郑开云

超临界二氧化碳循环发电技术应用

郑开云

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海市 闵行区 200240）

超临界二氧化碳循环可应用于火力发电、核能发电、太阳能热发电等多种发电技术领域，作为新型的动力循环系统替代目前广泛使用的汽轮发电机组或燃气轮机发电机组。在进入商业化应用之前，需要对超临界二氧化碳循环技术在各种应用场景下的优势及其潜在的社会和经济效益进行探讨。通过分析超临界二氧化碳循环的特点和优势，探索其与化石能源、核能、太阳能、生物质能、余热等各种热源相结合的可行性，提出多种发电系统方案，可为今后超临界二氧化碳循环的商业化应用提供参考。随着超临界二氧化碳循环技术不断成熟，设备成本进一步降低，其系统简化、结构紧凑、效率高等优势将更加突显。

超临界二氧化碳循环；火力发电；核电；太阳能热发电

0 引言

二氧化碳具有化学性质稳定、密度大、无毒性、成本低，以及压缩系数低、比热大、扩散系数高等物性特点；其临界压力为7.38MPa，在工程上容易达到；其临界温度为31℃，可由自然环境中的冷源冷却至临界点附近或凝结成液态。二氧化碳可被用作动力循环的工质，当循环中工质状态达到临界点以上，即构成所谓的超临界二氧化碳循环时，可获得非常可观的热效率，这在20世纪40年代就被发现[1]，并在60、70年代出现过研究热潮[2-3]。当时，关键设备制造技术不成熟，超临界二氧化碳循环未获得实际应用。近年来，由于下一代核能发电和太阳能热发电技术的发展需要，以及先进制造技术的出现，超临界二氧化碳循环重新受到关注，并成为当前能源领域的研究热点[4-7]。

以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环或朗肯循环，其系统简化、结构紧凑、效率高、可空冷，超临界二氧化碳循环可以与各种热源组合成发电系统，在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电等领域均具有良好的应用前景[4-11]。国内外有许多机构都致力于超临界二氧化碳循环发电技术的商业化应用，其中美国在这方面的工作较为领先，如Echogen公司推出电功率为7MW的余热发电系统(EPS100)[12]，NetPower公司正在开展热功率为50MW的天然气纯氧直接燃烧加热的半闭式循环(Allam循环)示范电厂调试[13]，SuperCritical Technologies公司正在开发电功率为5MW 的余热发电系统[14]，美国能源部STEP项目下电功率为10MW的闭式循环示范装置已经开工建造[15]。以上小容量发电系统是近期阶段的商业化目标，预计到2025年，大容量机组也将开始商业化[16]。

作为潜在的先进发电技术，超临界二氧化碳循环替代现有的动力循环(如蒸汽朗肯循环、空气布雷顿循环)，在很多应用场景下，发电机组的效率会有显著提升，但是对于某些应用场合，机组效率提升并不明显，此时超临界二氧化碳循环系统的其他优点更加体现其应用价值。针对未来应用，为了充分发挥超临界二氧化碳循环的优势，需要在可接受的经济性范围内，从系统层面对循环的布置方式、容量匹配、参数选取等进行统筹考虑和合理优化。

本文通过分析超临界二氧化碳循环的特点和优势，探索其与各种热源形式相结合的可能性，提出多种发电系统方案，可为超临界二氧化碳循环在未来大型化后应用于火力发电、核能发电、太阳能热发电等大容量发电工程提供参考。

1 火力发电

1.1 燃煤发电

在燃煤发电机组中，超临界二氧化碳循环可以直接替代蒸汽朗肯循环，与经过适当改造后的燃煤锅炉配套，组成百万千瓦级的大容量发电机组。超临界二氧化碳循环可采用分流再压缩的闭式循环方式，工质通过锅炉外燃间接加热的形式获得热量，推动透平做功，这在国内外的文献中已多有报道[17-20]。笔者认为采用部分冷却循环方式更有利于超临界二氧化碳循环与燃煤锅炉的集成，如图1所示[19]。一方面，与燃煤锅炉集成时，部分冷却超临界二氧化碳循环进入锅炉的工质温度比再压缩超临界二氧化碳循环更低，吸热温度区间较大，工质流量显著减少，从而减少锅炉压损，部分冷却循环效率与再压缩循环相近；另一方面，超临界二氧化碳循环可通过从主压缩机出口(分流方式1)或高温回热器入口(分流方式2)分流工质冷却锅炉尾部烟气(图1)，可降低锅炉排烟温度，对确保锅炉效率有利，虽然会降低循环效率，但是总体上有利于提高系统的热效率。

a—主压缩机；b—低温回热器；c—高温回热器；d—主加热器；e—透平；f—发电机；g—再压缩机；h—间冷器；i—预冷器；j—预压缩机。

在目前燃煤机组的运行条件下，与同等参数(600℃等级)的超超临界汽轮发电机组相比，超临界二氧化碳循环发电机组在发电效率上的优势并不突出[20]，而经济性方面的劣势反而会削弱超临界二氧化碳循环的应用价值。在超临界二氧化碳循环的设备成本中，回热器将占有相当大的比例，当前国际上印刷电路板型回热器的价格为500~600元/kW(热功率)[16]，折算到单位装机容量，其价格为2500~3000元/kW(电功率)。即使未来国产化大批量生产，或者有更低成本的高效换热器开发后[21]，价格低于1000元/kW(电功率)的难度还是较大。以600℃等级超超临界汽轮发电机组设备成本2000元/kW(电功率)的价格作为对照[22]，同等参数的超临界二氧化碳循环机组总体上很难获得有竞争性的价格。

因此，超临界二氧化碳循环的效率潜力还需有针对性地开发，一是针对未来更高参数(700℃等级)的应用，二是针对特定电厂环境。700℃等级下，与同等参数的超超临界汽轮发电机组相比，超临界二氧化碳循环的效率优势进一步扩大。经济性方面，700℃等级超超临界汽轮发电机组设备成本为4700元/ kW(电功率)[22]，以此为参照，超临界二氧化碳循环的回热器成本占总成本的比例将显著降低，机组总体成本上升的相对量减小，有望被效率和其他优势覆盖。特定电厂环境主要是指冷源条件，降低冷端温度对超临界二氧化碳循环效率的贡献非常显著[23]，如有条件，超临界二氧化碳循环机组可以在零下几十度冷端温度下工作，但是对于汽轮机组，冷端温度降低的程度和作用都比较有限，所以在有低温条件的高纬度、高海拔地区，超临界二氧化碳循环机组的高效率优势突出。类似地，对应用于多煤少水地区的空冷机组而言，超临界二氧化碳循环也表现出更大的效率优势。因此，超临界二氧化碳循环燃煤发电机组在未来的700℃或更高参数等级的机组以及特定电厂环境中将有十分重要的应用价值。

1.2 直燃发电

超临界二氧化碳循环也可采用直燃加热方式构成半闭式循环，即Allam循环，包括天然气直燃和煤气化合成气直燃2个方案[24-25]。Allam循环采用纯氧燃烧，可避免生成NO，燃烧产生的多余二氧化碳以液态或高压超临界态形式直接回收，其余的二氧化碳重回燃烧室。这一循环在高效发电的同时实现了100%的廉价捕碳，发电成本可与带捕碳装置的燃气轮机-蒸汽轮机联合循环电厂相媲美，且电厂造价不增加[26]。

直燃加热的超临界二氧化碳循环透平进气温度和压力高，但透平膨胀比小，在最优膨胀比下，透平排气温度可达900℃以上，如果直接进入回热器，就会造成回热器高压侧热端温度过高，材料许用应力难以满足要求。因此，必须增大膨胀比以降低透平排气温度，同时在冷端增加压缩设备，但这样会造成循环效率损失。Allam循环为了避免回热器热端超温，在增大透平膨胀比的同时，还限制透平进口参数，透平进口约1150℃/30MPa，出口约760℃/3MPa，回热器高压侧热端约750℃/30MPa，达到材料(Inconel740H)的极限。这一措施对Allam循环参数有所限制，达不到更先进的H级以上燃气轮机的温度，不利于进一步发掘超临界二氧化碳循环的效率优势。为解决这一问题，可采用图2所示的化学回热(如天然气/水蒸汽重整)的方法，将透平760℃以上温度段排气转变为燃料的化学能回至燃烧器，760℃以下温度段的排气输入至回热器，从而确保超临界二氧化碳循环可在最佳效率下运行，并且透平进口参数可以提升至透平材料的极限而不是回热器材料的极限。同时，在循环系统的冷端可减少压缩或不压缩。

图2 采用化学回热的直燃加热循环系统示意图

直燃加热超临界二氧化碳循环发电技术的两大优势是零排放和高效率，且前者对未来社会更有意义。如果美国NetPower公司的Allam循环示范电厂取得成功，则基于这项技术的大型商业化电站也将指日可待，这必然会在全球能源领域引发巨大反响。针对国内现状，直燃加热超临界二氧化碳循环发电技术仍面临两大问题：一是二氧化碳封存问题；二是机组的灵活性问题。美国NetPower公司设想的二氧化碳的大规模封存手段主要是用于增强型石油开采，这在北美地区有很大的市场需求，但是中国缺乏这样的条件，同时，其他形式的大规模封存条件也不具备。直燃加热超临界二氧化碳循环发电机组的灵活性显然不好，更无法与燃气轮机相比，其原因既包括超临界二氧化碳循环自身的深度回热(回热功率数倍于燃料燃烧热功率)的特点，也包括配套空分设施调节能力的限制，难以用作调峰机组。因此，直燃加热超临界二氧化碳循环发电技术在国内的应用需要考虑二氧化碳封存(或资源化利用)问题，并通过技术改造使其满足电网对火电的灵活性要求。

2 核能发电

二氧化碳在工业领域有广泛的应用，具备常规工业和生活中的安全性。在核电领域，二氧化碳是一种安全的一回路冷却剂，英国曾建造一批二氧化碳冷却的石墨气冷堆。作为核反应堆的二回路，超临界二氧化碳循环与第四代核反应堆(超临界水堆除外)具有绝佳的组合优势，热效率更高，安全性更好，如在钠冷快堆中，可避免钠水反应。在核电厂安全系统中，超临界二氧化碳循环回路在事故工况下还可以作为非能动余热排出系统来使用[27]。

目前主流的核电堆型，即压水堆和沸水堆，采用的是汽轮发电机组。近年来核电发展的关注点从大型商用堆转移到小型模块化反应堆(small modular reacror，SMR)，超临界二氧化碳循环系统紧凑，可能成为SMR的热电转换系统。SMR有多种堆型，世界各国当前开发的SMR堆型包括压水堆、高温气冷堆、钠冷快堆、铅铋冷却快堆等，其中绝大多数为压水堆。压水堆也是大型商用堆中最主要的堆型，其技术成熟，安全性高，经济性好。以现有的大型压水堆为基础开发的小型压水堆技术趋于成熟。SMR要求系统的体积、占地面积尽量小，用超临界二氧化碳循环机组代替常规的汽轮机组可以大幅减小常规岛的尺寸。然而，压水堆二回路温度较低(约280℃)，采用汽轮机组的小型压水堆热电转换效率不到30%，采用超临界二氧化碳循环的小型压水堆效率更低，这是超临界二氧化碳与小型压水堆结合的不足之处。未来，与高温气冷堆、钠冷快堆、铅铋冷却快堆等更高温度参数的SMR结合时，超临界二氧化碳循环不仅有小型化优势，还有高效率优势。

基于超临界二氧化碳工质的特点，小型压水堆可以设计低温热源与高温热源混合发电的循环系统[28]。超临界二氧化碳循环采用简单回热循环的构架，并在此基础上增加一次间冷和一次再热，循环过程较为精简，热效率较高。超临界二氧化碳循环布置如图3所示[29]。将SMR与可再生能源(如太阳能热、生物质燃烧热)组合，两者温度等级有高低之分，可分别用于低温段热源和高温段热源。SMR的热功率大多在50~300MW，聚光太阳能集热器或生物质直燃锅炉也多为此热功率，两者可选配适当的容量进行组合。这种利用方式下，超临界二氧化碳循环非常合适，而采用汽轮机组就难以匹配。由于高温热源的加入，超临界二氧化碳循环整体效率较高，混合发电效率远高于SMR和可再生能源独立发电的综合效率，所以混合发电厂有更好的经济性。SMR的厂址适应性好，与其他热源组合使用不会有太多的选址限制。

1—主压缩机；2—低温回热器；3—二回路换热器；4—高温回热器；5—可再生能源加热器；6—高压透平；7—可再生能源再热器；8—低压透平；9—发电机；10—预冷器；11—预压缩机；12—间冷器；13—SMR；14—可再生能源。

在核能发电领域的应用中，超临界二氧化碳循环的安全性、紧凑性好，可以直接用于SMR，也可以通过超临界二氧化碳循环将核电与其他可再生能源组合成高效率的混合发电系统，提高核电的经济性。

3 太阳能热发电

超临界二氧化碳循环可用于太阳能热发电厂，同样也可替代蒸汽朗肯循环，其核心优势在于空冷条件下有更高的效率，这对位于干燥缺水地区的太阳能热发电厂十分有利。同时，随着温度参数进一步提高，超临界二氧化碳循环的高效率优势也更加突出。美国的SunShot计划正在研发采用超临界二氧化碳循环(如部分冷却循环模式)作为太阳能热发电厂的动力岛部分(见图4)，透平入口温度达到700℃以上，空冷条件下的循环效率达到50%以上[30]。

图4 塔式太阳能热超临界二氧化碳循环发电系统

尽管如此，超临界二氧化碳循环的能量转换效率还不够高，太阳能热发电相对于光伏发电的竞争力优势不明显。为了进一步提高效率，一方面，可以再进一步将循环的温度参数提高至800℃等级，关键设备已具备一定条件，如已开发出耐高温的陶瓷换热器[31]，正在从实验室走向工业化应用，1150℃进口温度的高温透平正在Allam循环示范电厂测试。另一方面，新型的更高温度等级的热电转换器，如碱金属热电转换器(alkali metal thermal to electric converter，AMTEC)、光子增强热离子发射装置可作为超临界二氧化碳循环的顶循环，其释放的高温余热可提供给超临界二氧化碳底循环，两者组合成高参数、高效率的联合发电系统。超临界二氧化碳循环结构紧凑，在较大的发电功率跨度(百千瓦级至百兆瓦级)下均保持高效率，与AMTEC、光子增强热离子发射装置既可组成小型紧凑的发电装置，也可组成中、大型的发电装置，满足不同的应用需求。 图5为超临界二氧化碳循环与AMTEC(多组)组成的联合循环发电系统，AMTEC的高温端可达 1000℃以上，其低温端释放200℃左右的凝结热并传递给超临界二氧化碳循环的工质，超临界二氧化碳循环工质再加热至高温进入透平发电[32]。

超临界二氧化碳循环可采用单独或联合循环的方式用于太阳能热发电，目标都是提高热电转换效率。由于太阳能热发电不需要燃料费，所以电厂的经济性主要体现在单位装机容量的造价。类似于前文关于燃煤电厂设备价格的估计，在太阳能热发电厂中，超临界二氧化碳循环的设备价格仍然高于汽轮机组，但是在聚光集热部分可减少设备用量，如聚光镜面积减少，由此降低相关的设备价格。目前，太阳能热发电厂中聚光集热部分的单位装机容量价格占总价的1/2以上，动力循环部分的价格不到总价的1/4。超临界二氧化碳循环的回热器价格高，动力循环部分的价格也被抬高，但是动力循环效率的提高可减少聚光集热板块用量，可使电厂总成本下降。因此，通过提高动力循环部分发电效率来降低其成本是合理的[33]。

1—主换热器；2—中间换热器；3—AMTEC；4—电磁泵；5—压缩机；6—低温回热器；7—高温回热器；8—透平；9—发电机；10—预冷器；31—β″氧化铝固体电解质；32—冷凝器。

4 其他发电方式

事实上，超临界二氧化碳循环用于生物质发电机组、小型火力发电机组和余热发电机组的优势更加全面，包括效率、体积、灵活性、经济性等各方面，这些机组的容量大多在几十兆瓦(电功率)以内。对于上述容量的机组，汽轮发电机组的最佳参数达不到大型超临界和超超临界机组的参数，发电效率较低，而超临界二氧化碳循环仍然可以在高参数条件下运行，发电效率基本不受容量限制。超临界二氧化碳循环的设备可以做得十分简化和紧凑，以实现电厂模块化、可移动、免维护，这对于生物质发电十分有吸引力，因为生物质燃料的分散性太大，同时，对于分布式发电、余热发电的应用也很有竞争力。这些优势完全可以弥补早期机组设备价格偏高的劣势，使得最终的发电成本有所下降。当前已推出的超临界二氧化碳机组的目标市场定位基本上都是上述的应用领域[12,14,34]。

5 结论

主要研究了超临界二氧化碳循环在火力发电、核能发电、太阳能热发电中的应用方式，提出了几种独特的超临界二氧化碳循环发电系统，主要结论如下：

1）超临界二氧化碳循环与燃煤锅炉集成，考虑到进入锅炉的工质温度高、吸热区间窄，需重点关注锅炉效率，将循环效率与锅炉效率进行统筹分析，可获得优选的循环方式和参数。

2）直燃加热的半闭式超临界二氧化碳循环透平排气温度高，超出回热器材料许用范围，减少透平排气温度有损循环效率，可采用其他的回热方式突破回热温度限制。

3）超临界二氧化碳循环的高效率和紧凑性使其成为基于SMR的混合发电系统的能量转换装置，可将SMR作为低温热源，配上可再生能源作为高温热源。

4）超临界二氧化碳循环可直接作为太阳能热发电厂的动力岛，但是需要进一步提高温度参数才能获得显著的效率提升，将其作为新型的更高温度等级的热电转换器的底循环，更易于实现高的发电效率。

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Application of Supercritical Carbon Dioxide Cycle Power Generation Technology

ZHENG Kaiyun

(Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Minhang District, Shanghai 200240, China)

Supercritical carbon dioxide cycle can be utilized in thermal power generation, nuclear power generation, solar thermal power generation and other fields of power generation technology. As a novel power cycle system, it can replace the current widely used steam turbine or gas turbine generators. Before entering commercial application, the advantages of supercritical carbon dioxide cycle technology in various application scenarios and its potential social and economic benefits have to be discussed. By analyzing the characteristics and advantages of supercritical carbon dioxide cycle, this paper explored the feasibility of combining supercritical carbon dioxide cycle with fossil energy, nuclear energy, solar energy, biomass energy, waste heat and other heat sources. A variety of power generation system schemes were put forward, which can provide a reference for future commercial application of supercritical carbon dioxide cycle. With the development of supercritical carbon dioxide cycle technology and the further reduction of equipment cost, the benefits of simplified system, compact structure and high efficiency will become more prominent.

supercritical carbon dioxide cycle; thermal power generation; nuclear power; solar thermal power generation

10.12096/j.2096-4528.pgt.19057

TM61

2019-04-22。

(责任编辑 尚彩娟)