舰船动力系统中超临界CO2循环的应用分析

2020-09-01阳绪东潘绍成尹朝强刘文建段永一谭建斌

技术与市场 2020年9期

阳绪东，潘绍成，尹朝强，刘文建，段永一，谭建斌

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川成都 611731)

0 引言

超临界CO2布雷顿循环(sCO2循环)作为近年来热点研究的前沿发电技术，与蒸汽为介质的朗肯循环相比，sCO2循环可以采用更广的热源温度范围，且在这些温度范围内具有更高的循环发电效率。由于sCO2的特殊物性，循环系统设备结构简单紧凑、循环效率高，sCO2循环发电被认为在火力发电、太阳能光热发电、第四代核能发电、余热发电、地热发电等领域具有广阔的应用前景[1]。

当前舰船动力系统主要有蒸汽轮机动力系统、柴油机动力系统、燃气轮机动力系统、核动力系统及综合电力动力系统。蒸汽动力装置因其单位功率重量太大、系统效率不高，20世纪70年代以后世界发达国家均陆续全面转向燃气动力装置和核动力装置，基本放弃了蒸汽动力舰船锅炉的研究规划。以舰船锅炉为热源的sCO2循环动力系统不具备替代蒸汽动力装置的市场前景。船舶柴油机分为高、中、低速机，具有功率范围大、油耗低等特点，在民用小功率船舶及中小型舰船中占据着绝对市场占有率，sCO2循环系统运用在该部分船舶中无经济性优势，基本上决定了无市场应用前景。在大中型舰船中，大功率中速柴油机占有小部分舰船市场份额；质量尺寸小、功率密度大的燃气轮机占舰船市场份额的3/4；核动力在海军的航空母舰及核潜艇中占有特定的少量市场份额。

sCO2具有化学性质稳定等特殊物性，可以作为核电堆芯冷却介质。sCO2循环研究在近20年内再度兴起的源头就是麻省理工学院(MIT)对第四代核电先进动力循环项目的研究。MIT完成了与核反应堆相结合的sCO2循环系统设计、理论热力学与经济性分析、系统设备设计选型及系统控制等工作，研究显示分流再压缩sCO2循环为发电效率最佳的方式[2]。美国海军的诺尔斯实验室2007年也启动了舰船核反应堆应用sCO2循环的研究。柴油机或燃气轮机的排气余热可作为sCO2循环的热源。虽然与核反应堆、太阳能光热相结合采用的分流再压缩sCO2循环效率高，但该方式具有深度回热的特点，不能充分从燃气轮机排气余热中吸收足够的热量，存在排气热损失，不宜用于燃气轮机-sCO2联合循环。Kim等学者对比研究了多种用于燃气轮机底循环的sCO2循环，结果表明，基于简单回热的循环效率比分流再压缩循环效率更高，系统结构简单，更适合作为燃气轮机底循环[3]。美国Echogen公司研发的EPS100是首个兆瓦级的简单sCO2循环系统，主要考虑商业应用于500℃～550℃、65～70 kg/s流量的气体燃烧产物(如燃机排气)的余热回收[4]。

本文根据sCO2循环在舰船动力系统中的市场应用前景，主要分析了舰船核能-sCO2循环系统以及舰船燃气轮机-sCO2联合循环综合电力系统。

1 舰船核能-sCO2循环系统

1.1 分流再压缩sCO2循环系统构成

目前第四代核电的堆芯冷却介质除了氦气、钠以外，sCO2也是其备选介质之一。以核反应堆为热源，sCO2循环采用分流再压缩的方式可以明显提高系统循环效率。由于舰船核动力系统中受空间严格限制的要求，采用sCO2循环可以在最大限度提高循环效率的基础上实现设备紧凑布置，为舰船其他系统争取更大的空间。

分流再压缩的sCO2循环系统设备主要包括作为热源的核反应堆、高/低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩压缩机、涡轮机及发电机。循环系统如图1所示。高温高压的sCO2工质在涡轮机中做功后先后经过高温回热器和低温回热器换热，进行排气余热的再利用，对与核反应堆进行换热前的工质进行预加热。从低温回热器换热降温后的低压工质分为两路，一路经冷却器冷却到临界点参数附近后进入主压缩机，再经低温回热器加热后与再压缩压缩机出口工质汇合；另一路循环工质不采用冷却器冷却直接进入再压缩压缩机加压，减少由于冷却产生的系统热损失，2路工质合并后进入高温回热器中换热升温，然后再与核反应堆加热器进行换热，进一步加热后的高压sCO2工质最后进入涡轮机中做功。sCO2循环系统中的主要设备均采用高速回转的运转方式，透平、发电机采用高速电磁悬浮轴承一体化连接，该方式可以有效减小振动激励和传递引起的噪音，这对于舰船或核潜艇等海军装备来说十分有利[5]。由于sCO2的特殊物性，循环工质在压缩和膨胀过程中呈现出非线性变化，这使得sCO2涡轮机及压缩机的设计和制造成为主要难点之一，需要根据sCO2工作过程中的性能特征深入研究相关设计及制造工艺。sCO2循环中高、低温回热器要求具有结构紧凑、高效可靠和快速换热的能力，传统的换热器结构很难实现上述目标，而采用内部具有微通道结构的印刷电路板换热器(PCHE)可以有效地满足高、低温回热器的换热需求。

图1 舰船核能-分流再压缩sCO2循环系统

1.2 分流再压缩sCO2对系统效率的影响

sCO2循环采用回热方式，以及将压缩机入口工质参数设定在临界点附近偏上来减少压缩做功，这是使循环系统具有高发电效率的2个关键手段。单从减小压缩机的功耗来说，压缩机入口参数越接近超临界点(31.1℃、7.38 MPa)，工质在压缩机中的功耗就越小。但在临界压力附近，冷却器出口温度接近临界温度31.1℃时，微小的sCO2温度变化也会引起较大的焓值变化，为获得最佳的系统效率，冷却器对压缩机入口的温度控制的难度变大。为降低对温度的控制要求，保证系统设备稳定工作，压缩机入口的工质参数应稍高于临界温度及压力31.1℃、7.38 MPa。

参与回热器换热的两端sCO2工质由于比热容的差异，存在“夹点”问题。高压冷端工质的吸热能力强，对于相同的换热量，回热器热端低压工质降低的温度明显大于冷端高压工质升高的温度，说明在进入主加热器前没有对sCO2工质预热升温足够高的温度。而分流再压缩sCO2循环采用高、低温回热器，较好地改善了这一问题，提高循环系统的发电效率。分流系数是表征该循环系统的一个重要参数，该参数的选取决定了进入再压缩压缩机的流量占整个循环工质总流量的比例。同时，该参数直接影响到主压缩机、再压缩压缩机、高低温回热器的工作状态。分流再压缩sCO2循环通过减小吸热能力强的高压冷端工质在低温回热器中的流量，选取合适的分流系数可以使低温回热器冷热两端的温升及温降值相当，再经过高温回热器的换热，进一步预热循环工质到更高的温度。同时，采用分流再压缩循环可以减少系统因冷却器造成的系统热损失，有效提高系统的循环发电效率。

2 舰船燃气轮机-sCO2联合循环综合电力系统

2.1 燃气-sCO2联合循环综合电力系统构成

为充分利用燃气轮机排气的余热，避免由于分流再压缩循环的深度回热造成sCO2循环吸收的余热能量较少，国内外研究者主要采用基于简单回热模式，适当改进优化系统，以达到最佳的余热发电效率。在舰船燃气轮机-sCO2联合循环综合电力系统中，本文主要分析基于2个简单回热sCO2循环作为底循环，并在系统中增加舰船供热或制冷等装置，充分利用燃气轮机排气余热。燃气轮机作为主发电系统的原动机，sCO2循环系统作为辅助发电系统的原动机。系统主要设备为燃气轮机、余热锅炉、回热器、冷却器、高低压压缩机、高低压透平、舰船余热利用装置，发电机、能量管理系统、电动机、动力推进设备及其他用电设备。燃气-sCO2联合循环系统如图2所示。

图2 燃气-sCO2联合循环综合电力系统

系统总体运行过程为：燃气轮机运行发电，产生的高温排气进入余热锅炉，余热锅炉内的加热器加热sCO2循环工质，sCO2循环运行发电，并给舰船余热利用装置提供热量，产生的电能由舰船能量管理分配系统分配给推进系统及其他用电系统。

如图2所示，sCO2循环采用2个简单回热循环嵌套的方式，充分利用余热锅炉中高低温区域热量。从加热器Ⅰ出来的工质经高压透平做功，高压透平排气与低压透平排气汇合为一路，并设置旁路进入舰船余热利用装置，排气主路再分为两路分别进入回热器Ⅰ和回热器Ⅱ，参与回热换热后的工质再分别进入冷却器Ⅰ和冷却器Ⅱ，使压缩机入口工质接近于临界点附近，减少压缩机的压缩功，分别经过高压压缩机和低压压缩机后，经回热器预热后分别进入余热锅炉中的加热器Ⅰ和加热器Ⅱ，形成一个闭环。为使余热锅炉出口烟温温度尽量低，可在2个简单回热循环中合理分配热量，达到最佳的燃机排气余热利用效果。

2.2 船舶综合电力系统

由于sCO2循环属于比较前沿且商业化不高的技术，要使sCO2循环技术在舰船中得到很好应用，须与未来舰船动力的发展方向相结合。有学者认为舰船综合电力系统将是舰船动力的第三次革命。通过舰船综合电力系统不仅可以实现多种能源发电系统的灵活集成，而且还能通过高效的能量管理分配系统实现舰船推进系统及其他辅助设备或高能武器系统的用电需求。舰船采用电力推进系统可以从零到满负荷自由选择转速，实现舰船要求的高操纵性和机动性。

国内外海军对舰船综合电力系统均作了发展规划，以适应未来舰船发展趋势的要求。美国海军海上系统司令部2019年发布了未来30年《海军动力与能源系统技术发展路线图》(NPES-TDR)，要求舰船综合电力系统必须充分集成舰船所有动力能源，使能量分配管理系统适用于电力推进系统、高能武器系统以及其他用电设备。我国综合电力系统的技术发展路线为：在装机容量大、功率密度高的军用舰船中优先采用中压直流方案；在民用船舶中现阶段优先采用低压或中压交流方案。我国舰船综合电力系统自“十二五”以来，构建了世界首个中压直流综合电力系统。

本文根据国内外对于未来舰船动力发展的规划路线，以及最适用于舰船综合电力系统的原动机为燃气轮机，提出了燃气-sCO2联合循环综合电力系统，符合舰船动力未来的发展方向，有很多工作值得深入研究。