超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)特點(diǎn)與應(yīng)用

徐 前， 陳洪溪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

在20世紀(jì)60年代，ANGELINO G等[1-2]提出了利用超臨界二氧化碳(S-CO2)作為閉式布雷頓循環(huán)工質(zhì)的概念，目的是減少壓縮耗功，使循環(huán)獲得更高的熱效率；但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，無法解決高效緊湊式換熱器和高速發(fā)電機(jī)的技術(shù)瓶頸，最后并沒有將其實(shí)現(xiàn)。隨著當(dāng)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，印刷電路板式換熱器的出現(xiàn)為S-CO2閉式布雷頓循環(huán)提供了高效緊湊式換熱器。此外，以S-CO2為工質(zhì)的緊湊式透平和壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和研制工作也逐步展開。S-CO2閉式布雷頓循環(huán)在燃煤發(fā)電、核能發(fā)電、聚光式太陽能發(fā)電(CSP)及余熱利用等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些初步的研究成果[3-4]，該循環(huán)對于實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電及高效能源利用可以起到重要作用，因此有必要開展對S-CO2閉式布雷頓循環(huán)的研究。

S-CO2閉式布雷頓循環(huán)是目前應(yīng)用最廣及效率最高的S-CO2動力循環(huán)方式，在中高溫?zé)嵩窗l(fā)電方面，已有學(xué)者從理論上驗(yàn)證其能夠代替蒸汽朗肯循環(huán)，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱效率高、系統(tǒng)布置簡單等優(yōu)點(diǎn)，特別是對于核能和太陽能等恒定高溫?zé)嵩磥碚f，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢更加突出[5]。

筆者分析了CO2的熱力學(xué)參數(shù)在臨界區(qū)域附近的變化帶來的循環(huán)增益，并將S-CO2閉式布雷頓循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)及空氣布雷頓循環(huán)進(jìn)行比較，分析該循環(huán)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，最后綜述了S-CO2閉式布雷頓循環(huán)在燃煤電站、核反應(yīng)堆、CSP以及余熱利用等領(lǐng)域的研究進(jìn)展及成果。

1 S-CO2工質(zhì)特性

1.1 臨界區(qū)域附近CO2的熱力學(xué)參數(shù)變化

利用工質(zhì)在臨界點(diǎn)附近參數(shù)的變化往往可以為循環(huán)帶來增益，但對于蒸汽和空氣等其他工質(zhì)，很難在運(yùn)行工況內(nèi)處于臨界狀態(tài)附近。表1給出了CO2的基本物性參數(shù)，可以看出其臨界溫度為30.98 ℃，接近于環(huán)境溫度，在運(yùn)行工況內(nèi)容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，也更方便利用工質(zhì)臨界區(qū)域附近熱力學(xué)參數(shù)變化敏感的特點(diǎn)來提高布雷頓循環(huán)性能。

表1 CO2的基本物性參數(shù)

目前已有不少商業(yè)軟件可以直接計(jì)算得到CO2在不同狀態(tài)下的物性參數(shù)[6]，筆者基于REFPROP軟件中的物性數(shù)據(jù)研究CO2在臨界區(qū)域附近參數(shù)的變化趨勢。

圖1為CO2在4～20 MPa的等壓線變化趨勢。在臨界區(qū)域附近，等壓線的斜率顯著減小，壓力為8 MPa的等壓線變化趨勢最為明顯，該等壓線在溫度304 K處的斜率已接近于水平；而等壓線的斜率越小意味著實(shí)現(xiàn)相同的壓比時(shí)工質(zhì)溫度升高的幅度越小，在壓縮過程中，工質(zhì)因壓縮產(chǎn)生的溫升越小，則壓縮耗功越小，壓縮效率就越高。比定壓熱容可以定義在為等壓過程中比焓對溫度的偏導(dǎo)數(shù)，相當(dāng)于圖1中等壓線斜率的倒數(shù)，而圖1中等壓線在臨界區(qū)域附近斜率很小，即意味著比定壓熱容在臨界區(qū)域附近很大。

圖1 臨界區(qū)域附近CO2等壓線變化趨勢

圖2為CO2密度隨溫度的變化。

圖2 CO2密度隨溫度的變化

從圖2中可以看出：在相同壓力下CO2的密度隨溫度的升高而降低，且壓力越接近于臨界壓力值時(shí)，密度隨溫度升高產(chǎn)生的下降幅度就越大，如在臨界壓力下，304 K時(shí)臨界密度為467.6 kg/m3，而310 K時(shí)密度已經(jīng)降低到約為241.2 kg/m3，下降幅度較大。

圖3為CO2黏度隨溫度的變化。CO2黏度隨溫度的變化趨勢與密度的變化趨勢相同，在相同壓力下黏度隨溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢，且在臨界區(qū)域附近下降幅度很大，在臨界溫度(304 K)下，水的黏度為769 μPa·s，空氣的黏度為18.5 μPa·s，CO2黏度比空氣大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水，相對更接近于空氣。

圖3 CO2黏度隨溫度的變化

CO2在臨界區(qū)域附近導(dǎo)熱系數(shù)的變化也很大，305 K時(shí)CO2的導(dǎo)熱系數(shù)比307 K時(shí)提高近50%，相對于其他工質(zhì)，CO2導(dǎo)熱系數(shù)是相同溫度(304 K)下空氣導(dǎo)熱系數(shù)的7倍，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的導(dǎo)熱系數(shù)[6]。因此，較高的導(dǎo)熱系數(shù)也可以顯著提高布雷頓循環(huán)中低溫?fù)Q熱器的換熱效率。

由以上分析可知：在臨界點(diǎn)以前，CO2可以作為一種高黏度和高密度的液態(tài)工質(zhì)，在臨界區(qū)域附近比熱容、密度、黏度及導(dǎo)熱系數(shù)等都保持較大值，隨溫度升高這些參數(shù)沿著等壓線方向呈現(xiàn)下降趨勢，且越接近臨界區(qū)域，下降幅度越大。

1.2 工質(zhì)特性產(chǎn)生的循環(huán)增益

將壓氣機(jī)入口狀態(tài)點(diǎn)設(shè)計(jì)在臨界區(qū)域附近，此時(shí)CO2雖處于超臨界狀態(tài)，但接近于臨界狀態(tài)點(diǎn)，更類似于液態(tài)工質(zhì)，密度大約為水的1/3，壓縮系數(shù)在0.4左右[6]，可以有效降低壓縮耗功。CO2在壓氣機(jī)中壓縮至高壓狀態(tài)下，又經(jīng)過加熱器加熱至高溫高壓狀態(tài)進(jìn)入透平膨脹做功，在較低的透平入口溫度下，也可獲得較好的循環(huán)熱效率。

圖4為S-CO2閉式布雷頓循環(huán)的溫熵圖。從圖4中可以看出：在整個(gè)循環(huán)過程中，CO2都處于超臨界狀態(tài)，壓氣機(jī)入口狀態(tài)點(diǎn)越接近于臨界點(diǎn)，所帶來的循環(huán)增益就越大；另一方面，在壓氣機(jī)入口處，當(dāng)入口速度較高時(shí)，壓氣機(jī)局部靜壓和溫度就會降低，一旦降低到臨界參數(shù)以下，就會產(chǎn)生冷凝。為避免相變產(chǎn)生，壓氣機(jī)入口狀態(tài)的設(shè)定既要盡可能接近臨界區(qū)域以獲得較好的壓縮效率，又要留有一定的余量以避免發(fā)生相變。HOSANGADI A等[7]建立了相變模型，對壓氣機(jī)進(jìn)口條件進(jìn)行仿真分析，在壓氣機(jī)入口處壓力為7.843 MPa、溫度為305.4 K時(shí)，在葉片前緣和尾緣等溫度比壓力下降較快處預(yù)測到發(fā)生冷凝。MCCLUNG A等[8]指出在壓氣機(jī)入口處溫度為35 ℃、馬赫數(shù)為0.25、壓力為9 MPa時(shí)，需要留有2～3 MPa等焓壓力余量以避免相變發(fā)生。

圖4 S-CO2閉式布雷頓循環(huán)溫熵圖

2 S-CO2閉式循環(huán)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

2.1 循環(huán)特點(diǎn)

圖5從循環(huán)熱效率與透平進(jìn)口溫度的角度比較了目前幾種應(yīng)用最廣泛的循環(huán)系統(tǒng)。

圖5 不同循環(huán)方式的效率曲線示意圖

由圖5可得：從熱效率來看，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)最接近卡諾循環(huán)效率曲線；從透平進(jìn)口溫度來看，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)透平進(jìn)口溫度跨度較大，從300 ℃到800 ℃，適用于眾多熱源。對于500 ℃以下的熱源溫度，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)相比就失去了循環(huán)性能上的優(yōu)勢；對于500～700 ℃的熱源，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)在循環(huán)性能上具有比較明顯的優(yōu)勢；當(dāng)透平進(jìn)口溫度再進(jìn)一步升高，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)就不再適用，空氣布雷頓循環(huán)可以利用溫度高于1 100 ℃的熱源，即燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用，但是其熱效率低于40%。采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，熱效率能夠顯著提高至50%～57%。

蒸汽朗肯循環(huán)在較低的透平進(jìn)口溫度下可以獲得較高的熱效率，因?yàn)樵谘h(huán)升壓過程中，工質(zhì)(液態(tài)水)為不可壓縮流體，升壓過程耗功非常小、循環(huán)熱效率高，但是由于水蒸氣在超臨界狀態(tài)下的腐蝕性比較強(qiáng)，很難通過提高透平進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高熱效率；而在燃?xì)廨啓C(jī)中，雖然透平進(jìn)口溫度比前者高很多，但循環(huán)熱效率也沒有得到顯著提高，主要是由于壓縮過程消耗了大量的功，空氣作為工質(zhì)在壓縮過程中耗功較大，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)透平入口溫度的進(jìn)一步提高也受到材料耐溫性的限制。

S-CO2閉式布雷頓循環(huán)結(jié)合了兩種循環(huán)各自的優(yōu)勢：相對于空氣布雷頓循環(huán)，在壓縮過程，CO2處于臨界區(qū)域附近，此時(shí)的工質(zhì)壓縮系數(shù)在0.4左右，在性質(zhì)上更接近于液態(tài)工質(zhì)，對于減少壓縮耗功非常有利；相對于蒸汽朗肯循環(huán)，在相同溫度下，CO2的腐蝕性比蒸汽要低得多，因此，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)可以提高蒸汽朗肯循環(huán)的透平進(jìn)口溫度來提高循環(huán)熱效率。

2.2 循環(huán)布置形式

由于S-CO2閉式布雷頓循環(huán)中透平進(jìn)口溫度較高，而循環(huán)壓比一般比蒸汽朗肯循環(huán)壓比要小，導(dǎo)致透平的出口溫度相對較高。因此，非常有必要采用回?zé)嵫b置，回?zé)嵝蕦ρh(huán)熱效率產(chǎn)生重要影響。對簡單布雷頓循環(huán)形式進(jìn)行改進(jìn)，出現(xiàn)了包括回?zé)崾?、中冷式、再熱式、再壓縮、分流膨脹等多種布置形式，目前效率最高的布置形式是S-CO2閉式再壓縮循環(huán)[1-2]。

圖6和圖7分別為S-CO2再壓縮閉式布雷頓(簡稱S-CO2再壓縮)循環(huán)的系統(tǒng)布置圖及相應(yīng)的溫熵圖。

從加熱器流出的高溫、高壓CO2進(jìn)入透平膨脹做功，透平出口的CO2先進(jìn)入高溫回?zé)崞鞣艧?，再進(jìn)入低溫回?zé)崞?，根?jù)分流比進(jìn)行分流，一部分工質(zhì)直接進(jìn)入分壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，另一部分工質(zhì)先進(jìn)入預(yù)冷器冷卻后再進(jìn)入主壓氣機(jī)壓縮，且通過低溫回?zé)崞骰責(zé)嶂僚c直接在分壓氣機(jī)中壓縮的另一部分工質(zhì)相同的溫度，混合后一起流經(jīng)高溫回?zé)崞骰責(zé)?，最后進(jìn)入加熱器加熱。S-CO2再壓縮循環(huán)采用2個(gè)回?zé)崞?，即低溫回?zé)崞骱透邷鼗責(zé)崞鳎猛钙匠隹谟酂岱謩e對主壓氣機(jī)和分壓氣機(jī)出口工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，以高效地利用循環(huán)中冷熱兩端較大的比熱容差，有效提高循環(huán)的熱效率。

圖6 S-CO2再壓縮循環(huán)系統(tǒng)布置圖

圖7 S-CO2再壓縮循環(huán)系統(tǒng)溫熵圖

2.3 循環(huán)優(yōu)勢

S-CO2閉式再壓縮循環(huán)作為一種非常有潛力的動力循環(huán)方式，有如下優(yōu)勢：

(1) CO2具有無毒、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，其成本僅為He的1/10、R-134a的1/70。

(2) 透平部件尺寸優(yōu)勢。CO2在整個(gè)循環(huán)過程中都處于一個(gè)密度相對較大的狀態(tài)，體積流量顯著減小，透平部件的尺寸要遠(yuǎn)小于蒸汽透平，甚至只有后者的1/10[9]。緊湊的透平部件使得機(jī)組占地面積減小，尤其適用于船舶、艦艇等空間不足的場所。

(3) 透平進(jìn)口溫度適中且熱效率高，不會受到透平部件材料的限制，循環(huán)熱效率比蒸汽朗肯循環(huán)的熱循環(huán)高出5%[5]。

(4) 循環(huán)布置形式簡單，總投資成本小。CO2在整個(gè)循環(huán)過程中處于超臨界狀態(tài)，沒有相變過程，不需要凝汽器，所使用的閥門數(shù)量也只有蒸汽朗肯循環(huán)的1/10，而且對材料的耐溫性要求較低，在部件制造過程中減少制造成本。

(5) S-CO2閉式再壓縮循環(huán)可采用空氣冷卻，特別適用于聚光式太陽能發(fā)電以及水資源短缺地區(qū)。在聚光式太陽能發(fā)電應(yīng)用方面，S-CO2動力循環(huán)在采用空氣冷卻或混合方式冷卻以減少冷卻水的消耗方面具有競爭優(yōu)勢[10-12]；但是，也有研究表明采用空氣冷卻并不比采用水冷更具有競爭優(yōu)勢，因?yàn)榭諝饫鋮s所需要的換熱器尺寸較大，機(jī)組總投資成本會顯著增加[13]。

(6) 良好的熱源適應(yīng)性。對于S-CO2閉式布雷頓循環(huán)，透平進(jìn)口溫度范圍廣，可應(yīng)用到燃煤發(fā)電、太陽能發(fā)電等眾多領(lǐng)域。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 燃煤電站

S-CO2閉式布雷頓循環(huán)是應(yīng)用于煤炭清潔高效利用的未來發(fā)展的重要方向之一，已經(jīng)列入國家科技創(chuàng)新規(guī)劃重大工程。對于燃煤電站，該循環(huán)可以作為頂循環(huán)來提高發(fā)電效率，同時(shí)還可以利用CO2捕集裝置來降低碳排放量。LE MOULLEC Y[14]對S-CO2閉式布雷頓循環(huán)應(yīng)用于燃煤電站進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，該燃煤電站帶有CO2捕集裝置，利用單乙醇胺作為溶劑收集CO2，低熱值發(fā)電效率達(dá)到41.3%，減少了45%的脫碳成本。MECHERI M等[15]也研究了燃煤鍋爐和S-CO2布雷頓循環(huán)相結(jié)合的布置形式，并分析了3種利用鍋爐低溫?zé)嵩吹男问?，最終得到低熱值發(fā)電效率高于48%；但是也面臨加熱器設(shè)計(jì)復(fù)雜、熱損失較大、壓降敏感等技術(shù)難題[16]。

3.2 核能發(fā)電

S-CO2閉式布雷頓循環(huán)早期研究就是為了應(yīng)用于核能發(fā)電，在核反應(yīng)堆中，該循環(huán)可以取代反應(yīng)較為激烈的鈉水反應(yīng)，可以增加核電系統(tǒng)的安全性，同時(shí)在效率方面也有所提高。MOISSEYTSEV A等[17]對S-CO2閉式布雷頓循環(huán)在鈉冷快堆(SFR)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了不同布置形式下的循環(huán)效率。韓國核能與量子研究所采用數(shù)值模擬分析了CO2泄漏對鈉-CO2換熱器的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[18]。在第四代核電開發(fā)技術(shù)路線中，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)可以作為二回路循環(huán)，尤其適用于堆出口溫度為550 ℃的鉛水快堆(LFR)和SFR。

3.3 太陽能發(fā)電

CSP通過聚集太陽輻射獲取熱能，并利用熱能來產(chǎn)生高溫蒸汽以驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。對于缺水的沙漠地區(qū)不再適用，且機(jī)組龐大，投資成本高；而S-CO2閉式布雷頓循環(huán)適用于空冷機(jī)組和各種中小型聚光式太陽能發(fā)電站。

NEISES T等[19]總結(jié)了S-CO2閉式布雷頓循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)在CSP應(yīng)用中的優(yōu)勢，并比較了再壓縮循環(huán)布置與部分冷卻布置形式在應(yīng)用到CSP中的平均熱效率，并指出部分冷卻布置形式更具有優(yōu)勢。美國能源部太陽能技術(shù)辦公室規(guī)劃在2030年CSP實(shí)現(xiàn)在基本負(fù)荷時(shí)平均發(fā)電成本降低至5 美分/(kW·h)[20]，在峰值負(fù)荷時(shí)發(fā)電成本降低至10 美分/(kW·h)，對S-CO2閉式布雷頓循環(huán)應(yīng)用到CSP電站中進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，針對主換熱器溫差及空氣冷卻等方面進(jìn)行初步驗(yàn)證，認(rèn)為該循環(huán)可有效降低投資和發(fā)電成本。

3.4 余熱利用

余熱利用一般是對于已有的動力循環(huán)方式，當(dāng)頂循環(huán)排氣溫度較高時(shí)，會采用一個(gè)底循環(huán)進(jìn)行余熱利用，傳統(tǒng)采用蒸汽朗肯循環(huán)或有機(jī)朗肯循環(huán)來進(jìn)行余熱利用；而S-CO2閉式布雷頓循環(huán)具有較低的底循環(huán)溫度，接近環(huán)境溫度，因此可利用溫度更低的低品質(zhì)熱源，且熱效率較高。

MINKIM Y等[21]對S-CO2閉式朗肯循環(huán)用于燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，指出了與蒸汽朗肯循環(huán)相比，該循環(huán)具有布置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊及循環(huán)效率高的優(yōu)勢，分析了S-CO2簡單朗肯循環(huán)用于余熱利用還需要進(jìn)一步改進(jìn)布置形式，以獲得更好的回?zé)嵝?，對S-CO2簡單朗肯循環(huán)、低溫?fù)Q熱器串聯(lián)朗肯循環(huán)以及分流朗肯循環(huán)進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明分流式朗肯循環(huán)的循環(huán)熱效率最高、回?zé)嵝Ч詈谩?/p>

4 結(jié)語

CO2作為循環(huán)工質(zhì)，與蒸汽相比展現(xiàn)出較多優(yōu)勢，尤其是其臨界狀態(tài)點(diǎn)適中時(shí)可以獲取循環(huán)增益，將其應(yīng)用于閉式布雷頓循環(huán)中，可以顯著減少壓縮耗功，在500～700 ℃的熱源溫度下可以得到較高的熱效率。在煤炭清潔發(fā)電、第四代核能發(fā)電及太陽能聚光式發(fā)電等領(lǐng)域中，S-CO2閉式布雷頓循環(huán)可承擔(dān)重要角色。當(dāng)前主要處于研發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證階段，在真正推廣到實(shí)際商業(yè)應(yīng)用的過程中，還有各種技術(shù)難題需要解決。