超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

張一童 周濤

（1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 江蘇南京 210096 2 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究團(tuán)隊(duì) 江蘇南京 210096）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和時代的進(jìn)步，對環(huán)境污染的預(yù)防和對高效能源的利用越來越受到重視。當(dāng)CO2在達(dá)到臨界狀態(tài)時，作為工質(zhì)循環(huán)可以得到相比于其他工質(zhì)更高的熱效率，在20世紀(jì)60～70 年代就曾掀起過研究的熱潮，只是由于當(dāng)時相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，比如材料耐高溫能力不足、缺少高效緊湊的換熱器等，并未得到很好的推廣。隨著關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，Michael［1］曾提 出3 種S-CO2冷卻快堆的設(shè)計(jì)方案，其中高性能的設(shè)計(jì)方案凈效率可高達(dá)49%；趙全斌等［2］的研究表明SCO2動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對于我國大型鈉冷快堆的研究有著相當(dāng)重要的意義。根據(jù)Simon 等［3］的研究，S-CO2動力循環(huán)也不存在鈉和水的反應(yīng)，具備循環(huán)效率高等諸多優(yōu)勢。CO2屬于溫室氣體，如果作為工質(zhì)替代蒸汽，在無泄漏的情況下循環(huán)利用，可以實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，對保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)碳中和有很大的幫助。已經(jīng)有諸多研究表明S-CO2布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，在火力發(fā)電、核電和太陽能發(fā)電領(lǐng)域都有所應(yīng)用。通過對S-CO2在不同領(lǐng)域中的循環(huán)效率和建設(shè)成本等進(jìn)行比較，得到S-CO2在火力發(fā)電、核電和太陽能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，以更好地幫助S-CO2在不同能源領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

1 研究對象

1.1 工質(zhì)性質(zhì)

超臨界二氧化碳的部分性質(zhì)如表1 所示。

從表1 可以看出，超臨界CO2（S-CO2）有著高密度、低黏度和低壓縮系數(shù)的特點(diǎn)，同時具備液體的高密度和傳熱載熱能力和氣體的良好流動性。S-CO2的臨界溫度較為接近環(huán)境溫度，更便于完成從熱源的吸熱和向冷源的放熱。其具備的高密度的優(yōu)點(diǎn)，可以增加設(shè)備的緊湊程度，節(jié)省占地面積。S-CO2動力循環(huán)還有著最高溫度和壓力適中的特點(diǎn)，因此并不需要采用較高耐溫等級的材料，使得設(shè)備成本下降。一般來說，處于壓縮機(jī)進(jìn)口的CO2處于剛達(dá)到超臨界的狀態(tài)，工質(zhì)的可壓縮性很小，可以當(dāng)作不可壓縮流體來看待，使得壓縮機(jī)在這個區(qū)域的耗功很小。

表1 超臨界二氧化碳性質(zhì)

1.2 循環(huán)原理

布雷頓循環(huán)在理想情況下的p-v 曲線和T-S 曲線如圖1、圖2 所示。

圖1 布雷頓循環(huán)p-v 圖

圖2 布雷頓循環(huán)T-S 圖

從圖1 和圖2 可以看出，超臨界CO2布雷頓循環(huán)包括4個基本過程：絕熱壓縮（1-2）、絕熱膨脹（3-4）、定壓加熱（2-3）和定壓放熱（4-1）過程。

1.3 工藝流程

根據(jù)葉俠豐等［4］的研究，基本的布雷頓循環(huán)工藝流程如圖3 所示。

圖3 布雷頓循環(huán)工藝流程

從圖3 可以看出：在布雷頓循環(huán)過程中，首先，低溫低壓的S-CO2工質(zhì)在壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮，變?yōu)楦邏汗べ|(zhì)，然后先經(jīng)由回?zé)崞髦械姆ζM(jìn)行第一步的預(yù)熱處理，被熱源進(jìn)一步加熱，達(dá)到符合要求的高溫高壓工質(zhì)。這些高溫高壓工質(zhì)將會在透平膨脹機(jī)中進(jìn)行絕熱膨脹，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，而已經(jīng)做完功的乏汽將進(jìn)入回?zé)崞髦羞M(jìn)行余熱余能的回收，用來對壓縮機(jī)送入的低溫高壓工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱處理，最后進(jìn)入壓縮機(jī)中壓縮，至此完成了整個布雷頓循環(huán)。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 火力發(fā)電

2.1.1 循環(huán)方式

根據(jù)馮巖等［5］的研究，這里以部分冷卻循環(huán)方式為例來進(jìn)行分析，流程如圖4 所示。

圖4 部分冷卻及改進(jìn)回?zé)嵫h(huán)流程

從圖4 可以看出，部分冷卻S-CO2的溫度較低，吸熱溫差大，可以提高換熱效率，同時工質(zhì)的流量也可以大大減少。以便選擇從主壓縮機(jī)出口或者高溫回?zé)崞魅肟谔幉捎霉べ|(zhì)分流，這部分工質(zhì)可以送往冷卻鍋爐的煙氣，降低鍋爐排煙溫度，這樣做會使得循環(huán)效率降低，但是由于降低了排煙溫度，所以從整體角度思考，系統(tǒng)的熱效率更高。在傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠中，一般是采用朗肯循環(huán)來進(jìn)行火力發(fā)電，可以直接用SCO2布雷頓循環(huán)直接代替朗肯循環(huán)，并依據(jù)布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)的區(qū)別來對對應(yīng)設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，就可以得到符合要求的大容量機(jī)組。

2.1.2 與蒸汽工質(zhì)的循環(huán)效率比較

依據(jù)王為術(shù)等［6］和周海瀾等［7］對火電機(jī)組效率的研究，可以得到不同工質(zhì)機(jī)組的循環(huán)效率如表2 所示。

表2 火電機(jī)組效率

從表2 可以看出，S-CO2機(jī)組的循環(huán)效率比傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)效率高3%～10%，但是平均成本也會高出5%～8%。從經(jīng)濟(jì)上來講，與目前燃煤發(fā)電的方式相比較，S-CO2機(jī)組的循環(huán)效率其實(shí)并沒有顯著的提高。由于其需要大量的回?zé)崞?，參照?dāng)前國際上的價格，版型回?zé)崞鳎?］一般為500 元/kWth～600 元/kWth，如果折算為單位裝機(jī)容量，差不多為2 500 元/kWe～3 000 元/kWe。雖然有著循環(huán)效率高和其他方面的優(yōu)勢，但是經(jīng)濟(jì)性方面稍有不足。如果能夠降低所需的成本，那么對于S-CO2的推廣必然有著很大的幫助。

2.2 核電

2.2.1 循環(huán)方式

以鈉冷快堆為例，根據(jù)齊少璞等［9］的研究，循環(huán)原理如圖5 所示。

圖5 鈉冷快堆采用S-CO2 動力循環(huán)流程

從圖5 可以看出，在鈉冷快堆中使用S-CO2作為工質(zhì)可以避免鈉水反應(yīng)的發(fā)生，提高安全性。CO2是1 種良好的一回路冷卻劑，同時S-CO2應(yīng)用于第4 代核反應(yīng)堆可以獲得更高的循環(huán)熱效率和安全性。第4 代堆型可以達(dá)到500 ℃～900 ℃，以往的蒸汽工質(zhì)已經(jīng)無法滿足需求。

2.2.2 與蒸汽工質(zhì)的循環(huán)效率比較

S-CO2與He 和水蒸氣在堆芯出口溫度變化時，其循環(huán)熱效率［10］的變化如圖6 所示。

圖6 3 種工質(zhì)在不同溫度下的循環(huán)效率

從圖6 可以看出，當(dāng)溫度處于500 ℃～800 ℃的時候，SCO2的循環(huán)熱效率明顯高于He 和水蒸氣，這就是S-CO2的顯著優(yōu)勢。如果使用He 作為工質(zhì)，想要達(dá)到較高的循環(huán)效率，就需要工質(zhì)擁有較高的溫度，對于容器的材料要求很高，用水蒸氣作為工質(zhì)，其溫度適應(yīng)范圍較小。

從閻昌琪［11］和Dostal 等［12］對核電機(jī)組效率的研究，可以得到表3。

表3 核電機(jī)組效率

從表3 可以得知，我們在第4 代反應(yīng)堆中選擇使用S-CO2作為工質(zhì)，可以使循環(huán)效率提升12%左右。由于S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可以使用較小的占地面積，設(shè)備更加緊湊，因此在小型堆的應(yīng)用前景很好。在常規(guī)島中使用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽輪機(jī)組，節(jié)省占地面積。按照目前的發(fā)展方向，小型機(jī)組的研發(fā)越來越受到廣泛關(guān)注。在小型機(jī)組中，如果采用壓水堆，二回路中溫度相對較低（290 ℃左右），采用汽輪機(jī)組的效率本來就不高，而使用S-CO2時效率更低，S-CO2與壓水堆匹配結(jié)合效果并不好。而S-CO2與高溫氣冷堆，鈉冷快堆等的組合都相對較好，兼具設(shè)備緊湊，規(guī)模小和循環(huán)熱效率高的優(yōu)勢，在小規(guī)模堆型中有著很好的應(yīng)用前景。

2.3 太陽能發(fā)電

2.3.1 循環(huán)方式

根據(jù)程虎等［13］的研究，基于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 基于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的塔式光熱系統(tǒng)圖

由圖7 可知，在該系統(tǒng)中，S-CO2與高溫熔融鹽換熱，最后到渦輪機(jī)中膨脹做功。目前太陽能光熱發(fā)電仍以水蒸氣的朗肯循環(huán)為主要方式，Sarkar［14］認(rèn)為用S-CO2布雷頓循環(huán)代替朗肯循環(huán)可以獲得更好的效果。首先，減少了水資源的消耗，其次S-CO2高密度的特性可以使得設(shè)備更加緊湊，在干旱缺水、光照充足的地區(qū)應(yīng)用有著顯著的優(yōu)勢。太陽能光熱發(fā)電的1個問題在于投資成本較高，國際上光熱電站單位投資約為4 200 美元/kW～4 800 美元/kW，國內(nèi)某光熱電站投資約為17 億元，相比較于火電站，成本高了數(shù)倍。部分關(guān)鍵設(shè)備和材料，比如鎳基合金鋼和耐高溫涂層等仍需要從國外進(jìn)口，也使得成本居高不下，光熱發(fā)電難以得到推廣。

2013 年，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）對S-CO2在塔式太陽能發(fā)電中的研究［15］表明，S-CO2循環(huán)包括直接循環(huán)和間接循環(huán)兩種方式，S-CO2在太陽能吸熱器中直接吸收熱量叫做直接循環(huán)，而間接循環(huán)則是太陽能先傳遞給熔融態(tài)的鹽類等工質(zhì)，再進(jìn)一步傳遞給S-CO2。2 種方式的比較如表4 所示。

表4 太陽能發(fā)電中2 種不同S-CO2 循環(huán)方式比較

2.3.2 與蒸汽工質(zhì)的循環(huán)效率比較

以S-CO2為工質(zhì)的光熱系統(tǒng)［16］發(fā)電效率如表5 所示。

表5 不同運(yùn)行場景下某光熱系統(tǒng)的日均運(yùn)行效率 （%）

從表5 可以看出，太陽能發(fā)電的一個問題是效率不高，雖然S-CO2的使用可以使得發(fā)電效率有所提升，但是與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比較效率還是較低，而且會受到天氣與環(huán)境的影響。

3 3 種領(lǐng)域中不同工質(zhì)機(jī)組的比較

3.1 比較結(jié)果

將S-CO2和蒸汽工質(zhì)在3 種領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行比較，得到表6。

表6 不同領(lǐng)域不同工質(zhì)機(jī)組比較

從表6 可以看出，在3 種領(lǐng)域中，以S-CO2為工質(zhì)的機(jī)組循環(huán)效率都高于蒸汽工質(zhì)機(jī)組，但在不同領(lǐng)域中也分別存在相應(yīng)的問題，各自存在其應(yīng)用特點(diǎn)。

3.2 共性特點(diǎn)

從表6 可以看出，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在火力發(fā)電、核電和太陽能領(lǐng)域中存在共性特點(diǎn)。

（1）循環(huán)效率高。在火力發(fā)電、核電和太陽能領(lǐng)域中都可以提高循環(huán)效率，只是效率提高的比例有所不同，分別為2%～4%、10%～12%和3%～4%。

（2）對換熱器要求較高。S-CO2對于換熱器等關(guān)鍵部件和材料需求較高，要求換熱性能和設(shè)備緊湊性好，因此關(guān)鍵部件成本也會比蒸汽工質(zhì)要高。

（3）工作溫度范圍廣。S-CO2可在400 ℃～700 ℃應(yīng)用，大于蒸汽工質(zhì)的工作溫度范圍。

3.3 個性特點(diǎn)

從表6 可以看出，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在火力發(fā)電、核電和太陽能領(lǐng)域中也有各自特點(diǎn)。

（1）火電機(jī)組的設(shè)備改動成本低。S-CO2布雷頓循環(huán)可以在原有的朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上對設(shè)備進(jìn)行改動，省去了新建造新設(shè)備的費(fèi)用。

（2）小堆在軍民融合的前景良好。鈉冷快堆里S-CO2可以避免鈉水反應(yīng)的發(fā)生，提高核電站的安全性。核電站的問題是建設(shè)成本較高，S-CO2的高密度可以使得設(shè)備更加緊湊，節(jié)省占地面積，可以促使其在小堆和軍民融合中廣泛應(yīng)用。

（3）光熱電站在干旱地區(qū)的前景較好。由于受天氣影響較大，在光照充足而干旱的地方，無法提供水作為工質(zhì)，S-CO2的應(yīng)用前景比較好。但主要問題在于光熱電站本身的成本遠(yuǎn)高于火電站，使用S-CO2為工質(zhì)，成本仍然居高不下，雖然光熱電站省去了燃料費(fèi)，但是設(shè)備的整體造價和成本還是高于汽輪機(jī)組。

4 結(jié)論

在3 種不同能源領(lǐng)域中，依據(jù)循環(huán)方式對S-CO2布雷頓循環(huán)和傳統(tǒng)蒸汽工質(zhì)的循環(huán)效率和建造成本等進(jìn)行分析比較，得到在3 種領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)。

（1）S-CO2布雷頓循環(huán)應(yīng)用于火電領(lǐng)域循環(huán)效率可以提高2%～4%，如果能夠解決高效緊湊換熱器的問題，可以在原有的朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

（2）在核電領(lǐng)域中，S-CO2具備諸多優(yōu)勢，循環(huán)效率可以比蒸汽工質(zhì)高出12%左右，安全性好，設(shè)備更加緊湊，在核電廠小規(guī)?；蛙娒袢诤现械膽?yīng)用廣泛，是應(yīng)用前景最好的能源領(lǐng)域。

（3）S-CO2布雷頓循環(huán)在太陽能發(fā)電中可以提高效率3%～4%，在光照充足的干旱地區(qū)優(yōu)勢顯著，但無論直接式循環(huán)還是間接式循環(huán)的整體效率都只有20%左右，和火力發(fā)電、核電相比差距明顯，加之高昂的建造成本，短時間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)推廣。