S-CO2 布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展

戴全春，袁 鵬

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200031； 2. 海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，西安 710054）

0 引言

超臨界二氧化碳（S-CO2）布雷頓發(fā)電技術(shù)，是以S-CO2 作為布雷頓熱力循環(huán)的工質(zhì)，通過膨脹做功而發(fā)電。圖1 是簡單一次回?zé)崾讲祭最D循環(huán)示意圖，由于該技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在民用及軍用領(lǐng)域獲得了極大關(guān)注。本文從其技術(shù)特征、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展探索等進(jìn)行綜述。如圖2 所示。

1 技術(shù)特征

S-CO2布雷頓發(fā)電技術(shù)的具體特征如下：

1）熱功效率高。S-CO2布雷頓循環(huán)的主要特征是全程為閉式運(yùn)行、工質(zhì)在全循環(huán)過程中無相變；相比于其他循環(huán)，首先在理論上可大幅提高熱循環(huán)效率，據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料分析，在透平入 口溫度為700 ℃時，其熱功循環(huán)效率接近50%；在入口溫度接近800 ℃的透平入口溫度時，熱功循環(huán)效率可達(dá)58%，遠(yuǎn)高于同等溫度條件下的朗頓循環(huán)。

2）體征大幅縮小。由于循環(huán)工質(zhì)的獨(dú)特性質(zhì)，S-CO2布雷頓循環(huán)動力裝置具有較高的能量密度和運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因此裝置體積與朗頓循環(huán)相比較可大幅縮小。據(jù)估算1 臺300 MW 的S-CO2布雷頓電站的渦輪直徑約1 m，3 個渦輪級，而同等功率的蒸汽動力渦輪直徑需要5 m，高達(dá)22 個～30 個渦輪組，二者在體積比約為1/20，重量比約為1/30，體征顯著縮小。圖2 為美國麻省理工給出的2 種熱力循環(huán)動力渦輪的形態(tài)比較[1]。

2012 年世界首個MW 級的商用S-CO2發(fā)電機(jī)組EPS100（見圖3）建于美國紐約，同樣采用雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，利用燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)或其他余熱實(shí)現(xiàn)S-CO2循環(huán)發(fā)電。該裝置發(fā)電功率為7.5 MW，入口廢氣溫度532℃，流量68 kg/s，輸入功率33.3 MW，整個循環(huán)模塊54 t，發(fā)電模塊52 t。目前，該機(jī)組已經(jīng)完成測試，獲得數(shù)據(jù)證實(shí)了MW 級S-CO2發(fā)電機(jī)組的技術(shù)可行性，而且在偏離設(shè)計工況下的關(guān)鍵部件的性能與數(shù)值模型預(yù)測值一致，再次證明了MW 級S-CO2發(fā)電技術(shù)已被掌握。NREL（美國能源部能源效率及可再生能源辦公室下屬的國家試驗(yàn)室）提出以EPS100 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的SunShot（見圖4）試驗(yàn)計劃[3]。該計劃于2017 年9 月建立了使用太陽能的10 MW等級S-CO2閉式再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其中包括EPS100 和700 ℃熱源，以及其他匹配和適應(yīng)性改進(jìn)部分。

德國海軍于2011 年開展了用于潛艇中的S-CO2動力循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)，并建立了集二氧化碳捕集、回收、儲能、發(fā)電于一體的艦艇用CO2綜合利用系統(tǒng)。韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所建立了小型S-CO2布雷頓循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，輸出功率為10 kW，透平進(jìn)口溫度為500 ℃，壓縮機(jī)和透平轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力7.91 MPa，入口溫度接近臨界點(diǎn)，設(shè)計效率較高。

圖3 EPS100 發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物圖

圖4 美SunShot 計劃中多級壓縮擴(kuò)展型

日本東京工業(yè)大學(xué)完成了用于核反應(yīng)堆的S-CO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，采用了多級壓縮中間冷卻技術(shù)，額定功率為600 MW，渦輪機(jī)入口溫度為920 K，反應(yīng)堆出口運(yùn)行壓力約為7 MPa，系統(tǒng)效率為45.8%[4]。捷克核技術(shù)大學(xué)研究所搭建了500 kW 的S-CO2循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，溫度最高至650 ℃，可進(jìn)行不同類型的測試，如材料和腐蝕、傳熱、組件測試等。

我國也開展了S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的相關(guān)研究，但整體來講，無論從基礎(chǔ)還是系統(tǒng)整體相對于美國來說是相對滯后的。中科院工程熱物所在2018 年9 月完成了我國首座大型S-CO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)，該系統(tǒng)為單機(jī)測試系統(tǒng)，尚未形成閉式循環(huán)。主要用于S-CO2壓縮機(jī)性能測試、開展S-CO2流體壓縮特性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以及擴(kuò)展到高速轉(zhuǎn)子、高速軸承、工質(zhì)密封等專項(xiàng)測試。華能西安熱工院正在建設(shè)5 MW 級S-CO2發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺，它們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)600 MW 級以上的大型火力發(fā)電，作為我國未來火力發(fā)電系統(tǒng)升級改造的工程方案，其具體參數(shù)為透平進(jìn)口壓力為20 MPa，溫度為600℃，目前尚未開展系統(tǒng)集成。成都核動力研究院開展了MW 級S-CO2動力試驗(yàn)裝置研究，并取得相當(dāng)成果。西安交通大學(xué)在S-CO2熱物性、換熱、渦輪機(jī)械、控制方案等方面具有相當(dāng)深厚的研究基礎(chǔ)。

總體來看，美國在S-CO2布雷頓發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域具有最高的技術(shù)成熟度，目前已有示范電站實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，其建成的多套試驗(yàn)系統(tǒng)也證明了其技術(shù)方案的可行性和先進(jìn)性。綜合情報資料顯示，美國已將該技術(shù)應(yīng)用于艦船動力領(lǐng)域。他們的發(fā)展思路是，選擇功率從小到位大順序，按實(shí)施規(guī)劃分階段推進(jìn)，其階段劃分為“基礎(chǔ)測試→概念開發(fā)→千瓦級小型系統(tǒng)與部件測試→10 MW 級電站演示驗(yàn)證與大部件研發(fā)→10 MW以上大型系統(tǒng)測試與商業(yè)化應(yīng)用等階段[3]?！敝饕?jīng)費(fèi)由美國能源部和海軍聯(lián)合投資，諾爾斯實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、Echogen 公司等搭建了多個S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)平臺，經(jīng)過十多年的努力，近期將完成10 MW級船用發(fā)電系統(tǒng)的演示驗(yàn)證，根據(jù)相關(guān)報道分析，在弗吉尼亞級試驗(yàn)艇測試后的發(fā)電系統(tǒng)，其技術(shù)成熟度可超過7 級。同時在最近完成的10 MW的S-CO2布雷頓發(fā)電示范性電站基礎(chǔ)上，正在擴(kuò)展到300 MW 的技術(shù)，分析不同功率下電站系統(tǒng)組件的技術(shù)特性，深入開展系統(tǒng)的可擴(kuò)展性適用方案研究。據(jù)報道分析，美國期望在2035 年左右實(shí)現(xiàn)在1 000 MW 級大型超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電的商業(yè)應(yīng)用。

對攪拌頭偏置鋁合金板試件和偏置鎂合金板試件焊縫進(jìn)行XRD檢測分析，結(jié)果表明焊縫中除了Mg、Al單相外還存在鎂/鋁金屬間化合物，主要包括Mg2Al3和Mg17Al12。結(jié)合鎂/鋁合金相圖可知，鋁/鎂元素比例滿足共晶相成分比例，溫度在450℃左右時，易出現(xiàn)Mg2Al3共晶組織；溫度在437℃左右時，易出現(xiàn)Mg17Al12共晶產(chǎn)物，而鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊焊接溫度也恰好在這一溫度區(qū)間，因而出現(xiàn)Mg2Al3和Mg17Al12金屬間化合物。鋁/鎂金屬間化合物的產(chǎn)生還可能與鋁/鎂材料粘塑性攪和時原子的擴(kuò)散有關(guān)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

S-CO2布雷頓發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括基礎(chǔ)理論研究、基礎(chǔ)材料應(yīng)用研究、配套設(shè)備工程技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)集成等幾個方面。

1）系統(tǒng)多目標(biāo)耦合優(yōu)化。S-CO2在跨臨界區(qū)的熱物性參數(shù)呈現(xiàn)非線性劇烈變化，目前國內(nèi)參照的大多是美國人提供的推算插值表，具體工程中使用誤差較大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)參數(shù)準(zhǔn)確配置和關(guān)鍵部件設(shè)計。因此研究跨臨界區(qū)CO2物性參數(shù)隨壓力、溫度的變化規(guī)律，研發(fā)跨臨界區(qū)CO2物性參數(shù)的高精度推算技術(shù)，是研究S-CO2布雷頓發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)理論性關(guān)鍵。

2）高速高能量密度S-CO2渦輪機(jī)組研發(fā)。透平和壓縮機(jī)是S-CO2布雷頓循環(huán)中的關(guān)鍵部件。透平內(nèi)部能量密度大、氣動和溫度載荷高；高效壓縮機(jī)的入口條件極近S-CO2臨界點(diǎn)，物性變化巨烈等。因此按照系統(tǒng)整體性能適配，通過熱力設(shè)計、氣動仿真優(yōu)化、有限元與動力學(xué)分析等多種優(yōu)化方法，建立成套S-CO2渦輪機(jī)組的熱力、氣動、強(qiáng)度、振動設(shè)計方法，獲得高效、寬穩(wěn)態(tài)、高適應(yīng)性的優(yōu)化方案，使其設(shè)計便捷、快速、規(guī)范，適應(yīng)多工況快速響應(yīng)。同樣S-CO2渦輪機(jī)組的流場和強(qiáng)度，對制造工藝和材料有著非常苛刻的要求。

3）高效超緊湊換熱器件研發(fā)。換熱部件是影響S-CO2布雷頓循環(huán)效率的關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)對其有緊湊、高效、可靠等綜合要求，傳統(tǒng)換熱器件已不能滿足。目前國外使用的是印刷電路換熱器，它由不銹鋼板組成，內(nèi)部通過刻蝕和特種工藝形成微通道，這種換熱器非常緊湊，且能承受住高溫和高壓。當(dāng)前國內(nèi)對此研究已取得相當(dāng)理論和實(shí)物成果，小型實(shí)驗(yàn)裝置可達(dá)到2 000 m2/m3水平，形成初步的制造工藝基礎(chǔ)。

4）高速電機(jī)系統(tǒng)研發(fā)。高速電機(jī)系統(tǒng)由高速發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)變流器組成。電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)，它將透平機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并網(wǎng)變流器通過整流和逆變進(jìn)行并網(wǎng)；研發(fā)低噪聲的高速電機(jī)電磁和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，需要開發(fā)高效并網(wǎng)變流器、高速高魯棒性無傳感控制和低噪聲算法，設(shè)計高精度、低噪的高速軸承及設(shè)備冷卻等。

5）輔助器件與材料研究。S-CO2工質(zhì)特點(diǎn)決定了該循環(huán)回路密封結(jié)構(gòu)與材料有其特殊要求，尤其在高溫高壓狀態(tài)，為工程增加了實(shí)施難度；透平機(jī)用高溫、高壓、高速、高載荷軸承選型有待進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證，運(yùn)行回路尤其是動部件的密封將會是難題之一；循環(huán)工質(zhì)盡管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，腐蝕性弱，但由于回路長時間工作在高溫高壓環(huán)境下，加之局部部件高載荷條件，對其材料選用將十分苛刻，國外已在使用NiMoV 基合金材料取得了實(shí)用性技術(shù)成果。

6）全工況精確控制技術(shù)。S-CO2布雷頓循環(huán)的高效率是建立全運(yùn)行回路工質(zhì)無相變，和壓縮機(jī)入口CO2處于超近臨界狀態(tài)，在保證前述條件的前提下，當(dāng)需要出現(xiàn)工況變化時，整個循環(huán)系統(tǒng)和部件運(yùn)行參均要適時做出相應(yīng)調(diào)整，外部實(shí)施干預(yù)和精確調(diào)節(jié)是必須的，盡管計算機(jī)輔助控制技術(shù)已相當(dāng)成熟，但需要多次仿真擬合，才能使系統(tǒng)控制方案達(dá)到最優(yōu)。S-CO2動力裝置有別于朗肯循環(huán)和燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)，可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，研究難度極大。因此，需要開展穩(wěn)定運(yùn)行與變工況下動態(tài)特性及控制策略研究，獲得豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，界定安全穩(wěn)定工作區(qū)域，提出最優(yōu)的控制策略，實(shí)現(xiàn)在滿足超溫、超速、喘振等安全裕度情況下機(jī)組的快速響應(yīng)。

4 應(yīng)用前景

S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電其固有技術(shù)特點(diǎn)，與目前工業(yè)科技基礎(chǔ)密切結(jié)合，可以預(yù)測不久將來會廣泛應(yīng)用于各型發(fā)電領(lǐng)域。

1）首先會在低品質(zhì)熱源發(fā)電領(lǐng)域推廣。低品質(zhì)熱源主要指是工業(yè)余熱和低溫地?zé)?，盡管這些熱源的品位較低，但自然界中儲量巨大，其中一小部分得到利用，對人類也是一個非?？捎^的存量，環(huán)保意義非凡。低品位熱源通常指那些溫度低于300 ℃各類熱能，但S-CO2布雷頓循環(huán)在此溫度仍能有效適用，且裝置體積小，便于安裝。

與太陽能熱結(jié)合可提升電站運(yùn)行效益。2015年美國能源部授予西南研究院（SwRI）適用于光熱發(fā)電的高效S-CO2循環(huán)項(xiàng)目，該項(xiàng)研究有助于實(shí)現(xiàn)6 美分/千瓦時的光熱電成本SunShot 計劃，整體系統(tǒng)建造成本在1 200 美元/千瓦以下，預(yù)計這套光熱發(fā)電S-CO2動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率可接近50%。2018 年開工建設(shè)的10 MW 示范電站，于今年上半年建成投入運(yùn)行，并正在開展100 MW級光熱電站技術(shù)拓展。

3）改善化石能源的發(fā)電效率。國際能源署（IEA）在《21 世紀(jì)的煤炭》報告中總結(jié)了4 種未來煤炭利用技術(shù)，S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)位列其中。中國華能已將該技術(shù)做為國內(nèi)存量燃煤熱電廠后期升級改造技術(shù)儲備。據(jù)測算100 MW級S-CO2發(fā)電技術(shù)可使傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電的電站的運(yùn)行效率提高2%～4%，相當(dāng)于每年減少1 400 萬輛汽車的二氧化碳排放量。S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電不僅可提升效率，而且由于采用閉式工質(zhì)循環(huán)，可使火電廠節(jié)省大量水資源。

4）與核堆熱源是絕佳匹配。S-CO2布雷頓發(fā)電采用閉式熱功循環(huán)，這決定了它與核堆熱源結(jié)合具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。目前國外相關(guān)的研究也主要以核堆為應(yīng)用對象，包括各種金屬堆和熔鹽堆等，它可以使電站一回路與二回路間熱交換大大簡化，占用空間大幅縮減。除效率高、體積小等優(yōu)勢外，與二回路采用蒸汽系統(tǒng)相比在安全性上有極大的改善。韓國已對KALIMER-600 示范快堆電站開展建造；美國麻省理工學(xué)院提出了反應(yīng)堆額定熱功率為2 400 MW 的再壓縮S-CO2發(fā)電總體方案，熱效率可達(dá)51%，凈效率為47%。根據(jù)美國能源部的研究規(guī)劃和相關(guān)進(jìn)展，20 年內(nèi)再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)在大型核電站二回路中得運(yùn)用將成為現(xiàn)實(shí)。

5）軍事應(yīng)用優(yōu)勢突出。首先是因?yàn)镾-CO2布雷頓循環(huán)效率、體積、噪聲等特點(diǎn)，人們自然會考慮應(yīng)用到艦船、潛艇和兵器裝備上，使其在同等燃料量前提下，航行更遠(yuǎn)、噪聲更低、運(yùn)行更安全，另外利用其余熱發(fā)電還可在大型水面艦艇上進(jìn)行熱特征信號消噪功能；其次小型核堆與S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合，組成移動電站用于宇航、航空、島礁、洞庫、特定移動戰(zhàn)場等軍用場合成為現(xiàn)實(shí)；再者是用于水中兵器動力裝置，由于S-CO2布雷頓是閉式循環(huán)，潛航深度對動力運(yùn)行效率幾乎沒有影響，這對熱動力水中兵器是夢寐以求的目標(biāo)。其實(shí)隨著S-CO2布雷頓循環(huán)設(shè)備技術(shù)成熟和小型化，它的軍事用途還將更加廣泛。

5 建議

S-CO2布雷頓循環(huán)動力在我國是一種全新的的工程領(lǐng)域，盡管有著現(xiàn)代控制、新型材料等基礎(chǔ)科技支撐，但要實(shí)現(xiàn)與工程有效對接尚需做大量研究工作。

1）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究。S-CO2流體特性研究是布雷頓發(fā)電工程技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。在S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中各主要部件和系統(tǒng)控制設(shè)計中，對S-CO2流體基本物性規(guī)律的認(rèn)知與掌握將直接影響壓縮機(jī)和透平機(jī)內(nèi)流道及換熱器微通道參數(shù)匹配。另外，利用計算機(jī)開展系統(tǒng)仿真分析和輔助設(shè)計，能夠大幅度降低技術(shù)開發(fā)成本?；A(chǔ)理論研究會強(qiáng)有力助推S-CO2布雷頓發(fā)電技術(shù)的研發(fā)。

2）加大基礎(chǔ)技術(shù)研究。S-CO2布雷頓發(fā)電工程涉及重多機(jī)電學(xué)科基礎(chǔ)技術(shù)，如壓縮機(jī)、動力渦輪、高緊湊高效換熱器會涉及精密制造技術(shù)、特種工藝和材料，所需要的大載荷高速軸承、動載機(jī)械的隔熱與密封、耐高溫高壓腐蝕材料等特種器材和材料，均是我國制造工業(yè)的短板；S-CO2布雷頓循環(huán)計算機(jī)控制和輔助設(shè)計在我國當(dāng)前也是一個全新領(lǐng)域。因此要推動我國S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用，需要系統(tǒng)總成技術(shù)與配套基礎(chǔ)技術(shù)并行投入，否則無法協(xié)調(diào)發(fā)展。

3）引導(dǎo)工程應(yīng)用開發(fā)。對于該項(xiàng)新技術(shù)，需要特殊應(yīng)用場景和特定用戶積極引導(dǎo)，支持開展預(yù)先技術(shù)研究和演示驗(yàn)證工程，通過開展從單機(jī)到系統(tǒng)、從小功率到大功率，從特定場景到普遍規(guī)律，逐步技術(shù)拓展和工程積累，再進(jìn)而應(yīng)用推廣。

4）期待國家產(chǎn)業(yè)政策。S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)，是未來核能、化石、太陽熱等能源電站技術(shù)升級必由之路，希望獲得國家產(chǎn)業(yè)政策支持和引導(dǎo)，期待通過政府指導(dǎo)、技術(shù)引入、軍民融合等方式推動其發(fā)展。同時通過S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)恳?，進(jìn)而促進(jìn)我國基礎(chǔ)工業(yè)、制造技術(shù)和工藝水平的提升。

6 結(jié)論

作為一種優(yōu)勢明顯的新型的能源動力輸出結(jié)構(gòu)形式，S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)已從理論上證實(shí)了其技術(shù)路徑的可行性，有望成為“明日之星”，引領(lǐng)未來動力行業(yè)的發(fā)展。但從現(xiàn)有的工程實(shí)現(xiàn)能力看，由于受到工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)、加工制造能力等因素的制約，其原理樣機(jī)的試制驗(yàn)證乃至長遠(yuǎn)的工程化應(yīng)用中，還需要克服一系列的技術(shù)困難，需要科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的進(jìn)一步扶持聚焦。