國外超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景

晉文超，葛 宋

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)是以超臨界二氧化碳作為布雷頓熱力循環(huán)工質(zhì)來發(fā)電的技術(shù)。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在民用及軍用（尤其是艦船）領(lǐng)域受到極大關(guān)注。

1）效率可超過50%，比最先進(jìn)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)高出25%

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)最引人關(guān)注的特點(diǎn)是有可能大幅提高熱力循環(huán)效率，理論分析指出在接近800 ℃的渦輪入口溫度時(shí)，其熱力循環(huán)效率有可能超過50%，比目前最先進(jìn)的大型蒸汽動(dòng)力裝置的熱效率（略超過40%）高出近25%。蒸汽郎肯循環(huán)效率的平均水平僅在34%左右。

2）裝置體積僅為蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的1/30

由于超臨界二氧化碳的獨(dú)特性質(zhì)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)熱力裝置具有較高的能量密度，渦輪的級(jí)數(shù)可減少，體積顯著縮小。例如，一個(gè)300 MW的超臨界二氧化碳電站的渦輪直徑只有大約1 m，只需要3個(gè)級(jí)，而同等功率的蒸汽系統(tǒng)則需要直徑5 m的渦輪，需要22～30個(gè)葉片組。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可達(dá)到蒸汽系統(tǒng)體積的1/30。

圖1所示為美國麻省理工學(xué)院研究給出的各種熱力循環(huán)中動(dòng)力渦輪的尺寸比較。這種小型化的特點(diǎn)，使超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)在軍艦上應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3）適用于各種不同品質(zhì)熱源

與水蒸氣郎肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳適用的熱源溫度更廣，且在這些溫度范圍內(nèi)均能達(dá)到較高效率，尤其在500 ℃～800 ℃區(qū)間內(nèi)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)為閉式循環(huán)，可使用各種品質(zhì)熱源，包括核反應(yīng)堆、劣質(zhì)的燃油、煤、垃圾焚燒、地?zé)崮堋⑻柲?、工業(yè)廢熱等各種不同溫度的熱源。

4）系統(tǒng)噪聲小

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)一般采用高速渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)速高，以高頻振動(dòng)線譜為主，有利于隔振降噪。此外，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)設(shè)備全部采用高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式，渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)采用高速電磁懸浮軸承一體化連接，有利于減小振動(dòng)激勵(lì)和傳遞。這對(duì)于降噪要求高的應(yīng)用場(chǎng)合（如軍艦）具有十分重要的意義。

5）二氧化碳成本低廉且性質(zhì)穩(wěn)定，降低選材難度

二氧化碳的成本低廉、儲(chǔ)量豐富，是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒的氣體，在中低溫條件下與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而侵蝕的速率較慢，循環(huán)部分的選材范圍相對(duì)較寬。這些都為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的推廣應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究最早可追溯到1948年。一位名叫Sulzer的學(xué)者申請(qǐng)了一個(gè)采用部分冷凝的二氧化碳布雷頓循環(huán)的專利，人們很快意識(shí)到采用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。美國、意大利、蘇聯(lián)等國家在20世紀(jì)60–70年代對(duì)超臨界二氧化碳開展了很多研究，但并未得到實(shí)際應(yīng)用，主要是由于當(dāng)時(shí)的渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)無法滿足要求、缺乏合適的緊湊換熱器等。直到20世紀(jì)90年代，隨著各國對(duì)能源利用的重視以及制造技術(shù)的進(jìn)步，又一次引起了對(duì)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的興趣。但直到2006年，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究還大多停留在理論設(shè)計(jì)階段。近年來，美國、日本、韓國、歐洲等國家都在開展相關(guān)研究，其中美國取得的進(jìn)展最顯著。

1 超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及國外進(jìn)展

1.1 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)包括基礎(chǔ)科學(xué)、設(shè)備設(shè)計(jì)與制造工藝、材料開發(fā)等方面。

1）超臨界二氧化碳的物性、換熱規(guī)律的掌握

超臨界流體的物性具有很獨(dú)特的特點(diǎn)，包括臨界點(diǎn)附近的比熱尖峰、導(dǎo)熱系數(shù)變化、密度變化等，這些既是超臨界流體利用的基礎(chǔ)，也給相應(yīng)的分析帶來了困難。

另一方面，超臨界二氧化碳的獨(dú)特性質(zhì)相應(yīng)地帶來了流動(dòng)和換熱規(guī)律的獨(dú)特性。已有研究顯示，超臨界流體會(huì)出現(xiàn)換熱強(qiáng)化和換熱惡化等現(xiàn)象，但目前對(duì)于這些規(guī)律仍不能很好地掌握。這也給超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用帶來了障礙。

2）超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的精確控制

系統(tǒng)循環(huán)的高效率是建立在冷凝器出口即壓氣機(jī)吸入口（循環(huán)起點(diǎn)）的二氧化碳仍處于超臨界狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)輸出需求發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發(fā)電機(jī)、高速壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速均要做相應(yīng)調(diào)整，需要精確調(diào)節(jié)控制，確保系統(tǒng)仍處于超臨界狀態(tài)以上，才能使系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。超臨界二氧化碳熱物理參數(shù)的強(qiáng)烈非線性特征使得對(duì)超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)控制十分困難，需要開展控制研究。

3）高速超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中最關(guān)鍵的部件是渦輪發(fā)電機(jī)件。渦輪發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性是確保超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的關(guān)鍵，確保渦輪發(fā)電機(jī)高轉(zhuǎn)速是設(shè)備減少體積、降低重量、提高效率的重要途徑。渦輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)過程中，在確保高轉(zhuǎn)速的前提下，既要兼顧高速精密軸承、轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)要充分考慮超臨界二氧化碳工質(zhì)溫度、壓力、密度等參數(shù)，以及發(fā)電機(jī)電磁、溫升等參數(shù)的影響問題。

超臨界二氧化碳渦輪和壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造是利用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的核心問題之一，也是主要難點(diǎn)之一。由于超臨界二氧化碳在壓縮和膨脹過程中物性的強(qiáng)非線性變化，對(duì)渦輪和壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，同時(shí)也考驗(yàn)相關(guān)的制造工藝和工業(yè)基礎(chǔ)。

4）高效緊湊換熱器的設(shè)計(jì)制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)要求有緊湊、高效和可靠的換熱器進(jìn)行快速的熱量交換，傳統(tǒng)的換熱器很難滿足要求。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，印刷電路換熱器的出現(xiàn)給問題的解決帶來了希望。印刷電路板換熱器由薄鋼板組成，內(nèi)部通過刻蝕形成微通道，換熱面積可達(dá)到1 000 m2/m3。這種換熱器非常緊湊，且能承受住高溫和高壓，其制造需要相應(yīng)的制造工藝基礎(chǔ)。

5）耐高溫高壓、耐腐蝕材料的開發(fā)

二氧化碳雖然化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，腐蝕性弱，但由于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)往往用于高溫高壓（如高達(dá)550 ℃，20 MPa）條件，其對(duì)材料的腐蝕仍然難以避免。開發(fā)和測(cè)試符合要求的材料也是關(guān)鍵的因素之一。為實(shí)現(xiàn)高效率，必須提高系統(tǒng)熱力循環(huán)的溫度、壓力，要求超臨界二氧化碳熱力循環(huán)壓力達(dá)15～32 Mpa、溫度達(dá)550 ℃以上。為滿足高溫高壓參數(shù)要求，加熱器、渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的材料都必須具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性的特點(diǎn)，設(shè)備的加工、生產(chǎn)、熱處理、檢驗(yàn)探傷等工藝則需要技術(shù)突破。

1.2 國外超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目及發(fā)展現(xiàn)狀

1)美國

①按從小功率到大功率，分階段推進(jìn)的路線實(shí)施

按規(guī)劃，美國超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線按階段可分為：基礎(chǔ)測(cè)試→概念開發(fā)→kW級(jí)小型系統(tǒng)與部件測(cè)試→10 MW級(jí)電站演示驗(yàn)證與大部件研發(fā)→10 MW以上大型系統(tǒng)測(cè)試與商業(yè)化應(yīng)用等階段。綜合來看，其總體發(fā)展思路是通過實(shí)驗(yàn)室小功率系統(tǒng)解決基本技術(shù)問題，再通過各分部件的可擴(kuò)展性分析，逐步推廣到大功率商業(yè)化系統(tǒng)。

為推動(dòng)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，早期R&D經(jīng)費(fèi)主要由美國能源部及軍方的海軍核動(dòng)力辦公室投資，開展基礎(chǔ)的概念開發(fā)和探索工作；當(dāng)達(dá)到一定成熟度后（TRL 4～6），由政府和工業(yè)部門聯(lián)合出資開展相關(guān)研發(fā)和試驗(yàn)演示工作；當(dāng)技術(shù)成熟度達(dá)到7級(jí)時(shí)，商業(yè)投資增加，完全由工業(yè)部門開展相關(guān)研發(fā)工作。

②目前美國已基本完成實(shí)驗(yàn)室小型樣機(jī)測(cè)試，進(jìn)入到10 MW級(jí)系統(tǒng)演示驗(yàn)證階段，2020年技術(shù)成熟度將超過7級(jí)

在美國海軍和能源部的支持下，美國在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室搭建了超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電小型試驗(yàn)臺(tái)，如諾爾斯實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、Echogen公司等，對(duì)不同系統(tǒng)布置形式的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和分析，并積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

美國海軍核動(dòng)力推進(jìn)辦公室NR（Nuclear Reactor）下屬的諾爾斯實(shí)驗(yàn)室從2007年啟動(dòng)將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用到海軍反應(yīng)堆的研究。諾爾斯實(shí)驗(yàn)室搭建的綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)采用簡(jiǎn)單再熱閉式布雷頓循環(huán)，功率為100 kW，采用2個(gè)渦輪（一個(gè)動(dòng)力渦輪直接發(fā)電，一個(gè)渦輪-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)組件發(fā)電的同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)）。

近年來，美國能源部在力推超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)，其主要發(fā)展策略是以國家投資為牽引的同時(shí)，吸引工業(yè)部門加入。眾多研究力量和工業(yè)部門參與其中，取得了顯著突破?？紤]的應(yīng)用對(duì)象以核反應(yīng)堆為主，太陽能、工業(yè)余熱等也在研究之中。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室超臨界二氧化碳再回?zé)衢]式布雷頓循環(huán)試驗(yàn)樣機(jī)布置如圖2所示，該系統(tǒng)功率250 kW，包括2個(gè)TAC組件、2個(gè)印刷回路換熱器（功率分別為2.3 MW和1.7 MW）。該系統(tǒng)在2015年完成測(cè)試。

按美國能源部的規(guī)劃，在2020左右年完成10 MW級(jí)超臨界二氧化碳再壓縮閉式布雷頓循環(huán)（RCBC）發(fā)電系統(tǒng)的演示驗(yàn)證，技術(shù)成熟度超過7級(jí)，具備商業(yè)推廣條件。為此，2016年美國能源部授出價(jià)值8千萬美元的合同，開展10 MW的超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電系統(tǒng)示范性工程。同時(shí)，在10 MW系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索將10 MW級(jí)擴(kuò)展到300 MW的技術(shù)，廣泛開展系統(tǒng)的可擴(kuò)展性研究，分析了不同功率下系統(tǒng)組件的適用方案。據(jù)美國媒體報(bào)道，美國有望在2035年左右實(shí)現(xiàn)在1 000 MW級(jí)大型超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電核電站的商業(yè)應(yīng)用。

2）其他國家

日本、韓國等國家也在開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研究。如京都應(yīng)用能源學(xué)院搭建了一個(gè)小型試驗(yàn)臺(tái)用于研究小尺度渦輪機(jī)械并評(píng)估循環(huán)性能。東京技術(shù)學(xué)院搭建了一個(gè)超臨界二氧化碳腐蝕測(cè)試回路。韓國科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究院（KAIST）搭建了一個(gè)帶低壓縮比壓縮機(jī)的試驗(yàn)回路開展超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)性能試驗(yàn)。韓國原子能研究院和韓國能源研究院也開展了相關(guān)測(cè)試。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的民用及艦用前景

1）未來20年內(nèi)將在大型核電站上應(yīng)用

目前國外超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究以核反應(yīng)堆為主要應(yīng)用對(duì)象，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)除了效率高、體積小等優(yōu)勢(shì)外，在安全性上與二回路采用蒸汽系統(tǒng)相比有了極大的改善。根據(jù)美國能源部的研究規(guī)劃及相關(guān)進(jìn)展，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在大型核電站得到運(yùn)用將有可能在未來20年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

2）可將太陽能發(fā)電效率提高8%，增強(qiáng)太陽能發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)力

美國能源部認(rèn)為，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用可達(dá)到降低太陽能發(fā)電成本的目的。據(jù)分析，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可幫助提高8%左右的太陽能光熱式發(fā)電效率。美國能源部計(jì)劃通過超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究的實(shí)施，以推動(dòng)使太陽能光熱發(fā)電成本大幅降低，提高太陽能光熱發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力。

3）提高傳統(tǒng)化石能源的利用效率

煤炭、垃圾、生物質(zhì)等均以燃燒的方式提供熱量。對(duì)于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用，以煤炭為例，國際能源署（IEA）在《21世紀(jì)的煤炭》報(bào)告中總結(jié)了4種未來煤炭利用技術(shù)，這些技術(shù)可能代表著煤炭利用的重大進(jìn)步，閉式布雷頓循環(huán)即是其中之一。

4）在工業(yè)廢熱利用中有望得到推廣

盡管工業(yè)廢熱是一種低品位的能源，但其儲(chǔ)藏巨大，即便是其中一小部分得到回收利用，也是一個(gè)可觀的量。工業(yè)廢熱熱源溫度通常降低，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在相對(duì)較低的溫度下仍適用，且系統(tǒng)體積小，有利于安裝。

5）在船舶和核動(dòng)力潛艇上的應(yīng)用具有突出的優(yōu)勢(shì)

早在20世紀(jì)70年代就有人提出將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用到船舶上，并指出燃料利用效率有望提高超過25%。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率高、體積小、噪聲小等特點(diǎn)，使其在燃料成本高、空間狹小的船舶上應(yīng)用相比蒸汽系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于采用核動(dòng)力與蒸汽系統(tǒng)的船舶和潛艇。

3 我國發(fā)展超臨界二氧化碳循環(huán)動(dòng)力技術(shù)的初步建議

1）加強(qiáng)超臨界二氧化碳流體特性的基礎(chǔ)研究

基礎(chǔ)研究是技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用依賴于對(duì)超臨界二氧化碳流體基本物性的變化規(guī)律、通道內(nèi)（尤其是換熱器中的微通道內(nèi)）的流動(dòng)和換熱規(guī)律的掌握。同時(shí)，可靠的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真可有效輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，降低成本，也是基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。加強(qiáng)這些方面的基礎(chǔ)研究有助于推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

2）加大對(duì)制造技術(shù)和材料研發(fā)領(lǐng)域的投入

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、動(dòng)力渦輪、印刷電路換熱器涉及的精密制造技術(shù)和工藝正是我國制造工業(yè)的短板，同時(shí)高溫耐腐蝕材料的開發(fā)也存在很大的技術(shù)難度。因此，我國推動(dòng)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究和應(yīng)用不僅僅取決于對(duì)這樣技術(shù)本身的投入，還將依賴我國制造工業(yè)和材料技術(shù)的整體進(jìn)步。

3）通過政府主導(dǎo)、軍民融合等方式引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)既涉及基礎(chǔ)研究，也對(duì)制造技術(shù)和工藝水平提出了很高的要求，要實(shí)現(xiàn)在軍、民領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期的過程，發(fā)展初期需要政府投入和有效引導(dǎo)，分階段實(shí)施。

[1]DOSTAL, V DRISCOLL, M J, et al.A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear reactors, MIT-ANPTR-100, 2004, 3.

[2]ANGELINO G.Carbon dioxide condensation cycles for power production[J].Journal of Engineering for Power-T.ASME,1968(7): 287-295.

[3]SOUTHALL D, DEWSON S J.Innovative compact heat exchanger[C]// In Proceedings of ICAPP 2010, San Diego, CA,2010(6): 13–17.

[4]JAPIKSE D.Centrifugal compressor design and performance,Concepts ETI Inc.1996.

[5]WRIGHT S A, FULLER R, et al, Supercritical CO2brayton cycle compression and control near the critical point[C]//Proceedings of International Congress on Advances in Nuclear Power Plants, Anaheim, California, 2008(6): 8–12.