超臨界CO2在電力行業(yè)的應(yīng)用及現(xiàn)狀

曹 蕾，孫登科，李維成，陳 陽，周松銳

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

超臨界二氧化碳(sCO2)是CO2的超臨界狀態(tài)，兼有氣體、液體的雙重特點且具有許多其他超臨界流體不具備的性質(zhì)，在傳統(tǒng)的萃取、材料清洗、涂料、染料行業(yè)等已有應(yīng)用。

利用超臨界二氧化碳(sCO2)循環(huán)發(fā)電的概念和可行性研究始于20世紀(jì)60年代[1]，但由于研究條件、設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)的限制，發(fā)展較緩慢。2004年Dostal等[2]率先報道了將sCO2用于新一代核反應(yīng)堆的研究，開啟了將sCO2用作發(fā)電介質(zhì)的技術(shù)和使用sCO2系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)備的研究熱潮[3]。從sCO2的特性來看、因其臨界點相比水的臨界點非常容易達(dá)到，且有很多優(yōu)于超臨界水的特性，具備替代現(xiàn)有水工質(zhì)作為能量吸收和轉(zhuǎn)化工質(zhì)的潛力。因此，sCO2對于提高能源利用效率、降低碳捕捉成本意義重大，已躋身成為燃煤發(fā)電前沿技術(shù)之一[4]。

中國進(jìn)入“十三五”時期后，電力行業(yè)也開始深入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，要建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。采用sCO2的布雷頓(Brayton)循環(huán)發(fā)電具有更高的發(fā)電效率，其發(fā)電系統(tǒng)的壓縮機(jī)、透平等機(jī)構(gòu)緊湊、體積較小，可減小系統(tǒng)投資，也特別適合于核動力、艦船[5]等空間有限的場合。此外，sCO2的物性特點也決定了其在余熱回收[6]方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹了sCO2的特性，歸納其在電力行業(yè)的應(yīng)用和研究進(jìn)展，然后對發(fā)展sCO2循環(huán)發(fā)電存在的共性問題進(jìn)行總結(jié)，并對sCO2用于發(fā)電的前景進(jìn)行展望。

1 sCO2特性

當(dāng)CO2的溫度超過31.1 ℃、壓力超過7.38 MPa時，即進(jìn)入sCO2狀態(tài)。sCO2流體性質(zhì)介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點且流體黏度低、接近氣體，流動性強(qiáng)、易于擴(kuò)散，密度大、接近液體，傳熱效率高、作功能力強(qiáng)，價格低、易得到，非易燃易爆、無毒[7]。

2 sCO2在電力行業(yè)的應(yīng)用

sCO2發(fā)電屬“熱機(jī)”原理，其循環(huán)通常使用逼近理論最優(yōu)的概括性卡諾循環(huán)—布雷頓(Brayton)循環(huán)，即以sCO2作循環(huán)工質(zhì)，推動透平做功，將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，循環(huán)過程中sCO2無相變。熱源可來自化學(xué)燃料燃燒、太陽能、核反應(yīng)堆、工業(yè)廢熱、地?zé)崮艿取?/p>

采用sCO2布雷頓循環(huán)作為熱量吸收和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點:① 熱穩(wěn)定性和物理性質(zhì)良好。sCO2在臨界點附近密度較大，可減小壓縮功，在循環(huán)最高溫度為500～700 ℃時即可達(dá)到較高的循環(huán)熱效率，溫度高于500 ℃后，其循環(huán)效率比蒸汽朗肯循環(huán)高3%～5%。② sCO2的高流體密度?？蓽p小透平、壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的尺寸，降低設(shè)備造價。以發(fā)電透平的尺寸為例，在相同發(fā)電能力條件下，CO2、He、水蒸氣3種工質(zhì)所需的透平尺寸比為1∶6∶30。③ sCO2的工作溫度和工作壓力相對較低、更易達(dá)到。目前的超超臨界火電機(jī)組水蒸氣的工作參數(shù)為550～700 ℃、27～35 MPa，而sCO2的工作溫度、壓力只需500～700 ℃、20 MPa[8]。

sCO2的布雷頓循環(huán)過程如圖1所示，sCO2的壓力和體積的變化按圖中點1—2—3—4—1順序循環(huán)。sCO2經(jīng)過壓縮機(jī)升壓(1—2);然后利用換熱器將sCO2等壓加熱(2—3);sCO2被加熱后進(jìn)入透平，推動透平轉(zhuǎn)子做功(3—4);做功后sCO2進(jìn)入冷卻器，恢復(fù)到初始狀態(tài)(4—1)，再進(jìn)入壓縮機(jī)形成閉式循環(huán)。在高于400 ℃時，sCO2發(fā)電效率已具有明顯的優(yōu)勢，且隨溫度升高效率也顯著提高，當(dāng)溫度達(dá)550 ℃時，發(fā)電效率可達(dá)45%[9]。

圖1 基本布雷頓循環(huán)PV圖Fig.1 PV diagram of basic Brayton cycle

典型的sCO2發(fā)電循環(huán)流程如圖2所示。系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、高速透平、回?zé)崞?換熱器、冷卻器等設(shè)備。應(yīng)用中，常加入中間冷卻、分流、再壓縮或多級壓縮中間冷卻等熱力過程以提高循環(huán)效率。

圖2 sCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意Fig.2 Sketch of sCO2 cycle power generation

2.1 火力發(fā)電

sCO2用于火力發(fā)電即是替代傳統(tǒng)鍋爐中的水蒸汽介質(zhì)。此時，圖2中的熱源即為含碳原料燃燒放出的熱量。sCO2循環(huán)無相變，壓縮過程中消耗能量小，只占透平輸出功的30%。常規(guī)He循環(huán)約占45%，燃?xì)廨啓C(jī)則更高，占50%～60%。

2.2 核能發(fā)電

sCO2用核能發(fā)電時，若采用直接循環(huán)，則圖2中的熱源為核反應(yīng)堆堆芯;若采用間接循環(huán)，則圖2中熱源則為核島中的蒸汽發(fā)生器。sCO2布雷頓循環(huán)用于核能發(fā)電除了具有效率高、設(shè)備體積小等優(yōu)勢，在安全性上較蒸汽系統(tǒng)有極大改善，因此sCO2布雷頓循環(huán)成為第4代核電的備選方案之一[10]。

2.3 太陽能發(fā)電

綜合sCO2布雷頓循環(huán)效率和現(xiàn)有材料的服役溫度，500～700 ℃的運(yùn)行溫度最合適，而這正是太陽能光熱發(fā)電的聚光器和吸熱器可實現(xiàn)的溫度。因此，近年來，不少學(xué)者開展了將sCO2循環(huán)應(yīng)用于聚光型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的研究[3,11-17]。在太陽能光熱發(fā)電中，圖2熱源為經(jīng)吸熱器加熱后的熔鹽等介質(zhì)。

2.4 余熱回收

盡管各類工業(yè)廢熱屬于低品位能源，但其儲藏量巨大，分布廣，即便是小部分得以利用，也很可觀[18]。利用工業(yè)廢熱作為圖2中的熱源，搭配使用高效的微通道換熱器(如印刷電路板式換熱器(PCHE)[19-20])可使sCO2回收更多余熱。

3 sCO2在電力行業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展

近十年來，美國、英國、法國、中國、日本、韓國等均開展了sCO2用于發(fā)電的研究并形成了相關(guān)專利，部分國家已經(jīng)開展了樣機(jī)制造和試驗。研究內(nèi)容主要集中在sCO2循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、主要設(shè)備設(shè)計和制造、材料選取以及sCO2的性質(zhì)及腐蝕性研究等。

3.1 美國

美國的sCO2研究起步較早，研究較深入，中試裝置正在建設(shè)中，具體見表1。

3.2 中國

中國華能集團(tuán)、中國科學(xué)院、中核集團(tuán)核動力研究院等單位開展了sCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)及系統(tǒng)試驗。其他企業(yè)、高校對sCO2的應(yīng)用研究大部分集中在關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計、試驗和傳熱理論研究。

表1美國開展sCO2循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計的公司和進(jìn)展
Table1CompaniesthataredevelopingsCO2cyclesystemdesignandtheirprogress

單位名稱研究方向及進(jìn)展NREL、Abengoa Solar、Echogen Power、Sandia國家實驗室、UW-Madison、Barber-Nichols、EPRI組成的團(tuán)隊世界上第1個兆瓦級的商用sCO2發(fā)電機(jī)組EPS100建于美國紐約,發(fā)電輸出功率8 MW,采用雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。研究項目管理、sCO2循環(huán)模擬、將sCO2加入太陽能光熱系統(tǒng)、渦輪機(jī)和測試回路設(shè)計、壓縮機(jī)和透平的制造、場地及系統(tǒng)安裝和運(yùn)行、材料腐蝕評估等方面,用以設(shè)計、制造和驗證在700 ℃和干燥冷卻條件下的10 MWe超臨界CO2循環(huán)發(fā)電[21-22]Bechtel Marine Propulsion Corporation(BMPC)搭建了100 kW級的sCO2發(fā)電試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)是一種雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng),由一臺可變速渦輪機(jī)驅(qū)動壓氣機(jī),另一臺恒速渦輪機(jī)帶動電動機(jī)。該系統(tǒng)驗證了方案的可行性,但由于是縮比系統(tǒng),總效率并不高Echogen針對余熱發(fā)電研制出了sCO2發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過閥門的調(diào)節(jié)滿足不同余熱溫度的運(yùn)行條件,并且保證余熱發(fā)電效率達(dá)到30%。該系統(tǒng)可用于艦船發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng),將柴油機(jī)排出的中、高溫?zé)煔獾臒崃考右岳?降低了能量的浪費,同時,還可用于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,用sCO2取代傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)MIT提出了再壓縮sCO2冷卻核反應(yīng)堆的總體方案并進(jìn)行了熱動力設(shè)計,反應(yīng)堆額定熱功率為2 400 MW,渦輪機(jī)入口溫度和壓力分別為647 ℃和20 MPa,系統(tǒng)熱效率為51%,凈效率為47%[23]諾爾斯原子能實驗室與貝蒂斯實驗室(隸屬美國海軍堆項目組)探索sCO2布雷頓循環(huán)技術(shù)在船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。2010年,已建成一座100 kW電功率的整體試驗系統(tǒng),1 000～3 000 kW電功率的sCO2試驗的前期工作也在進(jìn)行中8 Rivers從2010年開始致力于sCO2循環(huán)的系統(tǒng)設(shè)置、優(yōu)化以及試驗研究。天然氣的Allam循環(huán)是將燃燒產(chǎn)生的CO2回注到燃機(jī)室繼續(xù)參與天然氣的燃燒作功,達(dá)到控制燃機(jī)室溫度和在乏氣中便于收集純CO2、降低CO2捕集成本的目的,屬于對sCO2直接加熱的利用方式[24-25]。此循環(huán)由8 Rivers公司下屬NET電力公司、?？怂过堧娏竞臀鞅劝?CB&I)公司聯(lián)合研發(fā)運(yùn)行。目前3家公司正在德克薩斯建設(shè)50 MWth的燃用天然氣、sCO2作循環(huán)介質(zhì)的示范電廠,投運(yùn)后還將示范Allam循環(huán)的全套可操作性[26]。NET公司還同日本東芝和英國Heatric公司合作,前者負(fù)責(zé)研發(fā)和提供新型sCO2燃機(jī)和透平,后者負(fù)責(zé)設(shè)計和制造PCHE。300 MWe的Allam循環(huán)天然氣發(fā)電商業(yè)電廠正在設(shè)計階段,預(yù)計2020年投入運(yùn)營

總的說來，中國對于sCO2發(fā)電應(yīng)用的開發(fā)整體相對滯后，研究方向和美國類似，主要集中在如下6方面。

3.2.1 sCO2的循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)和效率

3.2.2 sCO2傳熱效率

黃彥平等[34]對加熱工況下圓管內(nèi)sCO2傳熱關(guān)系式進(jìn)行了分類整理，分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的經(jīng)驗關(guān)系式多是根據(jù)有限的試驗結(jié)果擬合得到，適用范圍有限。黃彥平團(tuán)隊研究的內(nèi)容主要有PCHE流道設(shè)計和壓降計算方法。

王淑香等[35]對sCO2在螺旋管內(nèi)的混合對流換熱進(jìn)行試驗，得出了Nu的試驗關(guān)聯(lián)式。另外，核動力研究院、鄭州大學(xué)等單位對豎直圓管[36]、雙D形流道[37]、三葉管[38]、內(nèi)螺紋管[39]、細(xì)管[40]、傾斜管[41]內(nèi)的sCO2換熱特性進(jìn)行了模擬分析和計算。

3.2.3 基于sCO2的光熱發(fā)電

江蘇金通靈流體機(jī)械公司與中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2015年9月簽署了技術(shù)咨詢協(xié)議，擬共同開發(fā)面向太陽能光熱發(fā)電的sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)10 MW級發(fā)電系統(tǒng)、太陽能聚光及儲能單元的系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)[7]。

3.2.4 高效換熱設(shè)備、透平的開發(fā)

褚雯霄等[43]模擬和試驗驗證了不同肋結(jié)構(gòu)(即微通道結(jié)構(gòu))對PCHE傳熱的影響。潘利生等[44]研究了溫度對CO2發(fā)電效率的影響，同時還開展了換熱器的設(shè)計與優(yōu)化、高速透平的設(shè)計及發(fā)電系統(tǒng)的集成。

3.2.5 sCO2物性分析

sCO2物性參數(shù)雖可以通過NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)公開的REFPROP熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫查詢，但CO2在超臨界點附近的實際物性準(zhǔn)確性尚待試驗驗證。楊俊蘭等[45]對sCO2流體的性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，CO2的比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及黏度在準(zhǔn)臨界點附近的變化非常劇烈。

3.2.6 sCO2發(fā)電機(jī)組的選材

不同鋼材在sCO2的環(huán)境中也會發(fā)生不同程度的增重(即產(chǎn)生氧化膜、滲碳腐蝕)，趙新寶等[8,27]介紹了目前電站常用的鐵素體和奧氏體耐熱鋼、鎳基高溫合金在sCO2中的腐蝕情況。

3.3 法國

法國電力公司(EDF)從事了約8年的sCO2基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)設(shè)計，開展了適合sCO2的材料研究、聚光太陽能發(fā)電(CSP) 動態(tài)模擬、sCO2換熱系統(tǒng)設(shè)計;PCHE初步設(shè)計完成。在2013年提出二次再熱燃煤sCO2循環(huán)系統(tǒng)概念設(shè)計，計算效率達(dá)50%[46]。

3.4 日本

日本東京工業(yè)大學(xué)完成了用于核反應(yīng)堆的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計。該設(shè)計中采用了多級壓縮中間冷卻技術(shù)，額定功率為600 MW，透平入口溫度為647 ℃，反應(yīng)堆出口運(yùn)行壓力約為7 MPa，系統(tǒng)效率為45.8%;該大學(xué)還完成了用于太陽能發(fā)電的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)效率高達(dá)48.2%[47-50]。

東芝公司于2013年提出日本專利和世界專利，提出了一種使用sCO2循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)[51]。系統(tǒng)結(jié)合了富氧燃燒的燃機(jī)和sCO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)，燃機(jī)內(nèi)送入高壓的純氧和循環(huán)的CO2，燃燒得到的尾氣(較純的CO2)直接送入CO2透平進(jìn)行發(fā)電，乏氣通過冷卻器冷卻后，分離出CO2和水，再將CO2送入前述加壓器再次加壓。這一理念同美國8 Rivers公司的Allam循環(huán)類似。

3.5 韓國

韓國原子能研究院分析了sCO2循環(huán)與鈉冷快中子堆結(jié)合的可行性，并計劃進(jìn)一步開展PCHE熱工水動力性能的試驗研究[52-53]。推出了示范快堆電站KALIMER-600，與美國阿貢國家實驗室設(shè)計的電站相比，省去了中間回路，sCO2和堆芯出來的高溫鈉直接換熱，減少了設(shè)備。

4 結(jié)語及建議

sCO2在電力行業(yè)的應(yīng)用研究主要集中在太陽能光熱系統(tǒng)、核電系統(tǒng)以及用sCO2替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的水工質(zhì)進(jìn)入透平發(fā)電的方式。不同的sCO2循環(huán)系統(tǒng)中都存在如下還未完全解決的核心問題:

1)sCO2的物性和高溫下對材料的腐蝕特性。sCO2物性參數(shù)雖可以通過NIST公開的REFPROP熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫查詢，但CO2在超臨界點附近的實際物性準(zhǔn)確性尚待試驗驗證;sCO2對材料的腐蝕特點也需進(jìn)一步試驗驗證。

2)使用sCO2的系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型。適用于光熱發(fā)電系統(tǒng)、核電系統(tǒng)及燃煤燃?xì)庀到y(tǒng)的sCO2循環(huán)系統(tǒng)配置和設(shè)備選型各有特點，有的適合增加回?zé)岫巍⒂械倪m合增加二次再熱，具體的系統(tǒng)設(shè)置需要根據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬、試驗驗證及對比計算，篩選出最優(yōu)工況，才能提高發(fā)電效率。

3)PCHE的設(shè)計及制造。目前成熟商業(yè)化的PCHE設(shè)計制造方只有英國Heatric公司，另有瑞典的Alfa Laval公司宣稱能用爆炸法成形微通道換熱板。為降低sCO2循環(huán)系統(tǒng)總投資，國內(nèi)需開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PCHE產(chǎn)品。

4)新型sCO2透平的研發(fā)。由于sCO2流體性質(zhì)特殊性，使得透平體積能縮小至蒸汽朗肯循環(huán)透平的1/30，日本東芝公司已在開發(fā)新型高轉(zhuǎn)速的透平，我國也需加快開發(fā)速度。

5)新型sCO2壓縮機(jī)的研發(fā)。采用超臨界流體作為核反應(yīng)堆冷卻劑，利用超臨界流體擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓縮機(jī)運(yùn)行點設(shè)置在擬臨界溫度附近的大密度區(qū)，將反應(yīng)堆運(yùn)行點設(shè)置在擬臨界溫度之后的低密度區(qū)，可以在保證氣體冷卻的前提下，降低壓縮功耗，實現(xiàn)氣冷堆在中等堆芯出口溫度下達(dá)到較高效率的目標(biāo)[54]。因此，如核電工況下的壓縮機(jī)要使用在CO2的跨臨界區(qū)，由于密度波動很大，需開發(fā)合適的sCO2壓縮機(jī)。

6)sCO2燃機(jī)的研發(fā)。如果將sCO2用于類似Allam循環(huán)的工況，即是將CO2回注到煤、生物質(zhì)、燃?xì)馊紵到y(tǒng)中參與直燃發(fā)電，則對應(yīng)的燃機(jī)設(shè)計也會更改，需要新設(shè)計、驗證和制造。

綜上，sCO2在電力行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)主要集中在設(shè)備材料耐蝕性、循環(huán)系統(tǒng)高效布置以及高效傳熱、高效循環(huán)的新型設(shè)備研發(fā)三大方面。國外在這些方面的研發(fā)正如火如荼進(jìn)行，國內(nèi)研發(fā)也已大面積起步，相信未來會有越來越多的sCO2發(fā)電循環(huán)示范工程?？偟恼f來，隨著世界環(huán)境對能源的清潔高效利用要求越來越高，sCO2用作循環(huán)如布雷頓循環(huán)介質(zhì)，可替代水或蒸汽，解決到達(dá)超臨界點需要的溫度壓力高的問題;替代原有工質(zhì)如He、N2等，解決壓縮功耗過大的問題;同時也能縮小關(guān)鍵設(shè)備尺寸、減少空間和設(shè)備材料投入;通過合理的系統(tǒng)布置，如Allam循環(huán)的類似方式，還能將CO2富集、便于捕捉。因此，sCO2憑借其獨特的物性優(yōu)勢，在電力行業(yè)的應(yīng)用有廣闊空間，在上述材料、循環(huán)系統(tǒng)高效設(shè)計以及關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計制造等瓶頸有所改善或突破后，必定會在民用發(fā)電、軍工、艦船等行業(yè)大有作為。

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