超临界二氧化碳布雷顿循环研究进展

纪宇轩， 邢凯翔， 岑可法， 倪明江， 肖 刚

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室， 杭州 310027)

超临界二氧化碳(S-CO2)具有临界参数低(31.1 ℃/7.38 MPa)、功率密度大、传热性能好、无毒稳定和廉价易得等显著优势，是一种优质的能量传输和动力转换工质。超临界二氧化碳布雷顿循环是近年来国内外广泛关注的动力循环形式，其基本结构如图1所示，包括热源、涡轮机组(透平和压缩机)、回热器及冷却器等部分。

与现有蒸汽朗肯循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环具备以下优势：

(1) 循环效率较高。当热源温度高于550 ℃时，超临界二氧化碳布雷顿循环的热功效率可以超过45%[1]，高于现有蒸汽朗肯循环技术；当热源温度达到700 ℃时，循环效率能达到50%[2]，突破现有效率瓶颈。

图1 超临界二氧化碳布雷顿循环示意图

(2) 压缩耗功少。超临界二氧化碳具有液态量级的密度，这使得其在布雷顿循环压缩过程中耗功大大减少，只占涡轮输出功的30%，低于氦气布雷顿循环和燃气轮机压缩耗功的占比。

(3) 系统体积小，且结构紧凑。超临界二氧化碳密度大、黏度小、能量密度高，使得循环系统的涡轮和压缩机等关键部件的尺寸显著减小，在相同发电功率下，超临界二氧化碳和水蒸气所需的涡轮机组体积之比约为1∶20[2]，整个系统体积减小、结构紧凑。

(4) 降本潜力大。系统设备体积减小，材料成本大大降低。二氧化碳的腐蚀性较小，系统维护成本降低，设备使用寿命延长，提高了系统的经济性。据测算，超临界二氧化碳布雷顿循环用于火力发电时，成本约为0.173元/(kW·h)，低于600 ℃超超临界机组发电成本；超临界二氧化碳布雷顿循环用于聚光太阳能热发电(CSP)时，成本约为0.414元/(kW·h)[3]。

目前，超临界二氧化碳布雷顿循环技术尚不成熟，主要设备部件的设计制造存在难度，循环系统构建和运行缺乏经验。笔者从关键部件和循环系统的角度总结了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环相关研究进展，分析现存理论难点和技术瓶颈，为超临界二氧化碳布雷顿循环技术的发展提供指导。

1 热源

超临界二氧化碳布雷顿循环可与多种形式的热源相结合，包括化石能源、核能和太阳能等，二氧化碳本身既作为做功介质，又可以直接参与吸热，从而满足不同热源环境的需求，大大增加了循环系统的灵活性。

1.1 化石能源

化石燃料作为超临界二氧化碳布雷顿循环的热源时，根据加热形式的不同，可以分为间接加热循环和直接加热循环2种。间接加热循环将现有锅炉机组与超临界二氧化碳布雷顿循环相结合，将传统的水工质改为超临界二氧化碳，工质直接吸收炉内燃烧热，升温至所需透平入口温度。直接加热循环又叫Allam循环，是将化石燃料与氧气在二氧化碳气氛中燃烧，得到的二氧化碳与水的混合工质直接进行布雷顿循环，其中高温高压的工作环境、燃料的燃烧充分度及二氧化碳的纯度等条件使燃烧室的设计及制造面临巨大的挑战。

Iwai等[4]成功制造了以天然气为热源的超临界二氧化碳燃烧室并对其性能进行了测试，该燃烧室采用单旋流器结构，利用三乙基铝-三乙基硼烷(TEA/TEB)作为引火剂，在1～2 MPa压力时点火，最终使二氧化碳参数达到30 MPa/1 150 ℃，经过长期测试，该燃烧室在大范围当量比情况下具有较好的燃烧性能。Abdul-Sater等[5]利用煤气化气作为热源，设计和模拟了5 MW级燃烧室，其中燃烧器工作压力为30 MPa，温度为1 150 ℃。Xu等[6]发现将超临界二氧化碳布雷顿循环应用于燃煤电厂时，对于相同容量的电站规模，工质为二氧化碳时的流量是水蒸气流量的7～9倍，导致锅炉压降过大，烟气能量利用较为困难，因此提出了分流策略，将锅炉单级受热面内的流量和流程减半，压降降至总流量下的1/8，锅炉排烟温度降低，能量利用更加完全。郑开云等[7]对再压缩和部分冷却循环与燃煤锅炉的集成技术进行了研究，发现部分冷却循环吸热温区较大，且显著减少了工质流量，从而降低了锅炉压降损失。

1.2 核能

核能也可作为超临界二氧化碳布雷顿循环的热源。目前，钠冷快堆(SFR)是第四代核系统中工程经验最为丰富的堆型，超临界二氧化碳布雷顿循环中不存在水，不会出现剧烈的钠水反应，从而可降低系统风险，是第四代反应堆理想的能量转化系统。核反应堆与超临界二氧化碳布雷顿循环结合的关键设备为钠与超临界二氧化碳热交换器，现阶段推荐形式为印刷电路板式换热器(PCHE)。

中国原子能科学研究院长期从事钠冷快堆研究，结果表明在PCHE中钠与超临界二氧化碳两侧的压力差容易造成换热通道破损，导致钠与二氧化碳的直接接触，当温度较高时两者会发生反应，生成CO、Na2CO3和C等物质，造成堵塞[8]，最终这些物质会被高压二氧化碳推入钠中。另外，钠冷快堆与超临界二氧化碳布雷顿循环结合中的一个热点问题为钠与二氧化碳反应的温度，研究者普遍认为两者在250 ℃以下反应微弱，但反应爆发的温度尚未达到一致结论。Simon等[9]认为钠与二氧化碳快速反应的爆发温度为500 ℃，而Eoh等[10]则认为该温度为460 ℃，这方面的研究方法和相关结果尚未获得学术界的共识，有待开展系统的研究。

1.3 太阳能

聚光太阳能热发电与超临界二氧化碳布雷顿循环结合是太阳能光热技术发展的重要方向。太阳光能量传递给二氧化碳的形式，可分为直接式吸热和间接式吸热2种。

直接式吸热在超临界二氧化碳吸热器中完成。目前，国内外的研究集中于不同类型吸热器的结构设计和吸热特性分析[11-14]，但由于运行温度和压力高，吸热器材料热应力较大，研究主要采用数值模拟的方法，实验测试分析较少。

间接式吸热通过熔盐或高温颗粒等中间介质将太阳能传递给二氧化碳。目前，熔盐吸热器已实现商业化，但现有熔盐由于自身分解温度条件限制，难以实现600 ℃以上高温条件下的吸热和换热。Jiang等[15]综述了现有太阳能颗粒吸热器和换热器的研究进展，指出颗粒吸热器能够耐受较高的温度，对光斑不均匀性具有较好的承受能力，且颗粒自身稳定性和吸光特性较好，方便与储热结合，是目前太阳能聚光集热的研究热点。

目前，超临界二氧化碳布雷顿循环与多种热源相结合的研究大多停留在理论设计方面，缺乏完整系统的试验平台和示范项目。美国Sandia国家实验室、浙江大学和中国科学院电工研究所等单位都在开发塔式太阳能颗粒吸热器与超临界二氧化碳动力循环试验系统，有望在近期获得更多的试验数据，支撑该技术的进一步发展。

2 涡轮机组

涡轮机组包括透平和压缩机设备，是超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的关键部件，对循环效率具有显著影响，进而直接影响电站的发电效率。超临界二氧化碳的密度、黏度和比热容等热物性质与传统水工质不同，且在透平和压缩机工作的参数范围内变化更加显著，因此在超临界二氧化碳透平和压缩机设计和研究过程中会面临许多新的问题，如透平内部能量密度大、气动和温度载荷高；压缩机的入口处工质状态位于超临界点附近，物性变化剧烈[3]等。要保证布雷顿循环系统的整体效率，涡轮机组的选型和设计优化显得尤为重要。

2.1 透平

超临界二氧化碳透平具有入口温度高、转速高和体积小等显著特点，对材料特性、加工精度、气动特性及冷却密封等方面的要求较高。

可以根据比转速(Ns)来选取合适的透平。一般而言，当Ns值低于0.3或高于0.8时，可以使用轴流式透平；向心透平Ns值通常设计在0.3～0.8。向心透平的涡轮结构紧凑，在小流量设计工况下可以获得较高效率，所以其在小流量、高转速超临界二氧化碳布雷顿循环中占据主导地位。Uusitalo等[16]研究了透平比转速对超临界二氧化碳向心透平转速、几何形状、效率和损耗分布的影响，结果表明比转速和二氧化碳质量流量会严重影响向心透平的几何形状和损耗分布，具有最高等熵效率的透平对应的比转速范围为0.5～0.6。Lv等[17]结合一维设计方法和顺序二次规划(SQP)优化算法对超临界二氧化碳动力循环中的向心透平进行设计优化，计算结果与实验结果、CFD模拟结果吻合较好。该方法可以确定关键设计参数的最佳集合，包括在多个几何形状和空气动力学约束下的速度比、反作用力、半径比和转子出口处的叶片角等参数。

2.2 压缩机

超临界二氧化碳压缩机入口处参数接近临界点，工质物性随热力参数变化而剧烈波动，极易对压缩机运行造成影响，这也使得超临界二氧化碳压缩机设计成为难点问题。

对于50 MW以内的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，离心式压缩机具有较宽的稳定工作范围。Liu等[18]的研究表明相对于轴流式压缩机，离心式压缩机由于结构简单、效率高，更适用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统。美国Sandia国家实验室最早搭建了超临界二氧化碳离心式压缩机实验平台，并对其设计的超临界二氧化碳离心式压缩机进行了实验研究，证明了在近临界点进行超临界二氧化碳压缩的可行性[19]。近年来，国内高校和科研机构对超临界二氧化碳离心式压缩机的研究主要集中于离心式压缩机的热力设计和流动分析等[20]。2018年，中国科学院工程热物理研究所在国内率先开展超临界二氧化碳离心式压缩机实验研究，并自主设计搭建了国内首座兆瓦级离心式压缩机实验平台。Tang等[21]提出了基于模拟退火算法的超临界二氧化碳压缩机的优化设计方法，研究表明在设计条件下减小叶片数量和叶片入口角，同时增大现有压缩机叶片出口角能够提高压缩机效率，并通过该方法将压缩机的等熵效率从82.26%提高到87.72%。

目前，对于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中透平和压缩机的研究，大多是基于模型和算法的优化设计工作，而实验测试方面的研究相对较少，各种模型缺少有效的实验数据验证，对涡轮设备的运行调控等也缺乏经验。

3 回热器

由于超临界二氧化碳的热物性随温度压力变化明显，且循环系统的工质流量远大于蒸汽朗肯循环[22]，使得循环系统回热量巨大。二氧化碳循环具有较高的效率，很大程度上依赖于循环系统中大量的回热利用。因此，回热器成为影响循环性能的重要部件。

PCHE被认为是超临界二氧化碳布雷顿循环中回热器的优选形式，其具有比表面积大、换热性能好、体积尺寸小和结构紧凑等特点，并能够耐受较高的温度、压力，相比于传统的管壳式换热器具有明显优势。国内外学者通过实验测试和模拟优化的方法，对PCHE内部流道进行了设计和优化，其主要目标为增强PCHE的换热性能，同时尽可能降低内部微通道造成的压降损失。目前，主要的几种通道结构包括Z型、S型和翼型。

Nikitin等[23]在东京工业大学搭建的超临界二氧化碳循环实验回路上研究了Z型结构的PCHE的换热和压降特性，测得总体传热系数范围在300～650 W/(m2·K)。Tsuzuki等[24]建立了S型流道的PCHE数值模型，发现S型结构流道具备与Z型结构流道相同的热力性能，并且其压降损失可以降到传统Z型结构流道的1/5。Ngo等[25]通过实验研究了以二氧化碳为工质的Z型和S型结构流道的PCHE的热力水力特性，发现相比于传统的管壳式换热器，这2种PCHE的换热性能都比较优异，Z型结构流道的PCHE的努塞尔数比S型结构流道高24%～34%，但相同雷诺数条件下其压降损失也比S型结构流道高4～5倍。

Kim等[26]建立了三维的超临界二氧化碳的Z型结构流道的PCHE模型，模拟得到的出口温度和压力与Ishizuka等[27]的实验结果很吻合。另外，他们还提出了一种翼型肋片的结构，能够在保证换热性能的前提下，使压降损失降到Z型结构流道的1/12。Chen等[28]通过数值模拟对比了4种NACA 00XX系列的翼型结构PCHE的性能，并分析了翼型剖面对流动和换热的影响，发现在保持较好换热性能的前提下，翼型结构能够显著降低压降损失。

现阶段有关PCHE回热器的研究主要存在以下不足：一是研究的参数范围相对较低，未能完全满足二氧化碳动力循环系统中的要求，雷诺数也不够高，多停留在层流和过度湍流范围内；二是实验中PCHE结构相对简单，主要是直通道和Z型结构流道的测试样板或样机，还缺乏其他优化的复杂结构实验数据；三是研究所得的PCHE换热与压降的关联式都具有一定的特殊性，未形成系统的、广泛适用的结果；四是PCHE在实际循环系统中的瞬态响应和动态特性研究还相对较少。

4 冷却器

在超临界二氧化碳布雷顿循环的后端，超临界态的二氧化碳经冷却器冷却至临界点附近，再送入压缩机中升压。虽然该过程中二氧化碳始终处于超临界态，但实际上其物性在冷却器中经历了1个复杂的变化过程：二氧化碳在临界点以上被冷却，密度接近液态，这样在压缩机中的压缩过程就会类似于液体在泵中的升压，从而减少了压缩耗功。因此，冷却器的性能是影响压缩机稳定运行的1个关键因素，对循环效率的影响也至关重要。

根据冷却原理，超临界二氧化碳循环的冷却器通常可分为干式冷却器和湿式冷却器。

4.1 干式冷却器

干式冷却是使用空气作为冷却介质的冷却方式。由于超临界二氧化碳循环在干冷条件下即可表现出优异的性能[29]，因此研究者对干式冷却开展了较多研究。

干式冷却可分为直接干冷和间接干冷，二者区别在于间接干冷使用水作为中间换热介质。Dai等[30]的研究结果表明在相同的空气温度下，直接干冷系统的冷却性能相比间接干冷系统更具优势，且其环境空气温度越低，优势越明显，表明直接干冷系统更适合于小型化超临界二氧化碳布雷顿循环。

在核能发电领域，通常核电站的选址会考虑淡水资源或海水资源丰富的地区，采用干式冷却会显著增加投资成本。但Conboy等[31]的分析表明，采用干冷的超临界二氧化碳布雷顿循环的成本将显著低于干冷式蒸汽循环，甚至其成本与轻水堆的湿式冷却塔成本相当。这意味着使用超临界二氧化碳布雷顿循环的核电站将大大降低冷却水的使用量，减少核事故堆芯冷却对水源的核污染。Moisseytsev等[32]对采用模块化翅片管干式冷却器的超临界二氧化碳循环AFR-100型钠冷快堆进行了动态控制分析优化，结果表明通过优化比例积分微分(PID)参数，能够很好地实现干冷条件下的负荷跟踪，从实验角度验证了干式冷却在超临界二氧化碳循环中的适用性。

在聚光太阳能热发电领域，丰富的光热资源通常存在于干燥缺水地区，此时干式冷却是最合理的选择。Ehsan等[33]对应用于塔式聚光太阳能超临界二氧化碳循环的干式冷却研究进行了总结，并对干式冷却塔(以下简称干冷塔)进行了较为详细的建模分析。干冷塔基于循环最优运行工况进行设计，当其偏离设计工况时，采用极值寻优控制、混合冷却和辐射冷却等方式即可提高循环效率，为干冷塔的设计和操作运行提供了参考。

关于干冷换热器的形式，Moisseytsev等[34]考虑将PCHE应用于干式冷却器的可能，但PCHE的小通道尺寸要求冷却介质的压降要维持在合理的范围，而空气介质在PCHE中则存在压降过高的问题。

4.2 湿式冷却器

对湿式冷却的研究主要集中在探究PCHE应用于湿冷换热器中的可能性。Cheng等[35]采用100 kW级的Z型结构流道PCHE模块，探究了在二氧化碳和水不同入口温度及雷诺数下PCHE的换热性能，结果表明降低水的入口温度、增大水的入口雷诺数或减小二氧化碳的入口雷诺数均可提升PCHE的换热有效度。Park等[36]对3 kW级直线型PCHE冷却器进行了研究，针对跨临界、近临界和远临界3种工况，采用改进的离散方法计算PCHE换热过程中的努塞尔数，相比传统的进出口焓值平均的数据处理方法，该方法获得了更合理的努塞尔数计算结果，为后续湿式PCHE冷却器的设计提供了参考。

5 循环系统

超临界二氧化碳布雷顿循环系统的研究方法主要包括模拟优化和实验示范。其中，模拟优化研究内容又包括结构优化、循环耦合及参数优化等。

结构优化方面，模拟研究已得到广泛的开展，其中超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环被认为是结构相对简单、效率极高的最优选择。Chacartegui等[37]研究了超临界二氧化碳简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环，发现随着热端温度升高，再压缩循环效率优势相比简单循环更加显著。Pérez-Pichel等[38]分析了各种超临界二氧化碳布雷顿循环在核电站钠冷快堆中的应用，发现相比于其他复杂的循环结构，再压缩布雷顿循环的效率最高，且有良好的经济效益。Turchi等[39]分析了简单循环、再压缩循环和部分冷却循环的效率差异，发现再压缩循环和部分冷却循环的效率较高，而部分冷却循环的效率优势在热源温度高于850 ℃时才较为明显。

循环耦合方面，超临界二氧化碳布雷顿循环既能作为顶循环又能作为底循环，与多种不同类型的循环结构耦合可实现较高的能量利用效率。当作为顶循环时，由于超临界二氧化碳布雷顿循环的透平出口温度高，具有较大的余热利用潜力，与常见的有机朗肯循环[40]、二氧化碳朗肯循环[41]和吸收制冷循环[42]等底循环均可耦合；当作为底循环时，超临界二氧化碳布雷顿循环热源温度通常在500～800 ℃，且在550 ℃以上存在明显的效率优势，可与高温燃料电池[43]、燃气轮机循环等更高温度的循环结合。这些循环耦合研究往往针对特定的工作场景进行设计，以求达到最高效率。

参数优化方面，针对不同规模的循环系统，研究响应的最优运行参数。主要研究的优化对象为再压缩布雷顿循环结构，从循环系统的压力、压比、分流比和冷端温度等参数出发，优化得到循环效率最优的运行参数。Reyes-Belmonte等[44]对光热发电系统中的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环进行了优化，结果表明优化后净循环效率可以达到50%。Park等[45]对小型核反应堆中超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环的参数进行优化，分析了压比和分流比对循环效率的影响，并优化了涡轮和回热器，结果表明翼型结构PCHE的循环效率相比于Z型结构流道PCHE提高了1%。张一帆等[46]的对火力发电系统中超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环建立数学模型并分析了关键参数的影响，发现存在最优的压缩机出、入口压力和分流系数的耦合关系，使得系统的循环效率最高。

实验示范方面，美国政府先后开展“SunShot”计划和“Gen Ⅲ”项目，已经投入数亿美元开展超临界二氧化碳循环技术在光热发电领域的研究。此外，韩国、日本、中国以及欧盟地区都在加大超临界二氧化碳循环研究的投入，但完整的布雷顿循环示范系统仍然较少，全球主要的示范系统情况见表1。

虽然循环的稳态模拟优化研究已较为丰富，但是循环的动态模拟优化研究却相对较少，尤其是压缩机、回热器等部件对参数变化十分敏感，稳态模拟优化往往采用了固定效率的部件模型，无法真实反馈温度、压力、流量和负荷等参数变化对系统部件的影响，依旧缺乏基于动态模型的研究。而在示范系统的启动、停止和控制方面，目前的技术经验仍然不足，需要更多的示范系统来进行深入的研究和探索。

6 结论与展望

作为一种新兴的动力循环技术，超临界二氧化碳布雷顿循环表现出显著的优势和巨大的发展潜力。笔者从关键部件和循环系统的角度综述了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环在热源设备、动力设备、回热设备、冷却设备以及设计优化等方面的研究进展，分析了超临界二氧化碳关键部件的实验测试结果与系统示范。目前，超临界二氧化碳布雷顿循环面临主要设备缺乏设计制造经验、计算模型缺乏实验验证、系统循环运行与动态特性缺乏经验等诸多技术挑战。建议未来关注和研究的方向如下：

表1 现有超临界二氧化碳布雷顿循环示范系统

(1) 动力设备方面，涡轮透平和压缩机现有研究多集中在100～300 kW等级，建议今后根据工程实际要求，建设10～50 MW等级的透平和压缩机测试平台，获取更准确的实验数据，进一步指导设备的优化设计和加工制造。

(2) 换热设备方面，包括热源换热器、回热器和冷却器等，需要在现有模拟和实验基础上，掌握完善的超临界二氧化碳传热特性，并结合工程实际开展百兆瓦等级系统中大型化设备的设计制造及测试工作。

(3) 循环系统方面，亟需构建与多种热源形式结合的超临界二氧化碳布雷顿循环系统试验示范系统：对于化石能源，可基于现有火力发电机组，构建300 MW以上等级示范系统；对于核能，可通过改造或建设10～50 MW等级示范系统；对于太阳能光热，可结合现有聚光系统，搭建50～200 MW等级示范系统。获取循环系统中各个关键部件的运行特性及循环效率等关键参数，探索循环系统启停机、变工况运行等瞬态控制策略及方法，为未来超临界二氧化碳布雷顿循环系统的广泛应用积累经验。