董 力

（山东神华山大能源环境有限公司，济南 250014）

超临界二氧化碳发电技术概述

董 力

（山东神华山大能源环境有限公司，济南 250014）

介绍了超临界二氧化碳（CO2）布雷顿循环及其发电系统的原理和特点，对该发电系统在各领域的应用前景进行了评述，分析了掌握和应用该技术尚需研究和解决的技术问题，介绍了国内外对该技术的主要研究进展。

超临界二氧化碳；布雷顿循环；发电技术

目前，社会的发展面临着能源和环境两大难题，面对制约发展的瓶颈，亟需开发新型清洁能源、提高能源利用效率。超临界二氧化碳（CO2）布雷顿循环发电技术，具有环境友好、热效率高、经济性好的特点，并且可以与现有的多种热源系统结合应用，被视为是未来发电极具前景的方向之一。

1 超临界CO2布雷顿循环原理

CO2作为最受关注的气体之一，不仅被认为是导致地球温室效应的罪魁祸首；同时，它也在特定条件下具有特殊的性能，可作为良好的工质应用于工业生产过程。超临界CO2是温度和压力均高于临界值（TC= 30.98℃、PC=7.38MPa）的CO2流体。超临界流体介于气体和液体之间，又同时兼有气体和液体的物理和化学性质。超临界CO2作为萃取剂、染色剂、清洗剂、反应介质等在医药工业、食品工业、轻工业、高分子科学等方面已有较多的应用。CO2相图如图1所示。

作为热能循环工质，与其他同类型的循环工质相比，超临界CO2既有超临界流体的一般特性，也有其独特的特点：1）密度接近液体，大于气体2个数量级；传热效率高，做功能力强；2）黏性接近气体，较液体小2个数量级；流动性强，易于扩散，系统循环损耗小；3）临界温度和压力较低，容易达到超临界状态，便于工程应用；4）较常用的惰性气体超临界流体密度大、压缩性好，系统设备结构紧凑、体积小；5）腐蚀性小于水蒸汽；6）无毒、不燃、稳定，对臭氧层无破坏，廉价易得。

图1 超临界CO2相图

布雷顿循环（Brayton Cycle）是典型的热力学循环，由两个等压和两个绝热过程组成（绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却4个过程），工质在循环中不发生相变。空气布雷顿循环在燃气轮机发电系统、空间动力系统、飞机和轮船的引擎系统等动力装置和空间设备中得到了广泛的应用，是能源开发和转换领域里支柱型的动力循环系统之一。理想气体布雷顿循环过程如图2所示。

气体布雷顿循环存在压缩功耗高、排气热损失大、部分负荷时效率低等不足。以超临界CO2作为循环工质，利用超临界流体独特的物性，可弥补气体工质的热力学缺陷，显著提高布雷顿循环的性能。循环的冷端运行在CO2温度和压力的临界点附近，将CO2冷却到低于拟临界线会使CO2的密度与比热容迅速增大，带来压缩机的低功耗、冷却器与回热器的高换热系数等优势。在相同的涡轮机与压缩机进气温度条件下，超临界CO2布雷顿循环可获得比理想气体布雷顿循环更高的效率。超临界CO2布雷顿循环过程如图3所示。

图2 理想气体布雷顿循环过程

图3 超临界CO2布雷顿循环过程

2 超临界CO2布雷顿循环发电系统及其特点

基本的回热超临界CO2布雷顿循环发电系统如图4所示，包括压缩机、回热器、热源加热器、高速涡轮机、冷却器等设备构成。其工作过程是：1）低温低压的超临界CO2工质经过压缩机升压；2）工质经回热器高温侧预热后进入热源加热器，利用热源将工质等压加热；3）高温高压的工质进入涡轮机推动涡轮做功，涡轮带动发电机发电；4）工质做功后经回热器低压侧冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，再进入压缩机形成闭式循环。

图4 超临界CO2布雷顿循环发电系统示意

回热器高压侧超临界CO2流体的比热容大于低压侧，传递相同的热量，回热器低压侧需较大的温差才能使高压侧产生较小的温升，令传热恶化，造成“夹点”问题，降低了循环效率。实际应用中，采取加入中间冷却、分流、再压缩等热力过程以提高效率。

超临界CO2布雷顿循环发电系统，主要具有以下特点。

2.1 循环系统损耗及压缩做功小，热能转换效率高

超临界CO2黏性小，传递性和扩散性好，高密度使流体压强很高，循环系统损耗小。循环过程无变相，循环压缩做功有效减小，只占涡轮输出功的30%；而常规氦气循环压缩做功要占到涡轮输出功的45%左右，燃气轮机压缩做功要占到涡轮输出功的50%～60%。

采用多级循环的方式，在热源温度为550℃时，超临界CO2发电系统的热电转换效率为45%左右；温度为700℃时，发电系统热电转换效率可达50%左右。效率高于现役大型超超临界蒸汽循环发电机组，也高于氦气循环发电系统。

2.2 系统结构紧凑，体积小，重量轻

CO2工质在循环中均处于超临界状态，不发生相变，密度大、动能大。相对于水蒸汽或氦气工质，涡轮机所需涡轮级数更少，尺寸更小，且涡轮机和压缩器可一体化同轴布置；回热器、冷却器、管路附件等尺寸均可相应减小；不需大量锅炉管道设备。整个系统结构简单、紧凑、体积更小，可实现模块化建造。在相同发电能力条件下，超临界CO2、氦气、水蒸汽3种工质所需的涡轮机体积之比约为1︰6︰30。

2.3 涡轮机设计影响因素少

超临界CO2在循环过程中无相变，不存在汽轮机面临的末级叶片水滴冲蚀的问题。且涡轮机压比低（小于3），尺寸紧凑。涡轮机的设计中需考虑的影响因素相对较少。

2.4 制造材料成本低

超临界CO2具有相对稳定的化学性质，中低温条件下与金属发生化学反应而侵蚀的速率较慢，同时发电系统在中低温段已具有很高的效率。系统关键设备和循环部件选材范围相对较宽，降低了选材难度和材料成本。

2.5 运行噪声低

运行噪声主要来自于旋转设备的振动，通常振动特征频率集中在轴频以上。超临界CO2发电系统一般采用高速涡轮机发电机，转速高，以高频振动线谱为主，有利于隔振降噪。此外，主要运动设备全部采用高速回转运动形式，涡轮机、发电机采用高速电磁悬浮轴承一体化连接，有利于减小振动激励和传递。

2.6 经济性好，发电成本低

超临界CO2布雷顿循环热机效率高，且核心设备结构简单，可模块化制造，降低了发电站的建设成本和运营成本。据测算，超临界CO2布雷顿循环热机用于火力发电，成本约为0.173元/kW·h，低于600℃超超临界电站发电成本；用于集中式光热发电（CSP），成本约为0.414元/kW·h。

3 应用前景

超临界CO2布雷顿循环发电系统，具有高效、环保等特点，被视为未来发电的主要发展方向之一，在诸多领域有良好的应用前景。

3.1 核能发电

目前，核能发电是国内外对超临界CO2布雷顿循环最主要的研究领域。超临界CO2可作为堆芯冷却剂或能量转换工质，用于第四代核电系统中的高温气冷堆及钠冷快堆、铅冷快堆等。超临界CO2的特性，相对于氦气作为冷却剂，可较大降低压缩功耗，同时实现中等堆芯出口温度下较高的热力效率，减轻了对材料及工业制造技术的苛刻要求；与传统蒸汽系统相比，安全性有了极大提高。超临界CO2布雷顿循环对核能发电的应用有着更深远的影响。

3.2 太阳能光热发电

超临界CO2布雷顿循环所需的温度为500℃～700℃，恰好是太阳能光热发电的聚光器和热接收器应用现有技术即可实现的温度。以太阳能聚光作为热源，将超临界CO2布雷顿循环应用于聚光型太阳能光热发电系统，技术集成难度较小，可提高太阳能光热发电效率、降低成本，提高太阳能发电的竞争力。塔式太阳能集热发电系统如图5所示。

图5 塔式太阳能集热超临界CO2布雷顿循环发电系统图

3.3 工业废热发电

工业废热是低品位的热能资源，但其广泛分布在工业生产各领域，且储藏量巨大。工业废热中一小部分得以利用，也可提供数量可观的能量。超临界CO2布雷顿循环在中等压力（8M～20MPa）和中等温度（200℃～650℃）条件下具有高于其他同类热电系统的效率，并且系统紧凑、体积小、可模块化生产、便于安装。应用于工业废热发电具有良好的经济性。

3.4 舰船发电及推进系统

舰船内部空间狭小，对船内设备的体积限制严格。超临界CO2发电系统在提高发电效率、节省能源、减小发电系统体积和重量、降低噪声影响等诸多方面具有优势，在舰船上有巨大的应用价值。尤其是超临界CO2布雷顿循环应用于大型军舰核反应堆，已引起美国等国家的高度重视和大力研发。

3.5 矿石燃烧发电

在氧环境中直接燃烧天然气、煤制气等矿石燃料，产生超临界状态CO2驱动涡轮机发电。发电后的CO2流体经过简单处理，一部分继续循环发电，多余部分可直接进入碳捕集与利用技术（CCUS）环节。对于实现低成本的碳捕集与利用，实现火电站真正的近零排放具有重要意义。远期有望成为现役蒸气循环火力发电的替代技术，并适合用作下一代整体煤气化燃气 - 蒸气联合循环（IGCC）和煤炭联产系统的主机。直接燃烧式发电系统如图6所示。

图6 矿石燃料直接燃烧超临界CO2布雷顿循环发电系统图

3.6 其他应用

超临界CO2发电本质是以超临界状态的CO2流体作为工质，将热源的热能转化为机械能的热机系统。超临界CO2工质的优良特性使其系统可与各类热源灵活结合，具有广泛的应用潜力。例如面向分布式能源供应，以太阳能作为热源的电热冷联供系统等。

超临界CO2布雷顿循环发电系统应用于不同热源时，主要参数如下表所示。

超临界CO2布雷顿循环发电系统对不同热源适用参数表

4 研究方向和关键技术

超临界CO2布雷顿循环发电是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向。全面掌握和应用该技术，尚需进一步开展基础研究和实用技术研究，解决理论难点和技术瓶颈。

4.1 超临界CO2物性及传热规律的系统性研究

在临界点附近，CO2密度剧烈变化形成了巨大的自然循环流动能力，以及循环系统内摩擦系数、压降、导热系数的大幅变化等问题，都需要通过对超临界CO2物性的深入研究了解和掌握。超临界CO2传热速率与流速、运行状态的关系，以及事故泄露状态下CO2骤冷与结晶等问题，均需要通过模拟计算、试验验证来掌握。

4.2 循环理论研究

超临界流体物性随温度变化显著，回热器“夹点”问题造成循环效率较大损失。为提高效率，可在系统中增加中间冷却、分流、再压缩等热力设备组合，构成各种形式的闭环布雷顿循环。常见的组合循环形式主要有再压缩循环、分段膨胀循环、预压循环、部分冷却循环等。需要研究各种组合循环形式在不同运行参数下的效率，研究不同领域应用超临界CO2发电系统最适用的循环形式及循环系统中各环节CO2工质的物性参数。

4.3 超临界CO2高速一体化涡轮发电机设计和制造技术

涡轮发电机是超临界CO2发电系统的核心设备，其高效率、高可靠性是发电系统技术优势发挥的关键。超临界CO2的特点使涡轮发电机级数更少、体积更小、转速更高，发电机和压缩机可一体同轴布置。涡轮发电机设计难点有：使压缩机工作在临界点附件的空气动力学设计、一体化涡轮发电机布置造成的发电机腔室压力和密封问题等。同时设计和制造还要考虑高速精密轴承、转子运行稳定性，发电机电磁、温升等参数的影响等问题。

4.4 高效换热器设计和制造技术

高效换热器的设计与制造是超临界CO2发电系统工程应用的基础。在近临界区，CO2的热物性及流动、换热规律非常复杂，同时操作压力高、热流密度大，造成换热部件设计和制造的困难。换热器的设计需要综合考虑设备性能、造价、运行、维护等各方面问题，尽量降低换热端差，对于临界点附近的换热性能突变充分考虑裕量等。以印刷电路板式换热器（PCHE）为代表的耐高压板翅式换热器日益成为研究热点。

4.5 高性能材料的研究

超临界CO2在系统热端处于高温、高压工况，加热器、高速涡轮机、发电机等设备的材料都须在高压、高温条件下，承受很高的机械力作用，同时耐受氧化、渗碳、硫化等腐蚀作用。超临界CO2对金属及氧气有较低的溶解率，但是易被用于阀门、密封件等系统元器件的有机材料吸收。关键部件选材的组织性能特征、腐蚀机理等需要研究；材料和设备的加工、生产、热处理、检验探伤等工艺需要技术突破；系统元器件用有机材料需要进一步筛选。

4.6 运行控制技术的研究

循环系统的最优效率，建立在冷却器出口（即循环起点）处的CO2流体接近临界点。近临界点处物性变化剧烈，需要对整个循环系统的热量获取、冷却量供给、高速涡轮发电机和高速压气机的转速等均做出非常精确的调节和控制，确保CO2工质处于超临界状态，维持循环系统的高效率工作。系统运行状态控制难度大，需要深入开展控制技术研究，包括热源控制、热力循环控制、整流调压控制、系统安全保护等。

5 研究现状

美国、欧洲、日本、韩国等发达国家和地区先后开展了超临界CO2发电技术的研究，美国、日本等国的研究机构和企业已经开发出了试验原型机和工程化样机。

5.1 技术基础研究

美国多个国家级实验室和高校着重探索研究了超临界CO2布雷顿循环在核反应堆的应用。麻省理工学院（MIT）、爱达荷国家实验室（INL）、阿贡国家实验室（ANL）、能源部可再生能源实验室（NREL）、桑迪亚国家实验室（SNL）等均取得了较大进展。爱达荷国家实验室与麻省理工学院联合开发了面向铅铋合金冷却反应堆的超临界CO2发电机组；麻省理工学院提出了再压缩超临界CO2布雷顿循环流程和热力循环参数方案；阿贡国家实验室设计了面向钠冷快堆ABTR的250MW/95MW的超临界CO2发电机组。

美国桑迪亚国家实验室对超临界CO2布雷顿循环应用于不同热源，如核能、太阳能、地热能等进行了系统效率和经济性分析，结果表明该循环在中低温和中高温热源情况下均有良好的效率和经济性。

日本东京工业大学完成了面向核反应堆的超临界CO2布雷顿循环系统设计，采用多级压缩-间冷技术路线，功率600MW，发电效率为45.8%；还设计了用于太阳能光热发电的超临界CO2布雷顿循环发电系统，发电效率达48.2%。

韩国原子能研究院分析了超临界CO2布雷顿循环与钠冷快中子堆集成的可行性，正在进行规划和部件研制。

5.2 试验和示范研究

美国Echogen动力系统公司制造出了世界首套商用超临界CO2发电机组EPS100。采用双轴回热闭式循环，由一台变转速透平驱动压气机，另一台恒转速透平带动发电机，但实际运行采用跨临界朗肯循环。该机组利用532℃烟气作为热源，功率为8MW，发电效率24%，可用作燃气轮机底循环。

美国贝泰船用推进公司（BMPC）搭建了100kW级超临界CO2布雷顿循环试验系统，采用双轴回热闭式循环，发电效率约为18%。

美国桑迪亚国家实验室建成了超临界CO2布雷顿循环原型机，能够开展回热循环、再压缩循环、间冷再热再压缩循环等多种循环试验。最大压力12.5MPa，透平初温342℃，透平转速52,000r/min，效率5%。

美国海军所属诺尔斯原子能实验室（KAPL）与贝蒂斯实验室（BL）正在探索基于超临界CO2布雷顿循环的船舶动力系统，已于2010年建成100kW试验装置。

日本东芝公司开发完成了直接燃烧超临界CO2半闭环式布雷顿循环样机，以矿石燃料、氧气、CO2为混合流体的燃烧介质。其中CO2占95%，燃烧室前压力30MPa，燃烧室出口温度1150℃。试验样机额定功率25MW，将验证10MW级直接燃烧式超临界CO2电站的可行性。在样机的基础上，计划进一步研究和推动250MW直接燃烧式发电系统的建设。

5.3 我国研究进展

我国也开展了超临界CO2布雷顿循环发电技术的研究，但整体进展相对滞后，主要集中在基础技术的分析和设计。清华大学核能与新能源技术研究院进行了再压缩超临界CO2布雷顿循环的分析和改进研究；西安热工研究院、华北电力大学等开展了针对超临界CO2换热、腐蚀、材料选型方面的基础研究；中科院工程热物理研究所正在开展MW级超临界CO2布雷顿循环关键部件的研制工作，初步具备了超临界CO2透平、压缩机设计的能力，初步掌握了印刷板式换热器的设计方法。

产业界已经有所行动，华能集团立项开发超临界CO2高效发电机组，目标是实现600MW等级以上的大型超临界CO2火力发电系统及关键部件的工程方案；目前已经完成5MW试验系统的设计，拟在陕西阎良建设试验平台。江苏金通灵流体机械公司与中科院工程热物理研究所于2015年签署了技术咨询协议，拟共同开展面向太阳能光热发电的超临界CO2布雷顿循环发电系统的开发，实现10MW级发电系统、太阳能聚光及储能单元的系统集成与联调。

6 结语

超临界CO2布雷顿循环是动力循环的重大创新，有可能会引领能源高效利用技术的变革。综合国内外对超临界CO2布雷顿循环发电系统的研究，在循环系统和关键部件方面的技术、经济可行性已经得到验证并形成了共识，当前研究热点集中在应用基础和工程化实施方面。目前已经有试验原型机或工业化样机问世，但在工程化应用上尚未取得实质突破，该技术整体上处于试验装置向工业示范迈进的探索阶段。

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Summarization on Power Technology of Supercritical Carbon Dioxide

DONG Li

TM619

A

1006-5377（2017）05-0048-05