基于超臨界二氧化碳的動(dòng)力系統(tǒng)及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研究進(jìn)展

李銘 張海軍 王夢(mèng)軒 王子彥 程上方 王江峰

（1 國(guó)能長(zhǎng)源漢川發(fā)電有限公司 湖北漢川 431614 2 西安交通大學(xué) 陜西西安 710049）

0 引言

能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，人類文明的發(fā)展史就是一部能源利用史。迄今為止，人類社會(huì)經(jīng)歷了4 種能源利用形態(tài)：從原始社會(huì)的薪柴時(shí)代到16 世紀(jì)初的煤炭時(shí)代，再到20 世紀(jì)開(kāi)始的油氣時(shí)代，到現(xiàn)如今的多能源時(shí)代。然而，當(dāng)今世界能源消耗仍以化石燃料為主，其中化石燃料約占70%的比例。作為人口大國(guó)，我國(guó)自2010 年起能源消耗量已超美國(guó)，現(xiàn)今約占全世界的1/5。但從人均擁有量來(lái)看，我國(guó)又是一個(gè)資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家，人均資源占有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。除此之外，我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的能耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，這導(dǎo)致了更為嚴(yán)峻的能源形勢(shì)。目前，我國(guó)能源利用效率為33%，較發(fā)達(dá)國(guó)家低10%。如何優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染并提高能源利用率，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，已成為當(dāng)前我們所面臨的重大挑戰(zhàn)。

1 多聯(lián)供系統(tǒng)介紹

冷熱電聯(lián)供（combined cooling，heating and power，CCHP）系統(tǒng)是近年來(lái)新興的1 種能源供應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)能量逐級(jí)利用，可同時(shí)向用戶提供電力、制冷、采暖和生活用水等多種形式的能源，將能源利用效率從普通熱電效率的40%～58%提升至70%～90%［1］，實(shí)現(xiàn)了一次能源的高效利用，減少了污染物的排放。同時(shí)，CCHP 系統(tǒng)可與多種能源形式耦合互補(bǔ)，包括天然氣等化石能源、核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、余熱余氣以及燃料電池等［2］。此外，由于靠近用戶端，CCHP 系統(tǒng)可就近供能，減少了傳輸距離，極大地降低了能源在傳輸過(guò)程中的損耗，減少了各能源系統(tǒng)的綜合投資成本和運(yùn)行管理代價(jià)，具有節(jié)能減排、供電可靠、調(diào)度靈活、可緩解電網(wǎng)壓力等優(yōu)點(diǎn)［3］。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究進(jìn)展

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，S-CO2）布雷頓循環(huán)以S-CO2作為循環(huán)工質(zhì)，是目前眾多高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)中備受矚目的一項(xiàng)。CO2作為1 種廣泛存在于自然界中的物質(zhì)，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全性高、成本低廉以及易于獲取等優(yōu)點(diǎn)，且易達(dá)到臨界條件。當(dāng)CO2的溫度達(dá)到31.1 ℃、壓力達(dá)到7.38 MPa 時(shí)將變?yōu)槌R界狀態(tài)。S-CO2是1 種理化性質(zhì)介于氣體和液體之間的特殊流體，具有流動(dòng)性好、可壓縮性小、摩擦損失小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于熱力循環(huán)［4］。

與其他同類型熱力循環(huán)的工質(zhì)相比，S-CO2是1 種非常稠密的流體，具有液體特性，高密度所帶來(lái)的強(qiáng)大做功能力使得其透平的尺寸是蒸汽朗肯循環(huán)的1/10，系統(tǒng)整體尺寸相對(duì)減小了1/4［5］；同時(shí)也兼具氣體特性，低黏性和低壓縮系數(shù)分別使得系統(tǒng)摩擦損失、循環(huán)損耗和壓縮過(guò)程中的壓縮功減小。此外，CO2臨界溫度和壓力遠(yuǎn)低于水的臨界點(diǎn)，易達(dá)到超臨界狀態(tài)，有利于工程應(yīng)用，并且通?？梢酝ㄟ^(guò)循環(huán)系統(tǒng)中的常溫水冷卻。在臨界點(diǎn)附近，CO2的物性對(duì)溫度和壓力也具有極大的敏感度，即溫度和壓力的微小變化會(huì)使得其比焓和比熱等物性劇烈變化，如圖1 所示。例如對(duì)于比焓而言，當(dāng)壓力在7.5～8 MPa時(shí)，CO2工質(zhì)比焓的減小幅度突然增大，且比焓突變的幅度隨著溫度的增加而逐漸減緩，在32～35 ℃時(shí)其突變較為明顯；對(duì)于比熱而言，在壓力為8 MPa、溫度在臨界溫度附近時(shí)，CO2工質(zhì)定壓比熱容存在急劇增大的趨勢(shì)。

圖1 CO2 在臨界點(diǎn)附近的物性變化規(guī)律

S-CO2布雷頓循環(huán)具有原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高以及熱效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此燃煤火力電廠、太陽(yáng)能光熱發(fā)電廠、先進(jìn)核動(dòng)力系統(tǒng)等都嘗試采用S-CO2布雷頓循環(huán)作為新型動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)［6］。對(duì)于核反應(yīng)堆中的S-CO2布雷頓循環(huán)，最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)流程圖如圖2 所示，主要由熱源、透平、壓縮機(jī)、回?zé)崞骱屠鋮s器組成。直接循環(huán)條件下的熱源是堆芯，間接循環(huán)條件下的熱源是反應(yīng)堆一、二回路間的換熱器［7］。低溫低壓的CO2工質(zhì)，經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，通過(guò)回?zé)崞骱蜔嵩粗鸩轿諢崃浚優(yōu)楦邷馗邏旱腃O2工質(zhì)進(jìn)入透平膨脹做功并驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電；做完功后高溫低壓的乏氣經(jīng)回?zé)崞髋c冷卻器逐步冷卻，最后再次進(jìn)入壓縮機(jī)完成整個(gè)閉式循環(huán)。由于該循環(huán)可以將壓縮機(jī)進(jìn)口溫度控制在工質(zhì)的擬臨界溫度附近，使CO2工質(zhì)密度增大，壓縮性較好，從而降低了壓縮機(jī)耗功，提高了循環(huán)熱效率。

圖2 簡(jiǎn)單S-CO2 布雷頓循環(huán)流程圖

與蒸汽朗肯循環(huán)相比，S-CO2布雷頓循環(huán)在773～1 173 K的透平進(jìn)口溫度范圍內(nèi)極具優(yōu)勢(shì)，并且可以在較高的透平進(jìn)口溫度下安全運(yùn)行［8］。此外，S-CO2布雷頓循環(huán)可以利用化石燃料、核反應(yīng)堆、太陽(yáng)能、地?zé)崮芎凸I(yè)廢熱等多種熱源［9］，還可以與各種循環(huán)耦合形成1 個(gè)復(fù)合系統(tǒng)。例如燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度約為773～873 K，S-CO2布雷頓循環(huán)可作為其底循環(huán)，通過(guò)分段利用其余熱來(lái)降低最終排氣溫度并提高能源利用效率［10］。除此之外，S-CO2布雷頓循環(huán)還可以通過(guò)添加底循環(huán)，如有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）或跨臨界二氧化碳（Transcritical Carbon Dioxide，T-CO2）循環(huán)，進(jìn)一步提高其效率。BESARATI 和GOSWAMI［11］對(duì)3 種不同類型的S-CO2布雷頓循環(huán)/有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析和比較。結(jié)果表明，采用最簡(jiǎn)單的S-CO2布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)作為頂循環(huán)可以獲得最大的效率增量。然而，整個(gè)系統(tǒng)的最高熱效率是通過(guò)S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)（Supercritical Carbon Dioxide Recompression Brayton Cycle，SCRBC）/有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。AKBARI 和MAHMOUDI［12］通過(guò)和經(jīng)濟(jì)分析研究了SCRBC/ORC 組合。他們得出結(jié)論，與單一S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)相比，聯(lián)合循環(huán)的效率可提高11.7%，并且聯(lián)合循環(huán)的總產(chǎn)品單位成本比單一循環(huán)低5.7%。WANG 和DAI［13］比較了T-CO2循環(huán)和ORC 作為SCRBC底循環(huán)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)性能。他們發(fā)現(xiàn)，T-CO2循環(huán)的熱力學(xué)性能更好，而經(jīng)濟(jì)性能更差。WANG 等［14］對(duì)SCRBC/TCO2循環(huán)的性能進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析。結(jié)果表明，單位凈發(fā)電量的投資成本比單一S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)高6%。WANG等［15］還對(duì)2 種不同配置的S-CO2布雷頓循環(huán)和底部T-CO2循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)比較和優(yōu)化。他們得出結(jié)論，通過(guò)添加T-CO2循環(huán)，S-CO2布雷頓循環(huán)的再壓縮和簡(jiǎn)單配置的熱效率可分別提高10.12%和19.34%。

S-CO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)技術(shù)的探索始于20 世紀(jì)50 年代，隨后進(jìn)行了大量論證與研究工作，然而受到當(dāng)時(shí)設(shè)備材料和加工制造水平的限制，結(jié)構(gòu)緊湊的透平機(jī)械和高效換熱器無(wú)法實(shí)現(xiàn)落地，技術(shù)驗(yàn)證受到了極大的阻礙，導(dǎo)致S-CO2動(dòng)力循環(huán)技術(shù)未能深入發(fā)展。直到2007 年，美國(guó)基于科技、工業(yè)能力再次評(píng)估了該技術(shù)，并開(kāi)始著手研發(fā)相關(guān)透平機(jī)械。隨后，韓國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)相繼開(kāi)啟了對(duì)S-CO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)技術(shù)的研究。

美國(guó)在S-CO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)研究領(lǐng)域起步最早、技術(shù)最成熟，目前是該項(xiàng)技術(shù)的引領(lǐng)者。自2008 年起，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory，SNL）［16］分別完成了超臨界CO2簡(jiǎn)單壓縮循環(huán)、超臨界CO2回?zé)崾讲祭最D循環(huán)和超臨界CO2再壓縮式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的搭建及測(cè)試工作，成功進(jìn)行了簡(jiǎn)單壓縮循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)和再壓縮循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)及透平、壓縮機(jī)、換熱器和軸系等設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行了論證，并研究了循環(huán)工質(zhì)參數(shù)的控制策略。在SNL 的再壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用了2 組透平和壓縮機(jī)并列的布置形式，系統(tǒng)熱源為電加熱，高低溫回?zé)崞骶鶠橛∷㈦娐钒迨綋Q熱器，工質(zhì)質(zhì)量流量為5.77 kg/s，實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速為52 000 r/min，透平進(jìn)口溫度為538 ℃，壓比為1.8，系統(tǒng)輸出功率為250 kW，循環(huán)效率為32.1%。

2012 年，美國(guó)貝克特爾船舶推進(jìn)公司（Bechtel Marine Propulsion Corporation，BMPC）與貝蒂斯原子動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（Bettis Atomic Power Laboratory，BAPL）及諾爾原子能實(shí)驗(yàn)室（Knolls Atomic Power Laboratory，KAPL）［17］聯(lián)合搭建了適用于核動(dòng)力艦船推進(jìn)的S-CO2簡(jiǎn)單回?zé)岵祭最D循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。該裝置的動(dòng)力部分采用雙軸布置，由1 臺(tái)可變速透平驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和1 臺(tái)恒定轉(zhuǎn)速透平驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。系統(tǒng)在透平進(jìn)口溫度為300 ℃時(shí)的額定輸出功率為100 kW，循環(huán)效率可達(dá)到12.5%。

美國(guó)Echogen 公司在2014 年建成了世界上首臺(tái)兆瓦級(jí)商用超臨界CO2發(fā)電機(jī)組EPS100。EPS100 采用雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，適用于熱源溫度為500～550 ℃范圍內(nèi)的工業(yè)余熱回收利用，其設(shè)計(jì)功率等級(jí)為7～8 MW，流量范圍在65～70 kg/s 之間。該機(jī)組的測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)了使用S-CO2布雷頓循環(huán)取代傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)的技術(shù)可行性，該技術(shù)可大幅降低安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本，機(jī)組的輸出功率也得到進(jìn)一步提升。基于以EPS100 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的SunShot 試驗(yàn)計(jì)劃，美國(guó)能源部能源效率及可再生能源辦公室下屬的國(guó)家試驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）［18］于2017 年9 月建立了基于太陽(yáng)能的10 MW 等級(jí)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。

韓國(guó)緊隨美國(guó)之后，在S-CO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)研究領(lǐng)域同樣處于領(lǐng)先地位，先后搭建了多個(gè)不同類型的試驗(yàn)平臺(tái)，成功進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行的可行性驗(yàn)證，穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能和控制系統(tǒng)的測(cè)試，透平機(jī)械、換熱器、軸承和密封的性能評(píng)估等，目前正朝著更大功率等級(jí)的方向前進(jìn)。從2013 年開(kāi)始，韓國(guó)能源研究院（Korea Institute of Energy Research，KIER）先后搭建了簡(jiǎn)單無(wú)回?zé)嵫h(huán)、簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)和S-CO2布雷頓循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了相關(guān)研究。在KIER 搭建的120 kW 等級(jí)用于余熱回收利用的S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中［19］，測(cè)試系統(tǒng)由2 個(gè)透平、1 個(gè)壓縮機(jī)、2 個(gè)回?zé)崞骱? 個(gè)加熱器構(gòu)成。在透平進(jìn)口參數(shù)為205 ℃/10 MPa 的條件下，系統(tǒng)輸出的電功率達(dá)到了11 kWe，并且整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行了45 min。

日本東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology，TIT）［20］在2012 年搭建了10 kW 級(jí)簡(jiǎn)單回?zé)酳-CO2布雷頓循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為69 000 r/min，CO2質(zhì)量流量為1.1 kg/s，壓比為1.41 時(shí)，系統(tǒng)的凈輸出功率達(dá)到了110 W，此時(shí)透平和壓縮機(jī)的等熵效率分別為65%和48%，回?zé)崞餍蔬_(dá)到95%。之后TIT 成功設(shè)計(jì)了針對(duì)核反應(yīng)堆的S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，采用了多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻技術(shù)，額定功率為600 MW，系統(tǒng)效率為45.8%；他們還建立了用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)電效率可達(dá)48.2%［21］。

我國(guó)在S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電領(lǐng)域起步較晚，相關(guān)研究主要集中在對(duì)系統(tǒng)及關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值模擬，對(duì)S-CO2動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體性試驗(yàn)較為匱乏，但是發(fā)展較為迅速。中科院工程熱物所［22］自2016 年開(kāi)始對(duì)兆瓦級(jí)超臨界CO2發(fā)電技術(shù)開(kāi)展有關(guān)研究，在2018 年9 月建立了我國(guó)首座大型S-CO2離心壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。在透平進(jìn)口參數(shù)為34 ℃/8.347 MPa，流量為12.806 kg/s，轉(zhuǎn)速為32 000 r/min 時(shí)，等熵效率為68.4%，壓比為1.96，低于設(shè)計(jì)值2.5。2021 年12 月，研究所成功建立了兆瓦級(jí)一次回?zé)崾絊-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電機(jī)組，該系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t提供熱源，采用2 級(jí)壓縮和2 級(jí)膨脹做功；2022 年7 月，他們?cè)诤颖焙馑赝瓿闪藢?shí)驗(yàn)機(jī)組壓縮機(jī)-鍋爐聯(lián)合調(diào)試，鍋爐系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

華能西安熱工院［23］5 MW 級(jí)S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組于2021 年12 月正式投運(yùn)，該試驗(yàn)平臺(tái)采用再壓縮式和一次再熱相結(jié)合的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，凈效率可達(dá)到33.49%。初步設(shè)計(jì)中，高壓透平進(jìn)口參數(shù)為600 ℃/20 MPa，在綜合考慮循環(huán)效率和鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，低壓透平的進(jìn)口工質(zhì)壓力設(shè)定為14.6 MPa，主壓縮機(jī)進(jìn)口參數(shù)為35 ℃/7.9 MPa，透平和壓縮機(jī)的等熵效率設(shè)定目標(biāo)值分別為82%和77%。由于透平機(jī)械的尺寸較小，冷卻流量消耗過(guò)大，實(shí)際情況下壓縮機(jī)效率僅為72.01%，而透平效率為77.07%至79.21%。

此外，中國(guó)船舶集團(tuán)七一一所聯(lián)合上海電氣電站集團(tuán)等多家單位共同完成了300 kW 級(jí)S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，攻克了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及性能仿真、壓縮機(jī)—透平一體化設(shè)計(jì)、高效流動(dòng)及換熱、高速高壓軸端密封、關(guān)鍵部件制造工藝等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，于2021 年12 月成功試車并發(fā)電；中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院開(kāi)展了1 MW 級(jí)S-CO2簡(jiǎn)單回?zé)崾讲祭最D循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組的研究，近期已完成了全系統(tǒng)的滿功率穩(wěn)定運(yùn)行；清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院進(jìn)行了S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)的分析和改進(jìn)研究；西安交通大學(xué)在S-CO2熱物性、換熱、透平機(jī)械和控制方案等方面具有相當(dāng)深厚的研究基礎(chǔ)；華北電力大學(xué)開(kāi)展了針對(duì)S-CO2換熱、腐蝕、材料選型等方面的基礎(chǔ)研究。

3 超臨界二氧化碳多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研究進(jìn)展

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及居民生活質(zhì)量的不斷提升，單一的發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源種類需求。目前，用于制冷應(yīng)用（例如制冷、空調(diào)等）的總用電量已占全球發(fā)電量的15%，預(yù)計(jì)到2050 年，總制冷量的需求將增加10 倍［24］。此外，在發(fā)電廠中，相較于將高品位電能直接轉(zhuǎn)化為供熱和制冷，將廢熱轉(zhuǎn)化為供熱或制冷可以獲得更好的性能收益［25］。為了滿足用戶對(duì)能源品種多樣化的需求并提高能源利用率，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，近幾年逐漸成為研究熱點(diǎn)。它是建立在能量梯級(jí)利用基礎(chǔ)上，將制冷、供熱和發(fā)電一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)。與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，提高了能源利用效率，減少了污染物和二氧化碳的排放。

近年來(lái)，美國(guó)、歐洲和日本都分別制定了一系列鼓勵(lì)政策，大力發(fā)展聯(lián)供產(chǎn)業(yè)，如美國(guó)提出 “CCHP創(chuàng)意”和“CCHP2020 綱領(lǐng)”，日本規(guī)定CCHP 系統(tǒng)的上網(wǎng)電價(jià)高于火力發(fā)電，德國(guó)規(guī)定對(duì)總效率達(dá)到70%以上的電廠免征天然氣稅，法國(guó)對(duì)1 MW 級(jí)以上的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目給予市場(chǎng)最高補(bǔ)貼幅度、低于300 kW 的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目則以稅惠形式給予支持，丹麥政府規(guī)定對(duì)所有熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目提供年利率2%的優(yōu)惠貸款、對(duì)所有使用天然氣的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠給予30%無(wú)息貸款，歐洲委員會(huì)出臺(tái)的政府環(huán)保和能效援助指南在一定條件下允許成員國(guó)為高效熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目給予援助等。

典型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般包括動(dòng)力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)主要有蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、斯特林機(jī)、燃料電池等，供熱系統(tǒng)主要通過(guò)換熱器將熱量輸出給熱用戶，制冷系統(tǒng)包括壓縮式、吸收式和吸附式3 種。壓縮式制冷因采用傳統(tǒng)的制冷循環(huán)，相關(guān)技術(shù)較為成熟。吸收式制冷已基本形成產(chǎn)業(yè)化，并具有較大規(guī)模，而吸附式制冷機(jī)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，全面商業(yè)化還需要一個(gè)過(guò)程。

WU 和WANG［26］對(duì)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入地綜述，系統(tǒng)地討論了幾種原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)以及現(xiàn)有的多種冷熱電三聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的設(shè)置。MOUSSAWI 等［27］根據(jù)原動(dòng)機(jī)、規(guī)模和能量順序使用情況，對(duì)不同類型的三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分類；根據(jù)能源、、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境措施，對(duì)此類系統(tǒng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了綜述，并對(duì)其設(shè)計(jì)、優(yōu)化和決策中使用的方法進(jìn)行了研究分析；提出了根據(jù)具體需要選擇合適冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一般方法。許多學(xué)者也對(duì)這些冷熱電三聯(lián)產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)從熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)優(yōu)化和運(yùn)行角度進(jìn)行分析研究，以期提高能源利用效率。但是這些冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)大都需要消耗化石燃料，并且產(chǎn)生一定量的污染物排放。為了減少一次能源的消耗，降低污染物向環(huán)境中的排放，有必要高效經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能、核能等清潔能源來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以滿足用戶對(duì)能源品種多樣化的需求。因此，有學(xué)者開(kāi)始探索采用可再生能源和核能來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

然而，與穩(wěn)定可控的化石能源相比，可再生能源資源分散，受氣候、時(shí)間、季節(jié)等因素變化明顯，在供給側(cè)的二次能源產(chǎn)出方面呈現(xiàn)出不穩(wěn)定、不連續(xù)、成本過(guò)高、效率低下等問(wèn)題，這已成為制約可再生能源大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要難題［28］。核能作為1 種能量密集、清潔污染小、成本低、穩(wěn)定可控的能源形式，在新型高效能源體系中扮演著舉足輕重的角色，是人類未來(lái)發(fā)展最具希望的清潔能源之一。S-CO2布雷頓循環(huán)被認(rèn)為是1 種非常有前景的第四代核反應(yīng)堆能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而之前的聯(lián)合循環(huán)研究均未對(duì)基于S-CO2布雷頓循環(huán)的CCHP 系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性進(jìn)行過(guò)調(diào)查。根據(jù)英國(guó)石油公司發(fā)布的2020 年《世界能源統(tǒng)計(jì)評(píng)論》，供熱和制冷的需求同時(shí)增加。因此，建立基于S-CO2布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是1 個(gè)更具吸引力的余熱回收方案，可以同時(shí)滿足制冷、供熱和電力的需求。

WANG 等［29］首先提出了1 種新的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，將SCO2布雷頓循環(huán)和T-CO2制冷循環(huán)與噴射器膨脹裝置相結(jié)合，利用太陽(yáng)能提供熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。通過(guò)分析關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高透平背壓和透平進(jìn)口溫度或降低透平進(jìn)口壓力和噴射器進(jìn)口溫度能提高系統(tǒng)效率。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，XU 等［30］在WANG 工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加抽汽式透平，將S-CO2布雷頓循環(huán)和跨臨界噴射式制冷循環(huán)相結(jié)合，提出了1 種帶抽汽透平的改進(jìn)型CCHP 系統(tǒng)。參數(shù)分析和分析的結(jié)果表明，抽汽透平有助于獲得更多的制冷量，在所考慮的條件下，改進(jìn)后的系統(tǒng)效率從10.4%提高到22.5%。此外，隨著透平進(jìn)口溫度的升高，透平功率輸出和效率也顯著增加。然而，這些CCHP 系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單的S-CO2布雷頓循環(huán)將熱量直接轉(zhuǎn)化為電能，從而導(dǎo)致了效率低于32%，并且上述系統(tǒng)是設(shè)計(jì)用于低溫或中溫應(yīng)用，這些缺點(diǎn)是核電站等大規(guī)模電力應(yīng)用所不能接受的?；诖耍瑸榱藢?shí)現(xiàn)核能的梯級(jí)利用，F(xiàn)AN 等［31］提出了1 種將S-CO2布雷頓 循環(huán)、ORC 和噴射式制冷循環(huán)（ejector refrigeration cycle，ERC）相結(jié)合的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。參數(shù)分析結(jié)果表明，ORC 透平背壓的降低或S-CO2透平進(jìn)口溫度和ERC 蒸發(fā)溫度的升高對(duì)設(shè)計(jì)熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能的提升均有幫助。此外，他們通過(guò)遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)性能。在最佳條件下，與單一SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)相比，CCHP 系統(tǒng)的效率提高了9.17%，產(chǎn)品單位總成本降低了5.05%。

LI 等［32］提出了1 種由S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)和T-CO2制冷循環(huán)組成的新型聯(lián)合供冷系統(tǒng)。在新系統(tǒng)中，S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)中通過(guò)再壓縮機(jī)的工質(zhì)部分被T-CO2制冷循環(huán)中的制冷壓縮機(jī)出口工質(zhì)所替代。他們從熱力學(xué)角度對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較和優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，聯(lián)供系統(tǒng)相較于分離系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)隨著冷卻能力的增加和蒸發(fā)溫度的降低而增加；當(dāng)蒸發(fā)溫度分別為273.15 K 和253.15 K時(shí)，聯(lián)供系統(tǒng)的效率分別比分離系統(tǒng)高2.45%和5.87%。S-CO2布雷頓循環(huán)還可以利用太陽(yáng)能、地?zé)崮?、核反?yīng)堆、船用余熱和工業(yè)廢熱等多種熱源?；诖?，MANJUNATH 等［33］提出了1 種新型的船用平臺(tái)余熱回收冷電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)由S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)和T-CO2制冷循環(huán)組成。他們建立了聯(lián)合循環(huán)的熱力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析后發(fā)現(xiàn)，所提系統(tǒng)的熱效率和效率分別比滿負(fù)荷時(shí)的獨(dú)立頂級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)提高了近34%和30%。YU 等［34］以回收船用余熱為目標(biāo)，提出了1 種耦合S-CO2布雷頓循環(huán)和T-CO2制冷循環(huán)的聯(lián)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)力和冷卻。為了緩解回?zé)崞鞯臏囟仁?，有效利用制冷循環(huán)中排出的熱量，低溫回?zé)崞骱蜌怏w冷卻器由動(dòng)力循環(huán)和冷卻循環(huán)共用。他們對(duì)這種新型的余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了能量、和經(jīng)濟(jì)分析，并研究了氣體冷卻器壓力、蒸發(fā)溫度和透平進(jìn)口溫度等關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)條件下該系統(tǒng)的熱效率和效率分別為42.42%和39.05%。HOU 等［35］提出了1 種以船用燃?xì)廨啓C(jī)余熱為動(dòng)力的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括1 個(gè)蒸汽發(fā)生器、1 個(gè)S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)和2 個(gè)T-CO2制冷循環(huán)。對(duì)S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)、T-CO2制冷循環(huán)和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性綜合分析?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本和緊湊性對(duì)船舶的重要性，提出了以產(chǎn)品單位總成本和單位輸出總換熱面積作為系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，所得的產(chǎn)品單位總成本和單位輸出總換熱面積的最優(yōu)值分別為10.052 6 $/GJ 和0.175 5 m2/kW。

為了回收內(nèi)燃機(jī)排氣和夾套水的余熱，實(shí)現(xiàn)高溫廢氣中能 量的梯級(jí)利 用，HUANG 等［36］提出了1種由S-CO2布雷頓循環(huán)、雙壓有機(jī)朗肯循環(huán)和噴射式制冷循環(huán)組成的冷電聯(lián)供系統(tǒng)。他們建立了該系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，評(píng)估了S-CO2布雷頓循環(huán)透平進(jìn)口溫度和進(jìn)口壓力、ORC透平高壓側(cè)和低壓側(cè)進(jìn)口溫度和噴射器一次進(jìn)口壓力等7 個(gè)參數(shù)的影響。采用遺傳算法進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，以獲得系統(tǒng)產(chǎn)品的最小平均成本。結(jié)果表明，S-CO2布雷頓循環(huán)透平進(jìn)口和ORC 透平進(jìn)口高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力的增加有助于降低系統(tǒng)產(chǎn)品的平均成本。

為了開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等低品位熱能，高垚楠［37］等提出1 種以CO2作為工質(zhì)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，通過(guò)共用氣體冷卻器的方式將S-CO2布雷頓循環(huán)和T-CO2壓縮式制冷循環(huán)進(jìn)行耦合。他們建立了該系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其運(yùn)行工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，隨后在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)參數(shù)敏感性分析，獲得了透平進(jìn)口壓力、透平出口壓力、透平進(jìn)口溫度、蒸發(fā)器壓力和發(fā)電循環(huán)與制冷循環(huán)CO2流量比5 個(gè)熱力參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前關(guān)于S-CO2動(dòng)力系統(tǒng)的理論研究日趨成熟，部分研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展低功率等級(jí)的試驗(yàn)研究。為滿足用戶的多種能量需求，將S-CO2動(dòng)力系統(tǒng)與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合可進(jìn)一步減少化石能源的消耗，降低污染物向環(huán)境中的排放。并且學(xué)者們傾向于采用清潔能源來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，側(cè)重于從熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)運(yùn)行的角度進(jìn)行分析研究，以期提高能源綜合利用效率。因此，關(guān)于S-CO2動(dòng)力系統(tǒng)及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究可著重于解決當(dāng)前能源需求現(xiàn)狀，通過(guò)構(gòu)建多聯(lián)供系統(tǒng)提升清潔能源總體利用效率，以助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。