S-CO2 布雷顿循环发电技术发展

戴全春，袁 鹏

（1. 海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 200031； 2. 海军装备部驻西安地区军事代表局，西安 710054）

0 引言

超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿发电技术，是以S-CO2 作为布雷顿热力循环的工质，通过膨胀做功而发电。图1 是简单一次回热式布雷顿循环示意图，由于该技术具有诸多优点，在民用及军用领域获得了极大关注。本文从其技术特征、发展现状和发展探索等进行综述。如图2 所示。

1 技术特征

S-CO2布雷顿发电技术的具体特征如下：

1）热功效率高。S-CO2布雷顿循环的主要特征是全程为闭式运行、工质在全循环过程中无相变；相比于其他循环，首先在理论上可大幅提高热循环效率，据国内外相关资料分析，在透平入 口温度为700 ℃时，其热功循环效率接近50%；在入口温度接近800 ℃的透平入口温度时，热功循环效率可达58%，远高于同等温度条件下的朗顿循环。

2）体征大幅缩小。由于循环工质的独特性质，S-CO2布雷顿循环动力装置具有较高的能量密度和运行转速，因此装置体积与朗顿循环相比较可大幅缩小。据估算1 台300 MW 的S-CO2布雷顿电站的涡轮直径约1 m，3 个涡轮级，而同等功率的蒸汽动力涡轮直径需要5 m，高达22 个～30 个涡轮组，二者在体积比约为1/20，重量比约为1/30，体征显著缩小。图2 为美国麻省理工给出的2 种热力循环动力涡轮的形态比较[1]。

2012 年世界首个MW 级的商用S-CO2发电机组EPS100（见图3）建于美国纽约，同样采用双轴带回热的闭式布雷顿循环系统，利用燃气轮机、内燃机或其他余热实现S-CO2循环发电。该装置发电功率为7.5 MW，入口废气温度532℃，流量68 kg/s，输入功率33.3 MW，整个循环模块54 t，发电模块52 t。目前，该机组已经完成测试，获得数据证实了MW 级S-CO2发电机组的技术可行性，而且在偏离设计工况下的关键部件的性能与数值模型预测值一致，再次证明了MW 级S-CO2发电技术已被掌握。NREL（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）提出以EPS100 系统为基础的SunShot（见图4）试验计划[3]。该计划于2017 年9 月建立了使用太阳能的10 MW等级S-CO2闭式再压缩布雷顿循环系统，其中包括EPS100 和700 ℃热源，以及其他匹配和适应性改进部分。

德国海军于2011 年开展了用于潜艇中的S-CO2动力循环系统研发，并建立了集二氧化碳捕集、回收、储能、发电于一体的舰艇用CO2综合利用系统。韩国先进科学技术研究所建立了小型S-CO2布雷顿循环实验系统，输出功率为10 kW，透平进口温度为500 ℃，压缩机和透平转速为70 000 r/min，压缩机进口压力7.91 MPa，入口温度接近临界点，设计效率较高。

图3 EPS100 发电系统实物图

图4 美SunShot 计划中多级压缩扩展型

日本东京工业大学完成了用于核反应堆的S-CO2循环系统设计，采用了多级压缩中间冷却技术，额定功率为600 MW，涡轮机入口温度为920 K，反应堆出口运行压力约为7 MPa，系统效率为45.8%[4]。捷克核技术大学研究所搭建了500 kW 的S-CO2循环实验系统，温度最高至650 ℃，可进行不同类型的测试，如材料和腐蚀、传热、组件测试等。

我国也开展了S-CO2布雷顿循环发电技术的相关研究，但整体来讲，无论从基础还是系统整体相对于美国来说是相对滞后的。中科院工程热物所在2018 年9 月完成了我国首座大型S-CO2压缩机实验平台建设，该系统为单机测试系统，尚未形成闭式循环。主要用于S-CO2压缩机性能测试、开展S-CO2流体压缩特性基础实验，以及扩展到高速转子、高速轴承、工质密封等专项测试。华能西安热工院正在建设5 MW 级S-CO2发电实验平台，它们的目标是实现600 MW 级以上的大型火力发电，作为我国未来火力发电系统升级改造的工程方案，其具体参数为透平进口压力为20 MPa，温度为600℃，目前尚未开展系统集成。成都核动力研究院开展了MW 级S-CO2动力试验装置研究，并取得相当成果。西安交通大学在S-CO2热物性、换热、涡轮机械、控制方案等方面具有相当深厚的研究基础。

总体来看，美国在S-CO2布雷顿发电技术领域具有最高的技术成熟度，目前已有示范电站实现运行，其建成的多套试验系统也证明了其技术方案的可行性和先进性。综合情报资料显示，美国已将该技术应用于舰船动力领域。他们的发展思路是，选择功率从小到位大顺序，按实施规划分阶段推进，其阶段划分为“基础测试→概念开发→千瓦级小型系统与部件测试→10 MW 级电站演示验证与大部件研发→10 MW以上大型系统测试与商业化应用等阶段[3]。”主要经费由美国能源部和海军联合投资，诺尔斯实验室、桑迪亚国家实验室、Echogen 公司等搭建了多个S-CO2循环发电试验平台，经过十多年的努力，近期将完成10 MW级船用发电系统的演示验证，根据相关报道分析，在弗吉尼亚级试验艇测试后的发电系统，其技术成熟度可超过7 级。同时在最近完成的10 MW的S-CO2布雷顿发电示范性电站基础上，正在扩展到300 MW 的技术，分析不同功率下电站系统组件的技术特性，深入开展系统的可扩展性适用方案研究。据报道分析，美国期望在2035 年左右实现在1 000 MW 级大型超临界二氧化碳循环发电的商业应用。

对搅拌头偏置铝合金板试件和偏置镁合金板试件焊缝进行XRD检测分析，结果表明焊缝中除了Mg、Al单相外还存在镁/铝金属间化合物，主要包括Mg2Al3和Mg17Al12。结合镁/铝合金相图可知，铝/镁元素比例满足共晶相成分比例，温度在450℃左右时，易出现Mg2Al3共晶组织；温度在437℃左右时，易出现Mg17Al12共晶产物，而铝/镁异种金属搅拌摩擦焊焊接温度也恰好在这一温度区间，因而出现Mg2Al3和Mg17Al12金属间化合物。铝/镁金属间化合物的产生还可能与铝/镁材料粘塑性搅和时原子的扩散有关。

3 关键技术

S-CO2布雷顿发电的关键技术主要包括基础理论研究、基础材料应用研究、配套设备工程技术开发、系统集成等几个方面。

1）系统多目标耦合优化。S-CO2在跨临界区的热物性参数呈现非线性剧烈变化，目前国内参照的大多是美国人提供的推算插值表，具体工程中使用误差较大，严重影响系统参数准确配置和关键部件设计。因此研究跨临界区CO2物性参数随压力、温度的变化规律，研发跨临界区CO2物性参数的高精度推算技术，是研究S-CO2布雷顿发电技术的基础理论性关键。

2）高速高能量密度S-CO2涡轮机组研发。透平和压缩机是S-CO2布雷顿循环中的关键部件。透平内部能量密度大、气动和温度载荷高；高效压缩机的入口条件极近S-CO2临界点，物性变化巨烈等。因此按照系统整体性能适配，通过热力设计、气动仿真优化、有限元与动力学分析等多种优化方法，建立成套S-CO2涡轮机组的热力、气动、强度、振动设计方法，获得高效、宽稳态、高适应性的优化方案，使其设计便捷、快速、规范，适应多工况快速响应。同样S-CO2涡轮机组的流场和强度，对制造工艺和材料有着非常苛刻的要求。

3）高效超紧凑换热器件研发。换热部件是影响S-CO2布雷顿循环效率的关键设备，系统对其有紧凑、高效、可靠等综合要求，传统换热器件已不能满足。目前国外使用的是印刷电路换热器，它由不锈钢板组成，内部通过刻蚀和特种工艺形成微通道，这种换热器非常紧凑，且能承受住高温和高压。当前国内对此研究已取得相当理论和实物成果，小型实验装置可达到2 000 m2/m3水平，形成初步的制造工艺基础。

4）高速电机系统研发。高速电机系统由高速发电机、并网变流器组成。电机转速高达数万转，它将透平机械能转化为电能，并网变流器通过整流和逆变进行并网；研发低噪声的高速电机电磁和转子结构，需要开发高效并网变流器、高速高鲁棒性无传感控制和低噪声算法，设计高精度、低噪的高速轴承及设备冷却等。

5）辅助器件与材料研究。S-CO2工质特点决定了该循环回路密封结构与材料有其特殊要求，尤其在高温高压状态，为工程增加了实施难度；透平机用高温、高压、高速、高载荷轴承选型有待进一步实践验证，运行回路尤其是动部件的密封将会是难题之一；循环工质尽管化学性质稳定，腐蚀性弱，但由于回路长时间工作在高温高压环境下，加之局部部件高载荷条件，对其材料选用将十分苛刻，国外已在使用NiMoV 基合金材料取得了实用性技术成果。

6）全工况精确控制技术。S-CO2布雷顿循环的高效率是建立全运行回路工质无相变，和压缩机入口CO2处于超近临界状态，在保证前述条件的前提下，当需要出现工况变化时，整个循环系统和部件运行参均要适时做出相应调整，外部实施干预和精确调节是必须的，尽管计算机辅助控制技术已相当成熟，但需要多次仿真拟合，才能使系统控制方案达到最优。S-CO2动力装置有别于朗肯循环和燃气轮机的循环，可借鉴的成熟经验和试验数据较少，研究难度极大。因此，需要开展稳定运行与变工况下动态特性及控制策略研究，获得丰富的试验数据和系统运行规律，界定安全稳定工作区域，提出最优的控制策略，实现在满足超温、超速、喘振等安全裕度情况下机组的快速响应。

4 应用前景

S-CO2布雷顿循环发电其固有技术特点，与目前工业科技基础密切结合，可以预测不久将来会广泛应用于各型发电领域。

1）首先会在低品质热源发电领域推广。低品质热源主要指是工业余热和低温地热，尽管这些热源的品位较低，但自然界中储量巨大，其中一小部分得到利用，对人类也是一个非常可观的存量，环保意义非凡。低品位热源通常指那些温度低于300 ℃各类热能，但S-CO2布雷顿循环在此温度仍能有效适用，且装置体积小，便于安装。

与太阳能热结合可提升电站运行效益。2015年美国能源部授予西南研究院（SwRI）适用于光热发电的高效S-CO2循环项目，该项研究有助于实现6 美分/千瓦时的光热电成本SunShot 计划，整体系统建造成本在1 200 美元/千瓦以下，预计这套光热发电S-CO2动力系统转化效率可接近50%。2018 年开工建设的10 MW 示范电站，于今年上半年建成投入运行，并正在开展100 MW级光热电站技术拓展。

3）改善化石能源的发电效率。国际能源署（IEA）在《21 世纪的煤炭》报告中总结了4 种未来煤炭利用技术，S-CO2布雷顿循环发电技术位列其中。中国华能已将该技术做为国内存量燃煤热电厂后期升级改造技术储备。据测算100 MW级S-CO2发电技术可使传统化石燃料发电的电站的运行效率提高2%～4%，相当于每年减少1 400 万辆汽车的二氧化碳排放量。S-CO2布雷顿循环发电不仅可提升效率，而且由于采用闭式工质循环，可使火电厂节省大量水资源。

4）与核堆热源是绝佳匹配。S-CO2布雷顿发电采用闭式热功循环，这决定了它与核堆热源结合具有得天独厚的优势。目前国外相关的研究也主要以核堆为应用对象，包括各种金属堆和熔盐堆等，它可以使电站一回路与二回路间热交换大大简化，占用空间大幅缩减。除效率高、体积小等优势外，与二回路采用蒸汽系统相比在安全性上有极大的改善。韩国已对KALIMER-600 示范快堆电站开展建造；美国麻省理工学院提出了反应堆额定热功率为2 400 MW 的再压缩S-CO2发电总体方案，热效率可达51%，净效率为47%。根据美国能源部的研究规划和相关进展，20 年内再压缩S-CO2布雷顿循环在大型核电站二回路中得运用将成为现实。

5）军事应用优势突出。首先是因为S-CO2布雷顿循环效率、体积、噪声等特点，人们自然会考虑应用到舰船、潜艇和兵器装备上，使其在同等燃料量前提下，航行更远、噪声更低、运行更安全，另外利用其余热发电还可在大型水面舰艇上进行热特征信号消噪功能；其次小型核堆与S-CO2布雷顿循环系统结合，组成移动电站用于宇航、航空、岛礁、洞库、特定移动战场等军用场合成为现实；再者是用于水中兵器动力装置，由于S-CO2布雷顿是闭式循环，潜航深度对动力运行效率几乎没有影响，这对热动力水中兵器是梦寐以求的目标。其实随着S-CO2布雷顿循环设备技术成熟和小型化，它的军事用途还将更加广泛。

5 建议

S-CO2布雷顿循环动力在我国是一种全新的的工程领域，尽管有着现代控制、新型材料等基础科技支撑，但要实现与工程有效对接尚需做大量研究工作。

1）加强基础理论研究。S-CO2流体特性研究是布雷顿发电工程技术开发和应用的基础。在S-CO2布雷顿循环系统中各主要部件和系统控制设计中，对S-CO2流体基本物性规律的认知与掌握将直接影响压缩机和透平机内流道及换热器微通道参数匹配。另外，利用计算机开展系统仿真分析和辅助设计，能够大幅度降低技术开发成本。基础理论研究会强有力助推S-CO2布雷顿发电技术的研发。

2）加大基础技术研究。S-CO2布雷顿发电工程涉及重多机电学科基础技术，如压缩机、动力涡轮、高紧凑高效换热器会涉及精密制造技术、特种工艺和材料，所需要的大载荷高速轴承、动载机械的隔热与密封、耐高温高压腐蚀材料等特种器材和材料，均是我国制造工业的短板；S-CO2布雷顿循环计算机控制和辅助设计在我国当前也是一个全新领域。因此要推动我国S-CO2布雷顿循环发电技术的研究和应用，需要系统总成技术与配套基础技术并行投入，否则无法协调发展。

3）引导工程应用开发。对于该项新技术，需要特殊应用场景和特定用户积极引导，支持开展预先技术研究和演示验证工程，通过开展从单机到系统、从小功率到大功率，从特定场景到普遍规律，逐步技术拓展和工程积累，再进而应用推广。

4）期待国家产业政策。S-CO2布雷顿循环发电技术，是未来核能、化石、太阳热等能源电站技术升级必由之路，希望获得国家产业政策支持和引导，期待通过政府指导、技术引入、军民融合等方式推动其发展。同时通过S-CO2布雷顿循环系统发电技术发展牵引，进而促进我国基础工业、制造技术和工艺水平的提升。

6 结论

作为一种优势明显的新型的能源动力输出结构形式，S-CO2布雷顿循环发电技术已从理论上证实了其技术路径的可行性，有望成为“明日之星”，引领未来动力行业的发展。但从现有的工程实现能力看，由于受到工业技术基础、加工制造能力等因素的制约，其原理样机的试制验证乃至长远的工程化应用中，还需要克服一系列的技术困难，需要科技创新和产业升级的进一步扶持聚焦。