超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電在船舶余熱利用上的技術(shù)分析

李沛劍

(海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076)

超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電在船舶余熱利用上的技術(shù)分析

李沛劍

(海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076)

船舶動(dòng)力技術(shù)水平關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與軍事安全，其中實(shí)現(xiàn)其發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱高效利用是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。船舶具有多種余熱利用的途徑，現(xiàn)代船舶對(duì)于電能的需求越來越大，利用余熱進(jìn)行發(fā)電具有前景。超臨界二氧化碳具有良好的密度和流動(dòng)特性，可在中低溫區(qū)實(shí)現(xiàn)高效的渦輪機(jī)械作功，相比溫差發(fā)電或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電具有明確的效率優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)比分析了超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)船舶參數(shù)開展30 kW級(jí)超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電機(jī)的研制，在氮吹試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了36 kW/36.5 kr/min的功率輸出，可進(jìn)一步驗(yàn)證并推進(jìn)超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電在船舶余熱利用上的發(fā)展。

超臨界二氧化碳；渦輪發(fā)電；余熱；船舶；效率

0 引 言

船舶動(dòng)力裝置技術(shù)水平關(guān)系到國(guó)家海上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及軍事安全問題，目前柴油機(jī)是應(yīng)用最為普遍的船舶動(dòng)力裝置；相對(duì)昂貴的燃?xì)廨啓C(jī)也因其突出的動(dòng)力重量比而在軍用艦艇上得以發(fā)展，如美國(guó)海軍的DDG-1000型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、英國(guó)皇家海軍的“伊麗莎白女王”號(hào)航空母艦和45型驅(qū)逐艦[1]；此外，電力推進(jìn)裝置或混合動(dòng)力裝置也得到越來越多的關(guān)注。

無論是柴油機(jī)或是燃?xì)廨啓C(jī)，能量利用率僅在50%左右，尾氣均具有較高的溫度（約200 ℃～500 ℃），蘊(yùn)含著大量的能量[2]。目前船舶中對(duì)排氣余熱的利用主要分為余熱換熱、余熱制冷、余熱制淡以及余熱發(fā)電等幾種形式。涉及到的余熱利用裝置主要包括渦輪增壓器、廢氣鍋爐、渦輪發(fā)電裝置、海水淡化裝置等。其中利用余熱發(fā)電的方式可直接給船舶供給電力，符合現(xiàn)代船舶對(duì)電能的需求，具有廣闊的前景[3]。余熱發(fā)電具有多種可行性的方案，一方面需要分析對(duì)比每種方案的原理與特點(diǎn)，另一方面需要探索技術(shù)更先進(jìn)效率更優(yōu)化的新方案，實(shí)現(xiàn)船舶余熱的高效利用。

1 船舶上余熱發(fā)電的形式

傳統(tǒng)的船舶上的余熱發(fā)電形式通常有溫差發(fā)電以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電2種。

1.1 余熱溫差發(fā)電

溫差發(fā)電是基于塞貝克效應(yīng)的一種可以直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，起始于20世紀(jì)40年代，已成功通過放射性同位素溫差發(fā)電的形式在航天器上用于長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電。塞貝克效應(yīng)是指當(dāng)2種不同的金屬相接并且2個(gè)結(jié)點(diǎn)保持不同的溫度，就會(huì)有電流連續(xù)不斷的流過電路，是由德國(guó)科學(xué)家賽貝克于1821年發(fā)現(xiàn)的[4]。

如圖1所示，不同材料AB兩端的電勢(shì)差為：

其中αAB稱為相對(duì)賽貝克系數(shù)，且

圖1 賽貝克效應(yīng)示意圖Fig. 1 The diagram of seebeck effect

溫差發(fā)電具有無運(yùn)動(dòng)部件、無污染、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是綠色環(huán)保的發(fā)電方式。在集裝箱船等船舶上具有一定的應(yīng)用前景[5]。由于金屬材料的賽貝克系數(shù)很低，材料的無量綱熱電優(yōu)值ZT在0.1以下，目前性能最好的商業(yè)化熱電材料的ZT值僅在1左右，因此溫差發(fā)電效率不高。隨著納米技術(shù)和材料合成技術(shù)的發(fā)展，目前對(duì)溫差發(fā)電所用的熱電材料進(jìn)入了新的研究階段，ZT值已經(jīng)接近或超過2，但還需要進(jìn)一步提升才在實(shí)用效率上具有優(yōu)勢(shì)。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的燃?xì)庾鳛楣べ|(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，工業(yè)上常用于拖動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程是壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入燃?xì)鉁u輪中膨脹作功，推動(dòng)渦輪葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)[6]，并再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能，圖2展示的為美國(guó)Capstone公司研制的C系列燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

圖2 Capstone公司C系列渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 2 The C series turbo-generator structure of Capstone corporation

艦載燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電具有如下優(yōu)點(diǎn)：功率密度大可節(jié)省艦船空間，滿足高能武器裝備需求；有效降低艦船全壽命周期費(fèi)用；提高艦船隱身性能；提高艦艇機(jī)動(dòng)性[7]。但由于氣體溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的效率影響極大，通常只有在氣體溫度超過1 000 ℃后，燃?xì)廨啓C(jī)才能有較好的性能[8]。而船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣余熱通常在400 ℃以下，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來說僅是低品質(zhì)能量，因此燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電在船舶上的應(yīng)用更傾向于主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電而非利用余熱發(fā)電。

2 超臨界二氧化碳（S-CO2）渦輪發(fā)電技術(shù)

從上文可知，制約船舶余熱發(fā)電的主要因素即為發(fā)電效率瓶頸，而對(duì)超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電技術(shù)的熱點(diǎn)研究有望對(duì)此提供一種可行的優(yōu)化方案。

超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電技術(shù)是以超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)，將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并最終輸出電能的動(dòng)力技術(shù)。CO2具有良好的熱穩(wěn)定性、物理性能和安全性，是無毒不可燃的低成本流體，其臨界溫度為31.2 ℃，臨界壓力為7.38 Mpa，遠(yuǎn)低于水的臨界點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)。使CO2處于超臨界狀態(tài)（SCO2），使其具有近似液體的密度和近似氣體的流動(dòng)性，且其在循環(huán)過程中無相變，可大大提高其在渦輪機(jī)械中的作功能力。

S-CO2渦輪發(fā)電的基本循環(huán)為布雷頓循環(huán)，包括絕熱壓縮、定壓加熱、絕熱膨脹和定壓放熱4個(gè)基本過程，其循環(huán)示意圖和溫熵圖如圖3所示。

由于S-CO2在密度和流動(dòng)性上的優(yōu)勢(shì)，相比對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)工質(zhì)溫度的高要求，S-CO2渦輪發(fā)電在低溫段即可具有很高的效率，在550℃時(shí)即可達(dá)到45%，遠(yuǎn)高于其他氣體工質(zhì)（例如氦氣），且在相同發(fā)電能力條件下，系統(tǒng)體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他透平機(jī)械，尤其不需要水蒸氣所需的大量鍋爐管道設(shè)備。圖4展示了在不同溫度條件下3種介質(zhì)的循環(huán)效率。

圖3 布雷頓循環(huán)示意圖和溫熵圖Fig. 3 The diagram of Brayton cycle and tephigram

圖4 三種工質(zhì)在不同溫度下的循環(huán)效率Fig. 4 The cycle efficiency of three working medium in different temperature

目前，美國(guó)、歐洲、日韓等國(guó)家和地區(qū)均開展了對(duì)S-CO2發(fā)電技術(shù)的研究及樣機(jī)研制。美國(guó)的BMPC公司搭建了100 kW級(jí)的S-CO2發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)；世界上第1個(gè)兆瓦級(jí)的商業(yè)S-CO2發(fā)電機(jī)組EPS100建于美國(guó)紐約并已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；美國(guó)諾爾斯原子能實(shí)驗(yàn)室和貝蒂斯試驗(yàn)室正在探索S-CO2渦輪發(fā)電技術(shù)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用并已建成1座100 kW電功率的整體試驗(yàn)系統(tǒng)；日本東京工業(yè)大學(xué)完成了600 MW的S-CO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也在進(jìn)行相關(guān)研究。

由此可知，通過S-CO2渦輪發(fā)電技術(shù)，可以高效的利用排氣的余熱能量，具有應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

S-CO2渦輪發(fā)電具有顯著的優(yōu)勢(shì)和前景，但目前仍存在不少關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

3.1 S-CO2物性研究與能量轉(zhuǎn)換分析

國(guó)內(nèi)外研究者從理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等3個(gè)方面開展關(guān)于S-CO2的流動(dòng)特性研究，以便掌握其能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，了解其在近臨界區(qū)和跨臨界點(diǎn)時(shí)的非線性變化特征，這需要大量的熱力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)工作。

同時(shí)S-CO2渦輪發(fā)電系統(tǒng)的整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制難度大，需優(yōu)化匹配作功前后的S-CO2的溫度和壓力狀態(tài)，尤其保證其仍處于超臨界狀態(tài)。這一方面要求具有高效的換熱設(shè)備和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，另一方面要求當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需求發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)可及時(shí)作出調(diào)整，保證系統(tǒng)效率水平。

3.2 高效渦輪與高速電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)

渦輪與發(fā)電機(jī)是整個(gè)S-CO2發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，是工作環(huán)境最惡劣、可靠性和效率性要求最高的部分。

渦輪機(jī)械不僅要實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速以提高比功率，更需要充分考慮S-CO2工質(zhì)的高溫高壓高流動(dòng)性等參數(shù)，在材料強(qiáng)度、軸承方案、冷卻設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)上都具有較高的挑戰(zhàn)。高速電機(jī)的研究是目前的熱點(diǎn)之一，其轉(zhuǎn)子損耗、渦流損耗、材料、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等都是提高高速電機(jī)效率的研究核心，電磁與溫度也是重要的研究參數(shù)。

3.3 熱端材料

S-CO2系統(tǒng)對(duì)材料的耐壓、耐高溫、耐腐蝕性要求高，同時(shí)對(duì)加工、生產(chǎn)、熱處理、檢驗(yàn)探傷等工藝也提出了較高要求。目前主流的材料為鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼以及鎳基高溫合金等，并通過耐蝕性能、抗氧化性、高溫抗張強(qiáng)度、蠕變破裂強(qiáng)度、持久性以及經(jīng)濟(jì)性等方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)化選擇。

4 樣機(jī)研制

在深入分析S-CO2渦輪發(fā)電原理和船舶工況參數(shù)的基礎(chǔ)上，研制了1套30 kW級(jí)S-CO2渦輪發(fā)電機(jī)，并于前期開展氮?dú)怛?qū)動(dòng)功率試驗(yàn)。樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

針對(duì)參數(shù)要求開展設(shè)計(jì)，包括葉型設(shè)計(jì)、進(jìn)出口噴管設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑冷卻設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、電機(jī)設(shè)計(jì)等。完成了樣機(jī)研制并使用高壓氮?dú)膺M(jìn)行功率測(cè)試試驗(yàn)。樣機(jī)實(shí)物照片及試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。氮吹試驗(yàn)的功率/轉(zhuǎn)速結(jié)果如圖6所示。

需要說明的是，渦輪進(jìn)口設(shè)計(jì)為兩路噴嘴，圖6中前5組試驗(yàn)的條件均為單路噴嘴進(jìn)氣，而第6組（即圖中方框中的數(shù)據(jù)點(diǎn)）試驗(yàn)則為雙路噴嘴同時(shí)進(jìn)氣，在進(jìn)一步增加進(jìn)氣流量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了功率36 kW/轉(zhuǎn)速36.5 kr/min的輸出。氮吹試驗(yàn)為開式系統(tǒng)試驗(yàn)，即氮?dú)庵苯优湃氪髿?，高壓比提高了渦輪的作功能力。氮吹試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的估計(jì)具有較好的擬合度，說明渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)正確；同時(shí)驗(yàn)證了渦輪發(fā)電機(jī)具備在額定條件下穩(wěn)定運(yùn)行的能力；可進(jìn)一步應(yīng)用于S-CO2工質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 30 kW級(jí)S-CO2渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 The S-CO2 turbo-generator design parameter of 30kW level

圖5 S-CO2渦輪發(fā)電機(jī)實(shí)物照片及試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 5 The S-CO2 turbo-generator photograph and testing system diagram

圖6 S-CO2渦輪發(fā)電機(jī)氮吹試驗(yàn)功率/轉(zhuǎn)速結(jié)果Fig. 6 The nitrogen testing power of S-CO2 turbo-generator and speed result

5 結(jié) 語(yǔ)

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度中蘊(yùn)含著大量的能量，同時(shí)現(xiàn)代船舶的發(fā)展對(duì)電能的需求越來越大，高效利用排氣余熱進(jìn)行發(fā)電，對(duì)于滿足船舶應(yīng)用需求以及提高船舶運(yùn)行效率具有重要的意義。溫差發(fā)電或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電對(duì)于余熱的利用效率較低，而S-CO2渦輪發(fā)電則由于工質(zhì)優(yōu)良的物性狀態(tài)和作功能力而具有巨大的潛力，國(guó)內(nèi)外也在積極開展相關(guān)技術(shù)的研究與樣機(jī)的研制。

本文介紹了S-CO2渦輪發(fā)電的技術(shù)方法及關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)參數(shù)目標(biāo)設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)S-CO2渦輪發(fā)電機(jī)。在氮吹試驗(yàn)中，樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了最高36 kW/36.5 kr/min的輸出，可進(jìn)一步應(yīng)用于S-CO2工質(zhì)的試驗(yàn)。針對(duì)船舶余熱利用開展S-CO2渦輪發(fā)電系統(tǒng)的論證與研制，對(duì)于提高船舶效率和技術(shù)發(fā)展水平具有重要的意義。

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Analysis of waste-heat utilization by supercritical carbon dioxide turbine generator in ship

LI Pei-jian
(Navy Equipment Department in CALT Military Repressentative Bureau, Beijing 100076, China)

The level of ship power equipment is key issue of State economy and military. One of the key technologies is waste-heat utilization of engine exhaust emission. Electrical energy is more and more important in modern ship, generating electricity from the waste heat is promising. With good characteristic of density and fluxion, supercritical carbon dioxide shows efficient power ability in the low temperature zone, having huge advantage than thermoelectric and combustion gas turbine. The development and technology are investigated of supercritical carbon dioxide turbine generator. A 30 kWs prototype is developed according to the ship parameters. The turbine generator maximum outputs 36 kW/36.5 kr/min during experiment using nitrogen, which can make advance on waste-heat utilization in ship.

supercritical carbon dioxide；turbine-generator；waste heat；ship；efficiency

TG172

A

1672 – 7649(2017)10 – 0084 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.016

2017 – 02 – 21

李沛劍(1979 – )，男，工程師，研究方向?yàn)閷?dǎo)彈總體及伺服技術(shù)。