超臨界CO2閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)特性試驗(yàn)與模擬研究綜述

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

化石能源的不可再生性以及大量使用對(duì)地球環(huán)境造成了極大威脅，提高能源利用率進(jìn)而減少環(huán)境污染是可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)。為了提高能源利用率，先后出現(xiàn)了朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)等能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。超臨界CO2（sCO2）布雷頓循環(huán)技術(shù)相較于應(yīng)用較多的蒸汽朗肯循環(huán)和氦氣布雷頓循環(huán)，在同等條件下（壓力8～20 MPa和溫度450～650 ℃）下具有更高的熱效率和介質(zhì)密度，減小了壓縮機(jī)、換熱器和透平的尺寸，使系統(tǒng)更加緊湊而易于模塊化建設(shè)［1］。因此sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)是未來核能、太陽能、工業(yè)廢熱、地?zé)崮?、火電等能源綜合利用的重要發(fā)展方向［2］，是一二十年內(nèi)有可能帶來發(fā)電變革的一項(xiàng)前沿技術(shù)。

sCO2布雷頓循環(huán)研究始于20世紀(jì)40年代。在 20 世紀(jì) 60-70 年代，Angelino 和 Feher［3-5］對(duì)sCO2布雷頓循環(huán)理論基礎(chǔ)和一系列可能的循環(huán)系統(tǒng)配置進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，并取得了階段性研究成果；之后主要由于透平機(jī)械、緊湊式熱交換器制造技術(shù)不成熟而使得該方面研究幾乎停滯。直至21世紀(jì)初，sCO2布雷頓循環(huán)的研究才再度興起。2004年，Dostal［6-7］首次總結(jié)了Angelino和Feher的熱動(dòng)力學(xué)和技術(shù)方面的前期工作，并提出新的循環(huán)系統(tǒng)配置，開啟了sCO2布雷頓循環(huán)技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備的研究熱潮。近年來，國外在sCO2布雷頓循環(huán)領(lǐng)域已經(jīng)開展了應(yīng)用于電力等行業(yè)的理論分析、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，國內(nèi)雖然對(duì)于sCO2布雷頓循環(huán)技術(shù)的認(rèn)識(shí)起步不久，但已引起相關(guān)行業(yè)的密切關(guān)注。

本文主要介紹了sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)特性的研究現(xiàn)狀、系統(tǒng)配置分類及其應(yīng)用領(lǐng)域，簡述了典型配置sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)特性理論分析與數(shù)值模擬研究進(jìn)展；并針對(duì)sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)工況優(yōu)化方案的選擇與系統(tǒng)循環(huán)特性研究方向，提出了建議。

1 sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)特性研究現(xiàn)狀

由于sCO2物性的復(fù)雜性，特別是在近臨界區(qū)和跨臨界處，CO2熱力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)非線性變化，這使sCO2流體流動(dòng)和換熱規(guī)律具有特殊性，系統(tǒng)運(yùn)行工況將不斷處于動(dòng)態(tài)變化過程中。對(duì)于不同配置的循環(huán)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況會(huì)有很大區(qū)別。sCO2布雷頓循環(huán)效率主要取決于系統(tǒng)布置類型、循環(huán)運(yùn)行工況以及關(guān)鍵部件性能三個(gè)方面。因此，sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)特性研究主要集中在循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)、不同系統(tǒng)布置和構(gòu)造形式對(duì)系統(tǒng)性能的影響方面；在此基礎(chǔ)上，開展對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)性能優(yōu)化、系統(tǒng)安全和穩(wěn)定性能分析研究。下面對(duì)不同循環(huán)布置類型的sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬進(jìn)行介紹。

1.1 簡單循環(huán)及單獨(dú)測(cè)試件循環(huán)

對(duì)于sCO2簡單布雷頓循環(huán)工藝流程，稍高于臨界點(diǎn)的CO2經(jīng)過壓縮機(jī)升壓后，進(jìn)入加熱器進(jìn)一步加熱到工作溫度，然后進(jìn)入透平膨脹做功；做完功的乏氣進(jìn)入預(yù)冷器冷卻降至稍高于臨界點(diǎn)附近，再進(jìn)入壓縮機(jī)即完成整個(gè)循環(huán)。單獨(dú)測(cè)試件循環(huán)布置包括壓縮機(jī)、回?zé)崞鞯炔考y(cè)試。

針對(duì)先進(jìn)核反應(yīng)堆、太陽能等能源領(lǐng)域，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室SNL［8-10］依托美國能源部第四代計(jì)劃，2008年建立了一套包括主壓縮機(jī)、廢熱氣體冷卻器及減壓閥的單獨(dú)壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)（如圖1（a）），主要用于測(cè)量主壓縮機(jī)的運(yùn)行性能；在此基礎(chǔ)上增加了加熱器和透平，組成簡單循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1（b））。韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）［11］搭建了一套低壓縮比的sCO2布雷頓簡單循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，用于測(cè)試壓縮機(jī)性能，計(jì)劃在此簡單循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)（如圖2）。

圖1 SNL建立的sCO2單獨(dú)主壓縮機(jī)和簡單循環(huán)系統(tǒng)

圖2 韓國KAIST建立的簡單循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 簡單回?zé)嵫h(huán)

對(duì)于sCO2簡單回?zé)岵祭最D循環(huán)工藝流程，通過在簡單布雷頓循環(huán)工藝流程基礎(chǔ)上增加一個(gè)回?zé)崞鳎猛钙阶龉蟮姆鉄崃繉?duì)進(jìn)入加熱器前的CO2進(jìn)行預(yù)加熱。相較于簡單布雷頓循環(huán)過程，降低了壓縮機(jī)的壓縮功和預(yù)冷器的換熱面積，提高了系統(tǒng)熱效率。簡單回?zé)嵫h(huán)研究是實(shí)現(xiàn)再壓縮等復(fù)雜循環(huán)類型分析的基礎(chǔ)。

美國海軍所屬諾爾斯原子能實(shí)驗(yàn)室（KAPL）與貝蒂斯實(shí)驗(yàn)室（Bettis）［12］于2010年建成100 kW級(jí)sCO2布雷頓簡單回?zé)嵫h(huán)集成測(cè)試系統(tǒng)（IST），如圖3所示。該系統(tǒng)采用雙軸回?zé)衢]式循環(huán)，換熱器采用管殼式，壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力分別為9.03，13.5 MPa、效率60.8%，透平進(jìn)口溫度300 ℃、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速75 000 r/min、輸出電功率100 kW，熱油系統(tǒng)加熱功率1 MW；用于sCO2布雷頓循環(huán)熱動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證、研究不同操作條件下系統(tǒng)運(yùn)行控制方案、以及明確系統(tǒng)運(yùn)行中的部件性能。

圖3 100 kW級(jí)sCO2布雷頓簡單回?zé)嵫h(huán)測(cè)試系統(tǒng)（IST）

美國貝泰船用推進(jìn)公司（BMPC）［13］基于KAPL與Bettis建立的100 kW級(jí)IST系統(tǒng)，進(jìn)行了透平機(jī)械性能、換熱器性能和系統(tǒng)控制等測(cè)試研究，為下一步升級(jí)到再壓縮循環(huán)、換熱器緊湊化、MW級(jí)系統(tǒng)功率升級(jí)、以及向示范工程的轉(zhuǎn)變提供基礎(chǔ)。

目前應(yīng)用于太陽能發(fā)電的蒸汽朗肯循環(huán)技術(shù)，受上限溫度565 ℃限制的熱電效率大約為41%，為了提高操作溫度和系統(tǒng)效率同時(shí)降低系統(tǒng)尺寸和總成本，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（NREL）［14］于2012年基于美國能源部提出的SunShot計(jì)劃，開發(fā)透平功率可達(dá)10 MW、操作溫度700 ℃和效率超過50%的閉式sCO2布雷頓太陽能熱發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)以EPS100系統(tǒng)為基礎(chǔ)，包括高溫透平、高溫?fù)Q熱器、改裝壓氣機(jī)、700℃熱源和干式冷卻系統(tǒng)等。項(xiàng)目成員包括SNL實(shí)驗(yàn)室、威斯康辛大學(xué)、美國Echogen電力系統(tǒng)等。該計(jì)劃進(jìn)一步依托美國能源部STEP項(xiàng)目，將進(jìn)行商業(yè)推廣。EPS100系統(tǒng)為美國Echogen電力系統(tǒng)［15］建立的世界首套MW級(jí)商用sCO2朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組，透平功率7.5 MW、入口溫度275 ℃。美國西南研究所（SwRI）［16］依托SunShot計(jì)劃，與美國通用電氣（GE）、Thar Energy、BMPC合作開發(fā)了一套1 MWe級(jí)簡單回?zé)釡y(cè)試系統(tǒng)（見圖4），用于sCO2透平膨脹機(jī)和緊湊式換熱器的性能測(cè)試。該系統(tǒng)由CO2泵、回?zé)崞?、加熱器、透平和預(yù)冷器組成，系統(tǒng)壓力和溫度范圍分別為8～28 MPa和45～700 ℃，已配備的換熱器采用管殼式。SunShot計(jì)劃試驗(yàn)?zāi)康尼槍?duì)的是再壓縮循過程，因此該簡單回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)條件滿足再壓縮循環(huán)的工況。

圖4 1 MWe級(jí)簡單回?zé)釡y(cè)試系統(tǒng)

Osori等［19］對(duì)sCO2集中式太陽能發(fā)電簡單回?zé)岵祭最D循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過開發(fā)包括中央受熱器、冷熱儲(chǔ)熱單元、熱交換器、換熱器、多級(jí)壓縮與膨脹子系統(tǒng)等組成的循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)利用sCO2集中式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是滿足沙漠地區(qū)缺乏水資源和化石能源需求的可行方案。

捷克理工大學(xué)和布拉格研究中心［18］聯(lián)合開發(fā)了一套可以測(cè)試換熱器溫度、壓力和流量等性能的sCO2簡單回?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?、主泵、減壓閥和電加熱器等組成，最高運(yùn)行壓力25 MPa，最高運(yùn)行溫度550 ℃，流量2.5 kg/s，加熱器最大功率500 kW，回?zé)崞鞑捎蒙咝喂苄褪健０拇罄麃喞ナ刻m大學(xué)地?zé)崮茉粗行模║Q）［19］在2010年開始搭建sCO2簡單回?zé)嵫h(huán)回路測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)裝置可用于測(cè)試包括CO2、丙烷、丙烯等不同介質(zhì)的循環(huán)特性、透平和換熱器性能、以及控制方法。系統(tǒng)部件包括冷凝器、循環(huán)泵、回?zé)崞鳌⒄舭l(fā)器、透平、以及減壓閥和冷卻器組成的旁路。系統(tǒng)循環(huán)過程包括回路測(cè)試和透平測(cè)試兩種模式。在回路測(cè)試中，循環(huán)過程不經(jīng)過透平，而經(jīng)過由減壓閥和冷卻器組成的旁路；在透平測(cè)試中，高壓高溫介質(zhì)經(jīng)過透平膨脹做功。循環(huán)泵進(jìn)、出口壓力分別為10，20 MPa，透平進(jìn)口溫度為250 ℃，循環(huán)流量0.5 kg/s。

圖5 sCO2簡單回?zé)嵫h(huán)回路測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

韓國原子能研究院（KAERI）［20］建立了一套高壓縮比的sCO2布雷頓集成試驗(yàn)系統(tǒng)，并具有兩級(jí)壓縮和兩級(jí)膨脹過程，換熱器采用PCHE型式，如圖6所示。擬將第四代鈉快冷堆與sCO2布雷頓循環(huán)相結(jié)合，正在建立示范快堆電站KALIMER-600，去掉了鈉冷快堆傳統(tǒng)的中間回路，sCO2直接同堆芯出來的鈉通過鈉-CO2熱交換器進(jìn)行換熱，設(shè)備數(shù)量和系統(tǒng)尺寸減少。韓國能源研究所（KIER）［21］已建立了用于工業(yè)廢熱回收的sCO2布雷頓簡單循環(huán)系統(tǒng)，電功率達(dá)到10 kW，透平入口溫度小于200 ℃；正在建立SubkWe級(jí)的簡單回?zé)嵯到y(tǒng)和80 kW的雙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。

圖6 韓國KAERI建立的簡單回?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)裝置

日本東京工業(yè)大學(xué)（TIT）［22］建立了小型sCO2布雷頓簡單回?zé)嵩囼?yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)效率14.7%，熱功率30 kWth，透平進(jìn)口溫度527 ℃，進(jìn)口壓力20 MPa，轉(zhuǎn)速 100 000 r/min。

TIT與日本應(yīng)用能源研究所（IAE）［23］合作建立了10 kWe級(jí)sCO2布雷頓簡單回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)效率7%，熱功率160 kWe，透平進(jìn)口溫度277 ℃，透平轉(zhuǎn)速 100 000 r/min。

1.3 再壓縮循環(huán)

對(duì)于sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)工藝流程，在主壓縮機(jī)內(nèi)，一部分CO2流體被壓縮至高壓，并在低溫回?zé)崞鲀?nèi)吸收熱量而使溫度升至再壓縮機(jī)的出口溫度；與經(jīng)過再壓縮機(jī)升壓的CO2匯合后的主流體被高溫回?zé)崞黝A(yù)熱并進(jìn)入加熱器吸收熱量，在加熱器出口達(dá)到循環(huán)系統(tǒng)的最高溫度后直接進(jìn)入透平膨脹做功；做功后的高溫CO2流體依次經(jīng)過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給冷流體側(cè)流體并被冷卻；冷卻后的CO2流體在進(jìn)入壓縮機(jī)之前進(jìn)行分流，一部分經(jīng)再壓縮機(jī)直接壓縮至高壓，另一部分經(jīng)預(yù)冷器后進(jìn)入主壓縮機(jī)升壓形成閉式循環(huán)。該循環(huán)過程采用的分流壓縮方式，相較于再壓縮機(jī)入口條件，主壓縮機(jī)內(nèi)CO2具有更高的密度、更低的溫度和可壓縮性，從而具有更低的壓縮功；同時(shí)降低了低溫回?zé)崞鞯亩瞬繙夭詈屠鋮s器帶走的熱量，因此具有較高的循環(huán)效率。針對(duì)sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)布置的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響，國外基于部分試驗(yàn)項(xiàng)目研究，目前開展了大量理論分析和數(shù)值模擬研究工作。

2009年美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室SNL在簡單循環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上搭建可實(shí)現(xiàn)簡單回?zé)岷驮賶嚎s循環(huán)兩種過程的再壓縮循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖7）［10］，由透平-發(fā)電機(jī)-主壓縮機(jī)、透平-發(fā)電機(jī)-再壓縮機(jī)、高溫和低溫回?zé)崞?、加熱器和廢熱氣體冷卻器組成。兩套系統(tǒng)中的主壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速均為75 000 r/min、流量為3.5 kg/s、壓比1.8、進(jìn)口壓力和溫度分別為7.69 MPa和31.85 ℃。再壓縮循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)中采用的透平-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)方式利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)來測(cè)試壓縮機(jī)性能，以解決壓縮機(jī)的基本問題和使壓縮機(jī)運(yùn)行工況處于臨界區(qū)域的控制方法；透平機(jī)械由永磁轉(zhuǎn)子、交流發(fā)電機(jī)定子、迷宮密封和氣體潤滑軸承等組成；高溫和低溫回?zé)崞鞑捎昧烁咝Ьo湊的印刷電路板式換熱器PCHE；并系統(tǒng)分析了各組成部件的功率損耗，以及運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。

圖7 SNL建立的sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室［24］基于先進(jìn)的快速反應(yīng)堆（AFR-100），建立了結(jié)合sCO2閉式再壓縮布雷頓循環(huán)過程的鈉冷快堆模型，將Na/CO2換熱器替代水汽發(fā)生器，最高溫度550 ℃，循環(huán)效率42.3%；并分析了換熱器成本與循環(huán)效率之間的關(guān)系。麻省理工學(xué)院［25］在美國能源部的支持下，基于SNL試驗(yàn)驗(yàn)證開展sCO2循環(huán)理論工作，提出了sCO2再壓縮布雷頓循環(huán)冷卻核反應(yīng)堆的總體方案并進(jìn)行了熱動(dòng)力設(shè)計(jì)，對(duì)循環(huán)中不同溫度和壓力條件下循環(huán)的效率特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明高、低溫回?zé)崞鞯呐渲每梢越档汀皧A點(diǎn)”問題而提高循環(huán)效率。Sarkar等［26］采用能量分析法研究了各種設(shè)計(jì)和操作參數(shù)對(duì)sCO2再壓縮循環(huán)系統(tǒng)性能和組件運(yùn)行性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)換熱器較透平機(jī)械的運(yùn)行條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大。

我國也積極開展各種不同循環(huán)布置類型的相關(guān)試驗(yàn)原型機(jī)和工程化應(yīng)用研究。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)程文龍等［27］建立了測(cè)試回?zé)崞餍阅艿膕CO2循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的自適應(yīng)路徑回?zé)崞骺梢源蟠蠼档蛪毫p失，同時(shí)提高換熱效率，并使結(jié)構(gòu)更加緊湊。廈門大學(xué)張堯立等［30-31］通過數(shù)值模擬的方法，建立了sCO2閉式再壓縮布雷頓循環(huán)的模型，發(fā)現(xiàn)回?zé)崞鞯膿Q熱能力對(duì)系統(tǒng)熱效率影響顯著，當(dāng)回?zé)崞鞯膿Q熱效率超過一定數(shù)值后，增大壓力不再能提高系統(tǒng)的熱效率，此外透平的排氣溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響比熱源溫度更加明顯，并且當(dāng)回?zé)崞鞯膿Q熱效率達(dá)到一定數(shù)值后，透平的排氣溫度存在一個(gè)最佳值。清華大學(xué)段承杰等［32-33］建立了sCO2布雷頓再壓縮循環(huán)模型，模擬了關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響，研究了各參數(shù)間的變化關(guān)系及對(duì)循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并且與目前核能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的He布雷頓循環(huán)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，sCO2布雷頓再壓縮循環(huán)是一種更為理想的熱力循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)還可以減小壓縮機(jī)、透平等關(guān)鍵部件體積并且對(duì)材料的要求更低。

華能集團(tuán)［28］已立項(xiàng)開發(fā)300 MW等級(jí)的大型sCO2火力高效發(fā)電機(jī)組，并開展關(guān)鍵部件研制；西安熱工研究院基于該研究項(xiàng)目已經(jīng)完成5 MW化石能源試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并著手在陜西閻良建設(shè)5 MW試驗(yàn)平臺(tái)。中科院工程熱物理研究所［29］完成了再壓縮及二次回?zé)嵝问降牟祭最D循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析比較了不同布置類型的系統(tǒng)效率，開展了兆瓦級(jí)sCO2布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件的研制工作，相關(guān)系統(tǒng)集成示范項(xiàng)目建設(shè)正在穩(wěn)步推進(jìn)中。

1.4 其它循環(huán)類型

目前，包括部分冷卻、預(yù)壓縮等其它循環(huán)類型的系統(tǒng)特性主要為理論和數(shù)值模擬研究，尚未有試驗(yàn)研究。日本東京工業(yè)大學(xué)［34］面向核反應(yīng)堆提出了sCO2部分預(yù)先冷卻直接循環(huán)的模式，采用多級(jí)壓縮-間冷技術(shù)路線，以降低冷卻帶走的熱量來提高效率，功率600 MW，發(fā)電效率為45.8%。Carlson等［35］對(duì)太陽能作為熱源的sCO2閉式布雷頓循環(huán)成本和性能進(jìn)行評(píng)估，分析了簡單、再壓縮、部分冷卻和級(jí)聯(lián)等循環(huán)模式。研究發(fā)現(xiàn)，閉式sCO2簡單布雷頓循環(huán)發(fā)電效率最小，再壓縮和部分冷卻循環(huán)的效率較高。Cardemil等［36］研究了以CO2為工作介質(zhì)的電力循環(huán)中系統(tǒng)最高壓力和最高溫度等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同循環(huán)布置類型、結(jié)構(gòu)形式、以及不同的熱源溫度對(duì)循環(huán)效率會(huì)造成影響。

國內(nèi)部分高校和研究所也已開展了sCO2布雷頓循環(huán)相關(guān)理論和數(shù)值模擬研究工作。西安交通大學(xué)郭嘉琪等［37］對(duì)透平分流、預(yù)壓縮再熱和部分預(yù)冷布雷頓循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)研究，分析探討了壓縮機(jī)和透平工況等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的選取對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)提高透平入口工況可以提高不同類型循環(huán)的效率；與壓縮機(jī)入口溫度相比，壓縮機(jī)入口壓力對(duì)循環(huán)效率的影響更大。西安熱工研究院張一帆等［38］對(duì)含分流再壓縮和一次再熱的sCO2布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，通過Fortran語言建立數(shù)值模型，深入分析了主壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力、分流系數(shù)、透平進(jìn)口溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響，結(jié)果表明，主壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力、分流系數(shù)、透平進(jìn)口溫度之間存在最優(yōu)的耦合關(guān)系，使得該系統(tǒng)的循環(huán)效率最高。

可以看出，美國、澳大利亞、韓國、日本及我國等國家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)先后開展了sCO2發(fā)電技術(shù)的研究，已經(jīng)或正在開發(fā)試驗(yàn)原型機(jī)和工程化樣機(jī)，正在向工業(yè)示范電站邁進(jìn)。sCO2布雷頓循環(huán)特性試驗(yàn)和模擬研究數(shù)量都在不斷增多，但是目前試驗(yàn)研究數(shù)量仍然有限，已建成的試驗(yàn)裝置較少且為小功率模擬機(jī)組；數(shù)值模擬研究大多集中在少數(shù)典型布雷頓循環(huán)過程、以及穩(wěn)定運(yùn)行工況對(duì)循環(huán)效率的影響方面，缺乏動(dòng)態(tài)熱力學(xué)特性研究以及試驗(yàn)驗(yàn)證。國外部分已建成試驗(yàn)裝置參數(shù)見表1。

表1 已建成試驗(yàn)裝置參數(shù)比較

2 sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)布置分類

sCO2布雷頓循環(huán)過程可分為單回路循環(huán)和分流循環(huán)兩大類。單回路循環(huán)類型中包括簡單回?zé)?、簡單中間預(yù)冷、分級(jí)膨脹、再熱分級(jí)膨脹、預(yù)壓縮、中間回?zé)岬炔贾梅绞?；分流循環(huán)類型中包括再壓縮、部分預(yù)冷、預(yù)熱循環(huán)、中間預(yù)冷等布置方式。在壓縮機(jī)前增加預(yù)冷器可以減少所需的壓縮功，而在透平做功前增加預(yù)熱可以增大透平膨脹功，從而提高系統(tǒng)循環(huán)效率［39-40］。圖8，9分別為典型sCO2布雷頓單回路循環(huán)和分流循環(huán)布置。

圖8 典型sCO2布雷頓單回路循環(huán)布置

圖9 典型sCO2布雷頓分流循環(huán)布置

如圖8（a）所示，對(duì)于簡單回?zé)嵫h(huán)，稍高于臨界點(diǎn)的CO2經(jīng)過壓縮機(jī)升壓后，進(jìn)入回?zé)崞骼鋫?cè)進(jìn)行預(yù)熱，并進(jìn)入熱源進(jìn)一步加熱至工作溫度，然后進(jìn)入透平膨脹做功；做完功的乏氣進(jìn)入回?zé)崞鳠醾?cè)，再進(jìn)入冷卻器降至稍高于臨界點(diǎn)附近，再進(jìn)入壓縮機(jī)即完成整個(gè)循環(huán)。由于該循環(huán)中回?zé)崞鳠醾?cè)和冷側(cè)CO2比熱容存在不連續(xù)性，因此冷側(cè)易于出現(xiàn)“夾點(diǎn)”，導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降。簡單回?zé)嵫h(huán)在核能、太陽能、工業(yè)廢熱等多個(gè)領(lǐng)域都可應(yīng)用［18］。如圖8（b）所示，對(duì)于簡單中間預(yù)冷循環(huán)，在簡單回?zé)嵫h(huán)基礎(chǔ)上，增加了預(yù)冷器和壓縮機(jī)進(jìn)一步降低所需壓縮功，但增加了設(shè)備數(shù)量和成本。簡單中間預(yù)冷循環(huán)最初設(shè)計(jì)是為了應(yīng)用在核能領(lǐng)域［19］。

如圖8（c）所示，對(duì)于分級(jí)膨脹循環(huán)，在簡單回?zé)嵫h(huán)基礎(chǔ)上，在加熱器前增加了膨脹做功過程，這增加了系統(tǒng)的膨脹功，同時(shí)大幅度降低了透平入口的熱應(yīng)力。如圖8（d）所示，對(duì)于再熱分級(jí)膨脹循環(huán)，在分級(jí)膨脹循環(huán)基礎(chǔ)上，在第一個(gè)透平前增加了一個(gè)加熱過程。該循環(huán)中，外界分兩步向系統(tǒng)內(nèi)輸入熱量，經(jīng)過兩次加熱后，分別進(jìn)入高壓透平和低壓透平膨脹做功［41］。

如圖8（e）所示，對(duì)于預(yù)壓縮循環(huán)，采用低溫和高溫2個(gè)回?zé)崞鳎⒃诟邷鼗責(zé)崞鳠醾?cè)出口增加一臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)CO2進(jìn)行預(yù)壓縮，該循環(huán)克服了壓縮過程對(duì)透平排氣壓力的限制。預(yù)壓縮循環(huán)主要應(yīng)用在核能領(lǐng)域［42］。如圖8（f）所示，對(duì)于中間回?zé)嵫h(huán)，在簡單回?zé)嵫h(huán)基礎(chǔ)上增加了升壓和回?zé)徇^程。CO2經(jīng)過第一個(gè)壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入第一個(gè)回?zé)崞黝A(yù)熱，再進(jìn)入第二個(gè)壓縮機(jī)繼續(xù)升壓后進(jìn)入第二個(gè)回?zé)崞鬟M(jìn)一步預(yù)熱，預(yù)熱后進(jìn)入加熱器升溫，并經(jīng)過透平膨脹做功后依次經(jīng)過兩個(gè)回?zé)崞骱鸵粋€(gè)預(yù)冷器降溫。該循環(huán)增強(qiáng)了熱量回收進(jìn)而提高熱效率，主要應(yīng)用在核能領(lǐng)域［19］。

如圖9（a）所示，對(duì)于再壓縮布雷頓循環(huán)，在主壓縮機(jī)內(nèi)，一部分CO2流體被壓縮至較高壓力，并在低溫回?zé)崞鲀?nèi)吸收熱量而使溫度升至再壓縮機(jī)的出口溫度；與經(jīng)過再壓縮機(jī)的CO2匯合后的主流體被高溫回?zé)崞黝A(yù)熱至熱源入口溫度并進(jìn)入熱源吸收熱量，在熱源出口達(dá)到循環(huán)的最高溫度后直接進(jìn)入透平膨脹做功；做功后的高溫CO2流體依次經(jīng)過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給冷流體側(cè)流體并被冷卻；冷卻后的CO2流體在進(jìn)入壓縮機(jī)之前進(jìn)行分流，一部分經(jīng)再壓縮機(jī)直接壓縮至高壓，另一部分經(jīng)預(yù)冷后進(jìn)入主壓縮機(jī)升壓形成閉式循環(huán)。該循環(huán)過程采用的分流壓縮方式，相較于再壓縮機(jī)入口條件，主壓縮機(jī)內(nèi)CO2具有更高的密度、更低的溫度和可壓縮性，從而具有更低的壓縮功；同時(shí)降低了低溫回?zé)崞鞯亩瞬繙夭詈屠鋮s器帶走的熱量，因此具有較高的系統(tǒng)循環(huán)效率［10，30，43］。如圖 9（b）所示，對(duì)于部分預(yù)冷循環(huán)，在再壓縮循環(huán)基礎(chǔ)上，在分流之前增加了預(yù)冷和增壓過程。部分冷卻循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是具有更高輸出功和系統(tǒng)效率對(duì)壓力比較低的敏感度。部分預(yù)冷循環(huán)效率較高，適合應(yīng)用于核能領(lǐng)域［44］。如圖 9（c）所示，對(duì)于預(yù)熱循環(huán)，在壓縮機(jī)增壓后進(jìn)行分流，一部分CO2進(jìn)入第一個(gè)加熱器升溫后；另一部分CO2進(jìn)入回?zé)崞魃郎睾?，再與經(jīng)第一個(gè)加熱器升溫后的CO2合流，緊接著進(jìn)入第二個(gè)加熱器升溫，并進(jìn)入透平做功。預(yù)熱循環(huán)便于加熱器的配置，系統(tǒng)效率較低，適合應(yīng)用于核能領(lǐng)域［19］。如圖9（d）所示，對(duì)于中間預(yù)冷循環(huán)，在再壓縮循環(huán)基礎(chǔ)上，在分流之后的主壓縮機(jī)管線上再增加了預(yù)冷和增壓過程。中間預(yù)冷循環(huán)較適合于鈉冷快堆應(yīng)用方面，也可應(yīng)用在太陽能領(lǐng)域［45］。

表2為sCO2布雷頓循環(huán)邊界條件。圖10示出典型sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率比較。邊界條件包括系統(tǒng)最低壓力、最高壓力、最低溫度和最高溫度、以及系統(tǒng)效率都來自參考文獻(xiàn)。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于sCO2布雷頓單回路循環(huán)和分流循環(huán)布置，壓縮機(jī)入口壓力和溫度、透平入口溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響最大，并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在分流循環(huán)布置中，分流系數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率影響較大；再壓縮循環(huán)具有較高效率，但同時(shí)需要更大的回?zé)崞鲹Q熱面積。

表2 典型循環(huán)布置邊界條件

圖10 典型sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率比較

3 結(jié)論與展望

本文綜述了國內(nèi)外sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)特性試驗(yàn)和工程示范、理論分析和數(shù)值模擬方面的研究現(xiàn)狀；詳細(xì)分析了典型循環(huán)系統(tǒng)配置的分類、特點(diǎn)、循環(huán)熱效率及其應(yīng)用領(lǐng)域。

針對(duì)sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)特性，建議深入開展以下幾個(gè)方面研究：

（1）典型配置sCO2布雷頓循環(huán)過程中穩(wěn)定工況下系統(tǒng)熱力學(xué)特性、介質(zhì)流動(dòng)和換熱性能，以及壓縮機(jī)、回?zé)崞鳌⒓訜崞?、透平和預(yù)冷器等關(guān)鍵部件進(jìn)、出口參數(shù)之間的關(guān)系研究，以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率、負(fù)荷特性和換熱特性的影響研究。

（2）典型配置sCO2布雷頓循環(huán)過程中啟停工況、不穩(wěn)定工況下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)熱力學(xué)特性、介質(zhì)流動(dòng)和換熱性能，以及動(dòng)態(tài)工況對(duì)壓縮機(jī)、回?zé)崞鳌⒓訜崞?、透平和預(yù)冷器等關(guān)鍵部件進(jìn)出口參數(shù)的影響研究。

（3）基于典型配置sCO2布雷頓循環(huán)中系統(tǒng)輸出量與系統(tǒng)熱量獲取量、冷卻量、透平和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間的關(guān)系研究，探索系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的精確控制策略，保證系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定，并使系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。