超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究進(jìn)展

紀(jì)宇軒， 邢凱翔， 岑可法， 倪明江， 肖 剛

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310027)

超臨界二氧化碳(S-CO2)具有臨界參數(shù)低(31.1 ℃/7.38 MPa)、功率密度大、傳熱性能好、無毒穩(wěn)定和廉價(jià)易得等顯著優(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)質(zhì)的能量傳輸和動(dòng)力轉(zhuǎn)換工質(zhì)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)是近年來國內(nèi)外廣泛關(guān)注的動(dòng)力循環(huán)形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括熱源、渦輪機(jī)組(透平和壓縮機(jī))、回?zé)崞骷袄鋮s器等部分。

與現(xiàn)有蒸汽朗肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 循環(huán)效率較高。當(dāng)熱源溫度高于550 ℃時(shí)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的熱功效率可以超過45%[1]，高于現(xiàn)有蒸汽朗肯循環(huán)技術(shù)；當(dāng)熱源溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，循環(huán)效率能達(dá)到50%[2]，突破現(xiàn)有效率瓶頸。

圖1 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)示意圖

(2) 壓縮耗功少。超臨界二氧化碳具有液態(tài)量級(jí)的密度，這使得其在布雷頓循環(huán)壓縮過程中耗功大大減少，只占渦輪輸出功的30%，低于氦氣布雷頓循環(huán)和燃?xì)廨啓C(jī)壓縮耗功的占比。

(3) 系統(tǒng)體積小，且結(jié)構(gòu)緊湊。超臨界二氧化碳密度大、黏度小、能量密度高，使得循環(huán)系統(tǒng)的渦輪和壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件的尺寸顯著減小，在相同發(fā)電功率下，超臨界二氧化碳和水蒸氣所需的渦輪機(jī)組體積之比約為1∶20[2]，整個(gè)系統(tǒng)體積減小、結(jié)構(gòu)緊湊。

(4) 降本潛力大。系統(tǒng)設(shè)備體積減小，材料成本大大降低。二氧化碳的腐蝕性較小，系統(tǒng)維護(hù)成本降低，設(shè)備使用壽命延長，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)測(cè)算，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)用于火力發(fā)電時(shí)，成本約為0.173元/(kW·h)，低于600 ℃超超臨界機(jī)組發(fā)電成本；超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)用于聚光太陽能熱發(fā)電(CSP)時(shí)，成本約為0.414元/(kW·h)[3]。

目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)尚不成熟，主要設(shè)備部件的設(shè)計(jì)制造存在難度，循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行缺乏經(jīng)驗(yàn)。筆者從關(guān)鍵部件和循環(huán)系統(tǒng)的角度總結(jié)了國內(nèi)外超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)相關(guān)研究進(jìn)展，分析現(xiàn)存理論難點(diǎn)和技術(shù)瓶頸，為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 熱源

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可與多種形式的熱源相結(jié)合，包括化石能源、核能和太陽能等，二氧化碳本身既作為做功介質(zhì)，又可以直接參與吸熱，從而滿足不同熱源環(huán)境的需求，大大增加了循環(huán)系統(tǒng)的靈活性。

1.1 化石能源

化石燃料作為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的熱源時(shí)，根據(jù)加熱形式的不同，可以分為間接加熱循環(huán)和直接加熱循環(huán)2種。間接加熱循環(huán)將現(xiàn)有鍋爐機(jī)組與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)相結(jié)合，將傳統(tǒng)的水工質(zhì)改為超臨界二氧化碳，工質(zhì)直接吸收爐內(nèi)燃燒熱，升溫至所需透平入口溫度。直接加熱循環(huán)又叫Allam循環(huán)，是將化石燃料與氧氣在二氧化碳?xì)夥罩腥紵玫降亩趸寂c水的混合工質(zhì)直接進(jìn)行布雷頓循環(huán)，其中高溫高壓的工作環(huán)境、燃料的燃燒充分度及二氧化碳的純度等條件使燃燒室的設(shè)計(jì)及制造面臨巨大的挑戰(zhàn)。

Iwai等[4]成功制造了以天然氣為熱源的超臨界二氧化碳燃燒室并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，該燃燒室采用單旋流器結(jié)構(gòu)，利用三乙基鋁-三乙基硼烷(TEA/TEB)作為引火劑，在1～2 MPa壓力時(shí)點(diǎn)火，最終使二氧化碳參數(shù)達(dá)到30 MPa/1 150 ℃，經(jīng)過長期測(cè)試，該燃燒室在大范圍當(dāng)量比情況下具有較好的燃燒性能。Abdul-Sater等[5]利用煤氣化氣作為熱源，設(shè)計(jì)和模擬了5 MW級(jí)燃燒室，其中燃燒器工作壓力為30 MPa，溫度為1 150 ℃。Xu等[6]發(fā)現(xiàn)將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于燃煤電廠時(shí)，對(duì)于相同容量的電站規(guī)模，工質(zhì)為二氧化碳時(shí)的流量是水蒸氣流量的7～9倍，導(dǎo)致鍋爐壓降過大，煙氣能量利用較為困難，因此提出了分流策略，將鍋爐單級(jí)受熱面內(nèi)的流量和流程減半，壓降降至總流量下的1/8，鍋爐排煙溫度降低，能量利用更加完全。鄭開云等[7]對(duì)再壓縮和部分冷卻循環(huán)與燃煤鍋爐的集成技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)部分冷卻循環(huán)吸熱溫區(qū)較大，且顯著減少了工質(zhì)流量，從而降低了鍋爐壓降損失。

1.2 核能

核能也可作為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的熱源。目前，鈉冷快堆(SFR)是第四代核系統(tǒng)中工程經(jīng)驗(yàn)最為豐富的堆型，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中不存在水，不會(huì)出現(xiàn)劇烈的鈉水反應(yīng)，從而可降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，是第四代反應(yīng)堆理想的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。核反應(yīng)堆與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)結(jié)合的關(guān)鍵設(shè)備為鈉與超臨界二氧化碳熱交換器，現(xiàn)階段推薦形式為印刷電路板式換熱器(PCHE)。

中國原子能科學(xué)研究院長期從事鈉冷快堆研究，結(jié)果表明在PCHE中鈉與超臨界二氧化碳兩側(cè)的壓力差容易造成換熱通道破損，導(dǎo)致鈉與二氧化碳的直接接觸，當(dāng)溫度較高時(shí)兩者會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成CO、Na2CO3和C等物質(zhì)，造成堵塞[8]，最終這些物質(zhì)會(huì)被高壓二氧化碳推入鈉中。另外，鈉冷快堆與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)結(jié)合中的一個(gè)熱點(diǎn)問題為鈉與二氧化碳反應(yīng)的溫度，研究者普遍認(rèn)為兩者在250 ℃以下反應(yīng)微弱，但反應(yīng)爆發(fā)的溫度尚未達(dá)到一致結(jié)論。Simon等[9]認(rèn)為鈉與二氧化碳快速反應(yīng)的爆發(fā)溫度為500 ℃，而Eoh等[10]則認(rèn)為該溫度為460 ℃，這方面的研究方法和相關(guān)結(jié)果尚未獲得學(xué)術(shù)界的共識(shí)，有待開展系統(tǒng)的研究。

1.3 太陽能

聚光太陽能熱發(fā)電與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)結(jié)合是太陽能光熱技術(shù)發(fā)展的重要方向。太陽光能量傳遞給二氧化碳的形式，可分為直接式吸熱和間接式吸熱2種。

直接式吸熱在超臨界二氧化碳吸熱器中完成。目前，國內(nèi)外的研究集中于不同類型吸熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸熱特性分析[11-14]，但由于運(yùn)行溫度和壓力高，吸熱器材料熱應(yīng)力較大，研究主要采用數(shù)值模擬的方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析較少。

間接式吸熱通過熔鹽或高溫顆粒等中間介質(zhì)將太陽能傳遞給二氧化碳。目前，熔鹽吸熱器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但現(xiàn)有熔鹽由于自身分解溫度條件限制，難以實(shí)現(xiàn)600 ℃以上高溫條件下的吸熱和換熱。Jiang等[15]綜述了現(xiàn)有太陽能顆粒吸熱器和換熱器的研究進(jìn)展，指出顆粒吸熱器能夠耐受較高的溫度，對(duì)光斑不均勻性具有較好的承受能力，且顆粒自身穩(wěn)定性和吸光特性較好，方便與儲(chǔ)熱結(jié)合，是目前太陽能聚光集熱的研究熱點(diǎn)。

目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)與多種熱源相結(jié)合的研究大多停留在理論設(shè)計(jì)方面，缺乏完整系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)和示范項(xiàng)目。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)和中國科學(xué)院電工研究所等單位都在開發(fā)塔式太陽能顆粒吸熱器與超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，有望在近期獲得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支撐該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 渦輪機(jī)組

渦輪機(jī)組包括透平和壓縮機(jī)設(shè)備，是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，對(duì)循環(huán)效率具有顯著影響，進(jìn)而直接影響電站的發(fā)電效率。超臨界二氧化碳的密度、黏度和比熱容等熱物性質(zhì)與傳統(tǒng)水工質(zhì)不同，且在透平和壓縮機(jī)工作的參數(shù)范圍內(nèi)變化更加顯著，因此在超臨界二氧化碳透平和壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和研究過程中會(huì)面臨許多新的問題，如透平內(nèi)部能量密度大、氣動(dòng)和溫度載荷高；壓縮機(jī)的入口處工質(zhì)狀態(tài)位于超臨界點(diǎn)附近，物性變化劇烈[3]等。要保證布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的整體效率，渦輪機(jī)組的選型和設(shè)計(jì)優(yōu)化顯得尤為重要。

2.1 透平

超臨界二氧化碳透平具有入口溫度高、轉(zhuǎn)速高和體積小等顯著特點(diǎn)，對(duì)材料特性、加工精度、氣動(dòng)特性及冷卻密封等方面的要求較高。

可以根據(jù)比轉(zhuǎn)速(Ns)來選取合適的透平。一般而言，當(dāng)Ns值低于0.3或高于0.8時(shí)，可以使用軸流式透平；向心透平Ns值通常設(shè)計(jì)在0.3～0.8。向心透平的渦輪結(jié)構(gòu)緊湊，在小流量設(shè)計(jì)工況下可以獲得較高效率，所以其在小流量、高轉(zhuǎn)速超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中占據(jù)主導(dǎo)地位。Uusitalo等[16]研究了透平比轉(zhuǎn)速對(duì)超臨界二氧化碳向心透平轉(zhuǎn)速、幾何形狀、效率和損耗分布的影響，結(jié)果表明比轉(zhuǎn)速和二氧化碳質(zhì)量流量會(huì)嚴(yán)重影響向心透平的幾何形狀和損耗分布，具有最高等熵效率的透平對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速范圍為0.5～0.6。Lv等[17]結(jié)合一維設(shè)計(jì)方法和順序二次規(guī)劃(SQP)優(yōu)化算法對(duì)超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)中的向心透平進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、CFD模擬結(jié)果吻合較好。該方法可以確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳集合，包括在多個(gè)幾何形狀和空氣動(dòng)力學(xué)約束下的速度比、反作用力、半徑比和轉(zhuǎn)子出口處的葉片角等參數(shù)。

2.2 壓縮機(jī)

超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)入口處參數(shù)接近臨界點(diǎn)，工質(zhì)物性隨熱力參數(shù)變化而劇烈波動(dòng)，極易對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行造成影響，這也使得超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)問題。

對(duì)于50 MW以內(nèi)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，離心式壓縮機(jī)具有較寬的穩(wěn)定工作范圍。Liu等[18]的研究表明相對(duì)于軸流式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、效率高，更適用于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室最早搭建了超臨界二氧化碳離心式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)其設(shè)計(jì)的超臨界二氧化碳離心式壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了在近臨界點(diǎn)進(jìn)行超臨界二氧化碳?jí)嚎s的可行性[19]。近年來，國內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)超臨界二氧化碳離心式壓縮機(jī)的研究主要集中于離心式壓縮機(jī)的熱力設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析等[20]。2018年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所在國內(nèi)率先開展超臨界二氧化碳離心式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，并自主設(shè)計(jì)搭建了國內(nèi)首座兆瓦級(jí)離心式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Tang等[21]提出了基于模擬退火算法的超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究表明在設(shè)計(jì)條件下減小葉片數(shù)量和葉片入口角，同時(shí)增大現(xiàn)有壓縮機(jī)葉片出口角能夠提高壓縮機(jī)效率，并通過該方法將壓縮機(jī)的等熵效率從82.26%提高到87.72%。

目前，對(duì)于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中透平和壓縮機(jī)的研究，大多是基于模型和算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面的研究相對(duì)較少，各種模型缺少有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)渦輪設(shè)備的運(yùn)行調(diào)控等也缺乏經(jīng)驗(yàn)。

3 回?zé)崞?/h2>

由于超臨界二氧化碳的熱物性隨溫度壓力變化明顯，且循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)流量遠(yuǎn)大于蒸汽朗肯循環(huán)[22]，使得循環(huán)系統(tǒng)回?zé)崃烤薮?。二氧化碳循環(huán)具有較高的效率，很大程度上依賴于循環(huán)系統(tǒng)中大量的回?zé)崂?。因此，回?zé)崞鞒蔀橛绊懷h(huán)性能的重要部件。

PCHE被認(rèn)為是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中回?zé)崞鞯膬?yōu)選形式，其具有比表面積大、換熱性能好、體積尺寸小和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并能夠耐受較高的溫度、壓力，相比于傳統(tǒng)的管殼式換熱器具有明顯優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模擬優(yōu)化的方法，對(duì)PCHE內(nèi)部流道進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其主要目標(biāo)為增強(qiáng)PCHE的換熱性能，同時(shí)盡可能降低內(nèi)部微通道造成的壓降損失。目前，主要的幾種通道結(jié)構(gòu)包括Z型、S型和翼型。

Nikitin等[23]在東京工業(yè)大學(xué)搭建的超臨界二氧化碳循環(huán)實(shí)驗(yàn)回路上研究了Z型結(jié)構(gòu)的PCHE的換熱和壓降特性，測(cè)得總體傳熱系數(shù)范圍在300～650 W/(m2·K)。Tsuzuki等[24]建立了S型流道的PCHE數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)S型結(jié)構(gòu)流道具備與Z型結(jié)構(gòu)流道相同的熱力性能，并且其壓降損失可以降到傳統(tǒng)Z型結(jié)構(gòu)流道的1/5。Ngo等[25]通過實(shí)驗(yàn)研究了以二氧化碳為工質(zhì)的Z型和S型結(jié)構(gòu)流道的PCHE的熱力水力特性，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，這2種PCHE的換熱性能都比較優(yōu)異，Z型結(jié)構(gòu)流道的PCHE的努塞爾數(shù)比S型結(jié)構(gòu)流道高24%～34%，但相同雷諾數(shù)條件下其壓降損失也比S型結(jié)構(gòu)流道高4～5倍。

Kim等[26]建立了三維的超臨界二氧化碳的Z型結(jié)構(gòu)流道的PCHE模型，模擬得到的出口溫度和壓力與Ishizuka等[27]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。另外，他們還提出了一種翼型肋片的結(jié)構(gòu)，能夠在保證換熱性能的前提下，使壓降損失降到Z型結(jié)構(gòu)流道的1/12。Chen等[28]通過數(shù)值模擬對(duì)比了4種NACA 00XX系列的翼型結(jié)構(gòu)PCHE的性能，并分析了翼型剖面對(duì)流動(dòng)和換熱的影響，發(fā)現(xiàn)在保持較好換熱性能的前提下，翼型結(jié)構(gòu)能夠顯著降低壓降損失。

現(xiàn)階段有關(guān)PCHE回?zé)崞鞯难芯恐饕嬖谝韵虏蛔悖阂皇茄芯康膮?shù)范圍相對(duì)較低，未能完全滿足二氧化碳動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)中的要求，雷諾數(shù)也不夠高，多停留在層流和過度湍流范圍內(nèi)；二是實(shí)驗(yàn)中PCHE結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，主要是直通道和Z型結(jié)構(gòu)流道的測(cè)試樣板或樣機(jī)，還缺乏其他優(yōu)化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；三是研究所得的PCHE換熱與壓降的關(guān)聯(lián)式都具有一定的特殊性，未形成系統(tǒng)的、廣泛適用的結(jié)果；四是PCHE在實(shí)際循環(huán)系統(tǒng)中的瞬態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)特性研究還相對(duì)較少。

4 冷卻器

在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的后端，超臨界態(tài)的二氧化碳經(jīng)冷卻器冷卻至臨界點(diǎn)附近，再送入壓縮機(jī)中升壓。雖然該過程中二氧化碳始終處于超臨界態(tài)，但實(shí)際上其物性在冷卻器中經(jīng)歷了1個(gè)復(fù)雜的變化過程：二氧化碳在臨界點(diǎn)以上被冷卻，密度接近液態(tài)，這樣在壓縮機(jī)中的壓縮過程就會(huì)類似于液體在泵中的升壓，從而減少了壓縮耗功。因此，冷卻器的性能是影響壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的1個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)循環(huán)效率的影響也至關(guān)重要。

根據(jù)冷卻原理，超臨界二氧化碳循環(huán)的冷卻器通?？煞譃楦墒嚼鋮s器和濕式冷卻器。

4.1 干式冷卻器

干式冷卻是使用空氣作為冷卻介質(zhì)的冷卻方式。由于超臨界二氧化碳循環(huán)在干冷條件下即可表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[29]，因此研究者對(duì)干式冷卻開展了較多研究。

干式冷卻可分為直接干冷和間接干冷，二者區(qū)別在于間接干冷使用水作為中間換熱介質(zhì)。Dai等[30]的研究結(jié)果表明在相同的空氣溫度下，直接干冷系統(tǒng)的冷卻性能相比間接干冷系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，且其環(huán)境空氣溫度越低，優(yōu)勢(shì)越明顯，表明直接干冷系統(tǒng)更適合于小型化超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)。

在核能發(fā)電領(lǐng)域，通常核電站的選址會(huì)考慮淡水資源或海水資源豐富的地區(qū)，采用干式冷卻會(huì)顯著增加投資成本。但Conboy等[31]的分析表明，采用干冷的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的成本將顯著低于干冷式蒸汽循環(huán)，甚至其成本與輕水堆的濕式冷卻塔成本相當(dāng)。這意味著使用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的核電站將大大降低冷卻水的使用量，減少核事故堆芯冷卻對(duì)水源的核污染。Moisseytsev等[32]對(duì)采用模塊化翅片管干式冷卻器的超臨界二氧化碳循環(huán)AFR-100型鈉冷快堆進(jìn)行了動(dòng)態(tài)控制分析優(yōu)化，結(jié)果表明通過優(yōu)化比例積分微分(PID)參數(shù)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)干冷條件下的負(fù)荷跟蹤，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了干式冷卻在超臨界二氧化碳循環(huán)中的適用性。

在聚光太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，豐富的光熱資源通常存在于干燥缺水地區(qū)，此時(shí)干式冷卻是最合理的選擇。Ehsan等[33]對(duì)應(yīng)用于塔式聚光太陽能超臨界二氧化碳循環(huán)的干式冷卻研究進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)干式冷卻塔(以下簡稱干冷塔)進(jìn)行了較為詳細(xì)的建模分析。干冷塔基于循環(huán)最優(yōu)運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)其偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，采用極值尋優(yōu)控制、混合冷卻和輻射冷卻等方式即可提高循環(huán)效率，為干冷塔的設(shè)計(jì)和操作運(yùn)行提供了參考。

關(guān)于干冷換熱器的形式，Moisseytsev等[34]考慮將PCHE應(yīng)用于干式冷卻器的可能，但PCHE的小通道尺寸要求冷卻介質(zhì)的壓降要維持在合理的范圍，而空氣介質(zhì)在PCHE中則存在壓降過高的問題。

4.2 濕式冷卻器

對(duì)濕式冷卻的研究主要集中在探究PCHE應(yīng)用于濕冷換熱器中的可能性。Cheng等[35]采用100 kW級(jí)的Z型結(jié)構(gòu)流道PCHE模塊，探究了在二氧化碳和水不同入口溫度及雷諾數(shù)下PCHE的換熱性能，結(jié)果表明降低水的入口溫度、增大水的入口雷諾數(shù)或減小二氧化碳的入口雷諾數(shù)均可提升PCHE的換熱有效度。Park等[36]對(duì)3 kW級(jí)直線型PCHE冷卻器進(jìn)行了研究，針對(duì)跨臨界、近臨界和遠(yuǎn)臨界3種工況，采用改進(jìn)的離散方法計(jì)算PCHE換熱過程中的努塞爾數(shù)，相比傳統(tǒng)的進(jìn)出口焓值平均的數(shù)據(jù)處理方法，該方法獲得了更合理的努塞爾數(shù)計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)濕式PCHE冷卻器的設(shè)計(jì)提供了參考。

5 循環(huán)系統(tǒng)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的研究方法主要包括模擬優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)示范。其中，模擬優(yōu)化研究內(nèi)容又包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、循環(huán)耦合及參數(shù)優(yōu)化等。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，模擬研究已得到廣泛的開展，其中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、效率極高的最優(yōu)選擇。Chacartegui等[37]研究了超臨界二氧化碳簡單布雷頓循環(huán)和再壓縮布雷頓循環(huán)，發(fā)現(xiàn)隨著熱端溫度升高，再壓縮循環(huán)效率優(yōu)勢(shì)相比簡單循環(huán)更加顯著。Pérez-Pichel等[38]分析了各種超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在核電站鈉冷快堆中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)相比于其他復(fù)雜的循環(huán)結(jié)構(gòu)，再壓縮布雷頓循環(huán)的效率最高，且有良好的經(jīng)濟(jì)效益。Turchi等[39]分析了簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)的效率差異，發(fā)現(xiàn)再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)的效率較高，而部分冷卻循環(huán)的效率優(yōu)勢(shì)在熱源溫度高于850 ℃時(shí)才較為明顯。

循環(huán)耦合方面，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)既能作為頂循環(huán)又能作為底循環(huán)，與多種不同類型的循環(huán)結(jié)構(gòu)耦合可實(shí)現(xiàn)較高的能量利用效率。當(dāng)作為頂循環(huán)時(shí)，由于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的透平出口溫度高，具有較大的余熱利用潛力，與常見的有機(jī)朗肯循環(huán)[40]、二氧化碳朗肯循環(huán)[41]和吸收制冷循環(huán)[42]等底循環(huán)均可耦合；當(dāng)作為底循環(huán)時(shí)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)熱源溫度通常在500～800 ℃，且在550 ℃以上存在明顯的效率優(yōu)勢(shì)，可與高溫燃料電池[43]、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)等更高溫度的循環(huán)結(jié)合。這些循環(huán)耦合研究往往針對(duì)特定的工作場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，以求達(dá)到最高效率。

參數(shù)優(yōu)化方面，針對(duì)不同規(guī)模的循環(huán)系統(tǒng)，研究響應(yīng)的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。主要研究的優(yōu)化對(duì)象為再壓縮布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)，從循環(huán)系統(tǒng)的壓力、壓比、分流比和冷端溫度等參數(shù)出發(fā)，優(yōu)化得到循環(huán)效率最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)。Reyes-Belmonte等[44]對(duì)光熱發(fā)電系統(tǒng)中的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后凈循環(huán)效率可以達(dá)到50%。Park等[45]對(duì)小型核反應(yīng)堆中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析了壓比和分流比對(duì)循環(huán)效率的影響，并優(yōu)化了渦輪和回?zé)崞?，結(jié)果表明翼型結(jié)構(gòu)PCHE的循環(huán)效率相比于Z型結(jié)構(gòu)流道PCHE提高了1%。張一帆等[46]的對(duì)火力發(fā)電系統(tǒng)中超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)建立數(shù)學(xué)模型并分析了關(guān)鍵參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)的壓縮機(jī)出、入口壓力和分流系數(shù)的耦合關(guān)系，使得系統(tǒng)的循環(huán)效率最高。

實(shí)驗(yàn)示范方面，美國政府先后開展“SunShot”計(jì)劃和“Gen Ⅲ”項(xiàng)目，已經(jīng)投入數(shù)億美元開展超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的研究。此外，韓國、日本、中國以及歐盟地區(qū)都在加大超臨界二氧化碳循環(huán)研究的投入，但完整的布雷頓循環(huán)示范系統(tǒng)仍然較少，全球主要的示范系統(tǒng)情況見表1。

雖然循環(huán)的穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化研究已較為豐富，但是循環(huán)的動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)化研究卻相對(duì)較少，尤其是壓縮機(jī)、回?zé)崞鞯炔考?duì)參數(shù)變化十分敏感，穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化往往采用了固定效率的部件模型，無法真實(shí)反饋溫度、壓力、流量和負(fù)荷等參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)部件的影響，依舊缺乏基于動(dòng)態(tài)模型的研究。而在示范系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和控制方面，目前的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)仍然不足，需要更多的示范系統(tǒng)來進(jìn)行深入的研究和探索。

6 結(jié)論與展望

作為一種新興的動(dòng)力循環(huán)技術(shù)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)和巨大的發(fā)展?jié)摿?。筆者從關(guān)鍵部件和循環(huán)系統(tǒng)的角度綜述了國內(nèi)外超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在熱源設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、回?zé)嵩O(shè)備、冷卻設(shè)備以及設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面的研究進(jìn)展，分析了超臨界二氧化碳關(guān)鍵部件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)示范。目前，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)面臨主要設(shè)備缺乏設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算模型缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行與動(dòng)態(tài)特性缺乏經(jīng)驗(yàn)等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。建議未來關(guān)注和研究的方向如下：

表1 現(xiàn)有超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)示范系統(tǒng)

(1) 動(dòng)力設(shè)備方面，渦輪透平和壓縮機(jī)現(xiàn)有研究多集中在100～300 kW等級(jí)，建議今后根據(jù)工程實(shí)際要求，建設(shè)10～50 MW等級(jí)的透平和壓縮機(jī)測(cè)試平臺(tái)，獲取更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工制造。

(2) 換熱設(shè)備方面，包括熱源換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器等，需要在現(xiàn)有模擬和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，掌握完善的超臨界二氧化碳傳熱特性，并結(jié)合工程實(shí)際開展百兆瓦等級(jí)系統(tǒng)中大型化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造及測(cè)試工作。

(3) 循環(huán)系統(tǒng)方面，亟需構(gòu)建與多種熱源形式結(jié)合的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)示范系統(tǒng)：對(duì)于化石能源，可基于現(xiàn)有火力發(fā)電機(jī)組，構(gòu)建300 MW以上等級(jí)示范系統(tǒng)；對(duì)于核能，可通過改造或建設(shè)10～50 MW等級(jí)示范系統(tǒng)；對(duì)于太陽能光熱，可結(jié)合現(xiàn)有聚光系統(tǒng)，搭建50～200 MW等級(jí)示范系統(tǒng)。獲取循環(huán)系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性及循環(huán)效率等關(guān)鍵參數(shù)，探索循環(huán)系統(tǒng)啟停機(jī)、變工況運(yùn)行等瞬態(tài)控制策略及方法，為未來超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。