晉文超，葛 宋

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)是以超臨界二氧化碳作為布雷頓熱力循環(huán)工質(zhì)來發(fā)電的技術(shù)。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有諸多優(yōu)點，在民用及軍用（尤其是艦船）領(lǐng)域受到極大關(guān)注。

1）效率可超過50%，比最先進的蒸汽動力循環(huán)高出25%

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)最引人關(guān)注的特點是有可能大幅提高熱力循環(huán)效率，理論分析指出在接近800 ℃的渦輪入口溫度時，其熱力循環(huán)效率有可能超過50%，比目前最先進的大型蒸汽動力裝置的熱效率（略超過40%）高出近25%。蒸汽郎肯循環(huán)效率的平均水平僅在34%左右。

2）裝置體積僅為蒸汽動力系統(tǒng)的1/30

由于超臨界二氧化碳的獨特性質(zhì)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)熱力裝置具有較高的能量密度，渦輪的級數(shù)可減少，體積顯著縮小。例如，一個300 MW的超臨界二氧化碳電站的渦輪直徑只有大約1 m，只需要3個級，而同等功率的蒸汽系統(tǒng)則需要直徑5 m的渦輪，需要22～30個葉片組。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可達到蒸汽系統(tǒng)體積的1/30。

圖1所示為美國麻省理工學(xué)院研究給出的各種熱力循環(huán)中動力渦輪的尺寸比較。這種小型化的特點，使超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)在軍艦上應(yīng)用具有獨特優(yōu)勢。

3）適用于各種不同品質(zhì)熱源

與水蒸氣郎肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳適用的熱源溫度更廣，且在這些溫度范圍內(nèi)均能達到較高效率，尤其在500 ℃～800 ℃區(qū)間內(nèi)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)為閉式循環(huán)，可使用各種品質(zhì)熱源，包括核反應(yīng)堆、劣質(zhì)的燃油、煤、垃圾焚燒、地?zé)崮堋⑻柲?、工業(yè)廢熱等各種不同溫度的熱源。

4）系統(tǒng)噪聲小

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)一般采用高速渦輪機發(fā)電機組，轉(zhuǎn)速高，以高頻振動線譜為主，有利于隔振降噪。此外，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的主要運動設(shè)備全部采用高速回轉(zhuǎn)運動形式，渦輪機、發(fā)電機采用高速電磁懸浮軸承一體化連接，有利于減小振動激勵和傳遞。這對于降噪要求高的應(yīng)用場合（如軍艦）具有十分重要的意義。

5）二氧化碳成本低廉且性質(zhì)穩(wěn)定，降低選材難度

二氧化碳的成本低廉、儲量豐富，是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒的氣體，在中低溫條件下與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而侵蝕的速率較慢，循環(huán)部分的選材范圍相對較寬。這些都為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的推廣應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究最早可追溯到1948年。一位名叫Sulzer的學(xué)者申請了一個采用部分冷凝的二氧化碳布雷頓循環(huán)的專利，人們很快意識到采用超臨界二氧化碳作為工質(zhì)的優(yōu)勢。美國、意大利、蘇聯(lián)等國家在20世紀(jì)60–70年代對超臨界二氧化碳開展了很多研究，但并未得到實際應(yīng)用，主要是由于當(dāng)時的渦輪機械的設(shè)計和制造技術(shù)無法滿足要求、缺乏合適的緊湊換熱器等。直到20世紀(jì)90年代，隨著各國對能源利用的重視以及制造技術(shù)的進步，又一次引起了對超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的興趣。但直到2006年，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究還大多停留在理論設(shè)計階段。近年來，美國、日本、韓國、歐洲等國家都在開展相關(guān)研究，其中美國取得的進展最顯著。

1 超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及國外進展

1.1 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)及難點包括基礎(chǔ)科學(xué)、設(shè)備設(shè)計與制造工藝、材料開發(fā)等方面。

1）超臨界二氧化碳的物性、換熱規(guī)律的掌握

超臨界流體的物性具有很獨特的特點，包括臨界點附近的比熱尖峰、導(dǎo)熱系數(shù)變化、密度變化等，這些既是超臨界流體利用的基礎(chǔ)，也給相應(yīng)的分析帶來了困難。

另一方面，超臨界二氧化碳的獨特性質(zhì)相應(yīng)地帶來了流動和換熱規(guī)律的獨特性。已有研究顯示，超臨界流體會出現(xiàn)換熱強化和換熱惡化等現(xiàn)象，但目前對于這些規(guī)律仍不能很好地掌握。這也給超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用帶來了障礙。

2）超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)運行狀態(tài)的精確控制

系統(tǒng)循環(huán)的高效率是建立在冷凝器出口即壓氣機吸入口（循環(huán)起點）的二氧化碳仍處于超臨界狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)輸出需求發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發(fā)電機、高速壓氣機的轉(zhuǎn)速均要做相應(yīng)調(diào)整，需要精確調(diào)節(jié)控制，確保系統(tǒng)仍處于超臨界狀態(tài)以上，才能使系統(tǒng)效率達到最優(yōu)。超臨界二氧化碳熱物理參數(shù)的強烈非線性特征使得對超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制十分困難，需要開展控制研究。

3）高速超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電機組的設(shè)計制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中最關(guān)鍵的部件是渦輪發(fā)電機件。渦輪發(fā)電機組的效率和可靠性是確保超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮的關(guān)鍵，確保渦輪發(fā)電機高轉(zhuǎn)速是設(shè)備減少體積、降低重量、提高效率的重要途徑。渦輪發(fā)電機組設(shè)計過程中，在確保高轉(zhuǎn)速的前提下，既要兼顧高速精密軸承、轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性，同時要充分考慮超臨界二氧化碳工質(zhì)溫度、壓力、密度等參數(shù)，以及發(fā)電機電磁、溫升等參數(shù)的影響問題。

超臨界二氧化碳渦輪和壓縮機的設(shè)計和制造是利用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的核心問題之一，也是主要難點之一。由于超臨界二氧化碳在壓縮和膨脹過程中物性的強非線性變化，對渦輪和壓縮機的設(shè)計提出了很高的要求，同時也考驗相關(guān)的制造工藝和工業(yè)基礎(chǔ)。

4）高效緊湊換熱器的設(shè)計制造

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)要求有緊湊、高效和可靠的換熱器進行快速的熱量交換，傳統(tǒng)的換熱器很難滿足要求。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，印刷電路換熱器的出現(xiàn)給問題的解決帶來了希望。印刷電路板換熱器由薄鋼板組成，內(nèi)部通過刻蝕形成微通道，換熱面積可達到1 000 m2/m3。這種換熱器非常緊湊，且能承受住高溫和高壓，其制造需要相應(yīng)的制造工藝基礎(chǔ)。

5）耐高溫高壓、耐腐蝕材料的開發(fā)

二氧化碳雖然化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，腐蝕性弱，但由于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)往往用于高溫高壓（如高達550 ℃，20 MPa）條件，其對材料的腐蝕仍然難以避免。開發(fā)和測試符合要求的材料也是關(guān)鍵的因素之一。為實現(xiàn)高效率，必須提高系統(tǒng)熱力循環(huán)的溫度、壓力，要求超臨界二氧化碳熱力循環(huán)壓力達15～32 Mpa、溫度達550 ℃以上。為滿足高溫高壓參數(shù)要求，加熱器、渦輪機、發(fā)電機的材料都必須具有高強度、耐高溫、耐腐蝕性的特點，設(shè)備的加工、生產(chǎn)、熱處理、檢驗探傷等工藝則需要技術(shù)突破。

1.2 國外超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)研發(fā)項目及發(fā)展現(xiàn)狀

1)美國

①按從小功率到大功率，分階段推進的路線實施

按規(guī)劃，美國超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線按階段可分為：基礎(chǔ)測試→概念開發(fā)→kW級小型系統(tǒng)與部件測試→10 MW級電站演示驗證與大部件研發(fā)→10 MW以上大型系統(tǒng)測試與商業(yè)化應(yīng)用等階段。綜合來看，其總體發(fā)展思路是通過實驗室小功率系統(tǒng)解決基本技術(shù)問題，再通過各分部件的可擴展性分析，逐步推廣到大功率商業(yè)化系統(tǒng)。

為推動超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，早期R&D經(jīng)費主要由美國能源部及軍方的海軍核動力辦公室投資，開展基礎(chǔ)的概念開發(fā)和探索工作；當(dāng)達到一定成熟度后（TRL 4～6），由政府和工業(yè)部門聯(lián)合出資開展相關(guān)研發(fā)和試驗演示工作；當(dāng)技術(shù)成熟度達到7級時，商業(yè)投資增加，完全由工業(yè)部門開展相關(guān)研發(fā)工作。

②目前美國已基本完成實驗室小型樣機測試，進入到10 MW級系統(tǒng)演示驗證階段，2020年技術(shù)成熟度將超過7級

在美國海軍和能源部的支持下，美國在多個實驗室搭建了超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電小型試驗臺，如諾爾斯實驗室、桑迪亞國家實驗室、Echogen公司等，對不同系統(tǒng)布置形式的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行試驗和分析，并積累運行經(jīng)驗。

美國海軍核動力推進辦公室NR（Nuclear Reactor）下屬的諾爾斯實驗室從2007年啟動將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用到海軍反應(yīng)堆的研究。諾爾斯實驗室搭建的綜合系統(tǒng)試驗臺采用簡單再熱閉式布雷頓循環(huán)，功率為100 kW，采用2個渦輪（一個動力渦輪直接發(fā)電，一個渦輪-發(fā)電機-壓縮機組件發(fā)電的同時驅(qū)動壓縮機）。

近年來，美國能源部在力推超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)，其主要發(fā)展策略是以國家投資為牽引的同時，吸引工業(yè)部門加入。眾多研究力量和工業(yè)部門參與其中，取得了顯著突破?？紤]的應(yīng)用對象以核反應(yīng)堆為主，太陽能、工業(yè)余熱等也在研究之中。

桑迪亞國家實驗室超臨界二氧化碳再回?zé)衢]式布雷頓循環(huán)試驗樣機布置如圖2所示，該系統(tǒng)功率250 kW，包括2個TAC組件、2個印刷回路換熱器（功率分別為2.3 MW和1.7 MW）。該系統(tǒng)在2015年完成測試。

按美國能源部的規(guī)劃，在2020左右年完成10 MW級超臨界二氧化碳再壓縮閉式布雷頓循環(huán)（RCBC）發(fā)電系統(tǒng)的演示驗證，技術(shù)成熟度超過7級，具備商業(yè)推廣條件。為此，2016年美國能源部授出價值8千萬美元的合同，開展10 MW的超臨界二氧化碳渦輪發(fā)電系統(tǒng)示范性工程。同時，在10 MW系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索將10 MW級擴展到300 MW的技術(shù)，廣泛開展系統(tǒng)的可擴展性研究，分析了不同功率下系統(tǒng)組件的適用方案。據(jù)美國媒體報道，美國有望在2035年左右實現(xiàn)在1 000 MW級大型超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電核電站的商業(yè)應(yīng)用。

2）其他國家

日本、韓國等國家也在開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研究。如京都應(yīng)用能源學(xué)院搭建了一個小型試驗臺用于研究小尺度渦輪機械并評估循環(huán)性能。東京技術(shù)學(xué)院搭建了一個超臨界二氧化碳腐蝕測試回路。韓國科學(xué)技術(shù)高級研究院（KAIST）搭建了一個帶低壓縮比壓縮機的試驗回路開展超臨界二氧化碳壓縮機性能試驗。韓國原子能研究院和韓國能源研究院也開展了相關(guān)測試。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的民用及艦用前景

1）未來20年內(nèi)將在大型核電站上應(yīng)用

目前國外超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究以核反應(yīng)堆為主要應(yīng)用對象，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)除了效率高、體積小等優(yōu)勢外，在安全性上與二回路采用蒸汽系統(tǒng)相比有了極大的改善。根據(jù)美國能源部的研究規(guī)劃及相關(guān)進展，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在大型核電站得到運用將有可能在未來20年內(nèi)成為現(xiàn)實。

2）可將太陽能發(fā)電效率提高8%，增強太陽能發(fā)電競爭力

美國能源部認(rèn)為，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用可達到降低太陽能發(fā)電成本的目的。據(jù)分析，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可幫助提高8%左右的太陽能光熱式發(fā)電效率。美國能源部計劃通過超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究的實施，以推動使太陽能光熱發(fā)電成本大幅降低，提高太陽能光熱發(fā)電的競爭力。

3）提高傳統(tǒng)化石能源的利用效率

煤炭、垃圾、生物質(zhì)等均以燃燒的方式提供熱量。對于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的應(yīng)用，以煤炭為例，國際能源署（IEA）在《21世紀(jì)的煤炭》報告中總結(jié)了4種未來煤炭利用技術(shù)，這些技術(shù)可能代表著煤炭利用的重大進步，閉式布雷頓循環(huán)即是其中之一。

4）在工業(yè)廢熱利用中有望得到推廣

盡管工業(yè)廢熱是一種低品位的能源，但其儲藏巨大，即便是其中一小部分得到回收利用，也是一個可觀的量。工業(yè)廢熱熱源溫度通常降低，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在相對較低的溫度下仍適用，且系統(tǒng)體積小，有利于安裝。

5）在船舶和核動力潛艇上的應(yīng)用具有突出的優(yōu)勢

早在20世紀(jì)70年代就有人提出將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用到船舶上，并指出燃料利用效率有望提高超過25%。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率高、體積小、噪聲小等特點，使其在燃料成本高、空間狹小的船舶上應(yīng)用相比蒸汽系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢，尤其對于采用核動力與蒸汽系統(tǒng)的船舶和潛艇。

3 我國發(fā)展超臨界二氧化碳循環(huán)動力技術(shù)的初步建議

1）加強超臨界二氧化碳流體特性的基礎(chǔ)研究

基礎(chǔ)研究是技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用依賴于對超臨界二氧化碳流體基本物性的變化規(guī)律、通道內(nèi)（尤其是換熱器中的微通道內(nèi)）的流動和換熱規(guī)律的掌握。同時，可靠的計算機數(shù)值仿真可有效輔助系統(tǒng)的設(shè)計和驗證，降低成本，也是基礎(chǔ)研究的重點。加強這些方面的基礎(chǔ)研究有助于推進該項技術(shù)的發(fā)展。

2）加大對制造技術(shù)和材料研發(fā)領(lǐng)域的投入

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中的壓縮機、動力渦輪、印刷電路換熱器涉及的精密制造技術(shù)和工藝正是我國制造工業(yè)的短板，同時高溫耐腐蝕材料的開發(fā)也存在很大的技術(shù)難度。因此，我國推動超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究和應(yīng)用不僅僅取決于對這樣技術(shù)本身的投入，還將依賴我國制造工業(yè)和材料技術(shù)的整體進步。

3）通過政府主導(dǎo)、軍民融合等方式引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)既涉及基礎(chǔ)研究，也對制造技術(shù)和工藝水平提出了很高的要求，要實現(xiàn)在軍、民領(lǐng)域的實際應(yīng)用是一個復(fù)雜、長期的過程，發(fā)展初期需要政府投入和有效引導(dǎo)，分階段實施。

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