循环的效率特征进行了详细分析，结果表明高、低温回热器的配置可以降低“夹点”问题而提高循环效率。Sarkar等［26］采用能量分析法研究了各种设计和操作参数对sCO2再压缩循环系统性能和组件运行性能的影响规律，研究发现换热器较透平机械的运行条件对系统性能的影响更大。

我国也积极开展各种不同循环布置类型的相关试验原型机和工程化应用研究。中国科学技术大学程文龙等［27］建立了测试回热器性能的sCO2循环试验系统，发现改进的自适应路径回热器可以大大降低压力损失，同时提高换热效率，并使结构更加紧凑。厦门大学张尧立等［30-31］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，此外透平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，透平的排气温度存在一个最佳值。清华大学段承杰等［32-33］建立了sCO2布雷顿再压缩循环模型，模拟了关键运行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，同时还可以减小压缩机、透平等关键部件体积并且对材料的要求更低。

华能集团［28］已立项开发300 MW等级的大型sCO2火力高效发电机组，并开展关键部件研制；西安热工研究院基于该研究项目已经完成5 MW化石能源试验系统设计，并着手在陕西阎良建设5 MW试验平台。中科院工程热物理研究所［29］完成了再压缩及二次回热形式的布雷顿循环发电系统设计，分析比较了不同布置类型的系统效率，开展了兆瓦级sCO2布雷顿循环关键部件的研制工作，相关系统集成示范项目建设正在稳步推进中。

1.4 其它循环类型

目前，包括部分冷却、预压缩等其它循环类型的系统特性主要为理论和数值模拟研究，尚未有试验研究。日本东京工业大学［34］面向核反应堆提出了sCO2部分预先冷却直接循环的模式，采用多级压缩-间冷技术路线，以降低冷却带走的热量来提高效率，功率600 MW，发电效率为45.8%。Carlson等［35］对太阳能作为热源的sCO2闭式布雷顿循环成本和性能进行评估，分析了简单、再压缩、部分冷却和级联等循环模式。研究发现，闭式sCO2简单布雷顿循环发电效率最小，再压缩和部分冷却循环的效率较高。Cardemil等［36］研究了以CO2为工作介质的电力循环中系统最高压力和最高温度等关键运行参数对系统性能的影响，研究发现不同循环布置类型、结构形式、以及不同的热源温度对循环效率会造成影响。

国内部分高校和研究所也已开展了sCO2布雷顿循环相关理论和数值模拟研究工作。西安交通大学郭嘉琪等［37］对透平分流、预压缩再热和部分预冷布雷顿循环进行了热力学研究，分析探讨了压缩机和透平工况等关键运行参数的选取对系统循环效率的影响，研究发现提高透平入口工况可以提高不同类型循环的效率；与压缩机入口温度相比，压缩机入口压力对循环效率的影响更大。西安热工研究院张一帆等［38］对含分流再压缩和一次再热的sCO2布雷顿循环火力发电系统，通过Fortran语言建立数值模型，深入分析了主压缩机进出口压力、分流系数、透平进口温度等关键参数对循环效率的影响，结果表明，主压缩机进出口压力、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。

可以看出，美国、澳大利亚、韩国、日本及我国等国家的研究机构和企业先后开展了sCO2发电技术的研究，已经或正在开发试验原型机和工程化样机，正在向工业示范电站迈进。sCO2布雷顿循环特性试验和模拟研究数量都在不断增多，但是目前试验研究数量仍然有限，已建成的试验装置较少且为小功率模拟机组；数值模拟研究大多集中在少数典型布雷顿循环过程、以及稳定运行工况对循环效率的影响方面，缺乏动态热力学特性研究以及试验验证。国外部分已建成试验装置参数见表1。

表1 已建成试验装置参数比较

2 sCO2布雷顿循环系统布置分类

sCO2布雷顿循环过程可分为单回路循环和分流循环两大类。单回路循环类型中包括简单回热、简单中间预冷、分级膨胀、再热分级膨胀、预压缩、中间回热等布置方式；分流循环类型中包括再压缩、部分预冷、预热循环、中间预冷等布置方式。在压缩机前增加预冷器可以减少所需的压缩功，而在透平做功前增加预热可以增大透平膨胀功，从而提高系统循环效率［39-40］。图8，9分别为典型sCO2布雷顿单回路循环和分流循环布置。

图8 典型sCO2布雷顿单回路循环布置

图9 典型sCO2布雷顿分流循环布置

如图8（a）所示，对于简单回热循环，稍高于临界点的CO2经过压缩机升压后，进入回热器冷侧进行预热，并进入热源进一步加热至工作温度，然后进入透平膨胀做功；做完功的乏气进入回热器热侧，再进入冷却器降至稍高于临界点附近，再进入压缩机即完成整个循环。由于该循环中回热器热侧和冷侧CO2比热容存在不连续性，因此冷侧易于出现“夹点”，导致换热效率下降。简单回热循环在核能、太阳能、工业废热等多个领域都可应用［18］。如图8（b）所示，对于简单中间预冷循环，在简单回热循环基础上，增加了预冷器和压缩机进一步降低所需压缩功，但增加了设备数量和成本。简单中间预冷循环最初设计是为了应用在核能领域［19］。

如图8（c）所示，对于分级膨胀循环，在简单回热循环基础上，在加热器前增加了膨胀做功过程，这增加了系统的膨胀功，同时大幅度降低了透平入口的热应力。如图8（d）所示，对于再热分级膨胀循环，在分级膨胀循环基础上，在第一个透平前增加了一个加热过程。该循环中，外界分两步向系统内输入热量，经过两次加热后，分别进入高压透平和低压透平膨胀做功［41］。

如图8（e）所示，对于预压缩循环，采用低温和高温2个回热器，并在高温回热器热侧出口增加一台压缩机对CO2进行预压缩，该循环克服了压缩过程对透平排气压力的限制。预压缩循环主要应用在核能领域［42］。如图8（f）所示，对于中间回热循环，在简单回热循环基础上增加了升压和回热过程。CO2经过第一个压缩机升压后进入第一个回热器预热，再进入第二个压缩机继续升压后进入第二个回热器进一步预热，预热后进入加热器升温，并经过透平膨胀做功后依次经过两个回热器和一个预冷器降温。该循环增强了热量回收进而提高热效率，主要应用在核能领域［19］。

如图9（a）所示，对于再压缩布雷顿循环，在主压缩机内，一部分CO2流体被压缩至较高压力，并在低温回热器内吸收热量而使温度升至再压缩机的出口温度；与经过再压缩机的CO2汇合后的主流体被高温回热器预热至热源入口温度并进入热源吸收热量，在热源出口达到循环的最高温度后直接进入透平膨胀做功；做功后的高温CO2流体依次经过高温回热器和低温回热器将热量传递给冷流体侧流体并被冷却；冷却后的CO2流体在进入压缩机之前进行分流，一部分经再压缩机直接压缩至高压，另一部分经预冷后进入主压缩机升压形成闭式循环。该循环过程采用的分流压缩方式，相较于再压缩机入口条件，主压缩机内CO2具有更高的密度、更低的温度和可压缩性，从而具有更低的压缩功；同时降低了低温回热器的端部温差和冷却器带走的热量，因此具有较高的系统循环效率［10，30，43］。如图 9（b）所示，对于部分预冷循环，在再压缩循环基础上，在分流之前增加了预冷和增压过程。部分冷却循环的优点是具有更高输出功和系统效率对压力比较低的敏感度。部分预冷循环效率较高，适合应用于核能领域［44］。如图 9（c）所示，对于预热循环，在压缩机增压后进行分流，一部分CO2进入第一个加热器升温后；另一部分CO2进入回热器升温后，再与经第一个加热器升温后的CO2合流，紧接着进入第二个加热器升温，并进入透平做功。预热循环便于加热器的配置，系统效率较低，适合应用于核能领域［19］。如图9（d）所示，对于中间预冷循环，在再压缩循环基础上，在分流之后的主压缩机管线上再增加了预冷和增压过程。中间预冷循环较适合于钠冷快堆应用方面，也可应用在太阳能领域［45］。

表2为sCO2布雷顿循环边界条件。图10示出典型sCO2布雷顿循环系统效率比较。边界条件包括系统最低压力、最高压力、最低温度和最高温度、以及系统效率都来自参考文献。分析发现，对于sCO2布雷顿单回路循环和分流循环布置，压缩机入口压力和温度、透平入口温度等参数对系统效率的影响最大，并影响系统的稳定性；在分流循环布置中，分流系数对系统效率影响较大；再压缩循环具有较高效率，但同时需要更大的回热器换热面积。