鄭開云

超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術應用

鄭開云

（上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海市 閔行區(qū) 200240）

超臨界二氧化碳循環(huán)可應用于火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電等多種發(fā)電技術領域，作為新型的動力循環(huán)系統(tǒng)替代目前廣泛使用的汽輪發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組。在進入商業(yè)化應用之前，需要對超臨界二氧化碳循環(huán)技術在各種應用場景下的優(yōu)勢及其潛在的社會和經濟效益進行探討。通過分析超臨界二氧化碳循環(huán)的特點和優(yōu)勢，探索其與化石能源、核能、太陽能、生物質能、余熱等各種熱源相結合的可行性，提出多種發(fā)電系統(tǒng)方案，可為今后超臨界二氧化碳循環(huán)的商業(yè)化應用提供參考。隨著超臨界二氧化碳循環(huán)技術不斷成熟，設備成本進一步降低，其系統(tǒng)簡化、結構緊湊、效率高等優(yōu)勢將更加突顯。

超臨界二氧化碳循環(huán)；火力發(fā)電；核電；太陽能熱發(fā)電

0 引言

二氧化碳具有化學性質穩(wěn)定、密度大、無毒性、成本低，以及壓縮系數(shù)低、比熱大、擴散系數(shù)高等物性特點；其臨界壓力為7.38MPa，在工程上容易達到；其臨界溫度為31℃，可由自然環(huán)境中的冷源冷卻至臨界點附近或凝結成液態(tài)。二氧化碳可被用作動力循環(huán)的工質，當循環(huán)中工質狀態(tài)達到臨界點以上，即構成所謂的超臨界二氧化碳循環(huán)時，可獲得非常可觀的熱效率，這在20世紀40年代就被發(fā)現(xiàn)[1]，并在60、70年代出現(xiàn)過研究熱潮[2-3]。當時，關鍵設備制造技術不成熟，超臨界二氧化碳循環(huán)未獲得實際應用。近年來，由于下一代核能發(fā)電和太陽能熱發(fā)電技術的發(fā)展需要，以及先進制造技術的出現(xiàn)，超臨界二氧化碳循環(huán)重新受到關注，并成為當前能源領域的研究熱點[4-7]。

以超臨界二氧化碳為工質的布雷頓循環(huán)或朗肯循環(huán)，其系統(tǒng)簡化、結構緊湊、效率高、可空冷，超臨界二氧化碳循環(huán)可以與各種熱源組合成發(fā)電系統(tǒng)，在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地熱發(fā)電、生物質發(fā)電等領域均具有良好的應用前景[4-11]。國內外有許多機構都致力于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術的商業(yè)化應用，其中美國在這方面的工作較為領先，如Echogen公司推出電功率為7MW的余熱發(fā)電系統(tǒng)(EPS100)[12]，NetPower公司正在開展熱功率為50MW的天然氣純氧直接燃燒加熱的半閉式循環(huán)(Allam循環(huán))示范電廠調試[13]，SuperCritical Technologies公司正在開發(fā)電功率為5MW 的余熱發(fā)電系統(tǒng)[14]，美國能源部STEP項目下電功率為10MW的閉式循環(huán)示范裝置已經開工建造[15]。以上小容量發(fā)電系統(tǒng)是近期階段的商業(yè)化目標，預計到2025年，大容量機組也將開始商業(yè)化[16]。

作為潛在的先進發(fā)電技術，超臨界二氧化碳循環(huán)替代現(xiàn)有的動力循環(huán)(如蒸汽朗肯循環(huán)、空氣布雷頓循環(huán))，在很多應用場景下，發(fā)電機組的效率會有顯著提升，但是對于某些應用場合，機組效率提升并不明顯，此時超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)的其他優(yōu)點更加體現(xiàn)其應用價值。針對未來應用，為了充分發(fā)揮超臨界二氧化碳循環(huán)的優(yōu)勢，需要在可接受的經濟性范圍內，從系統(tǒng)層面對循環(huán)的布置方式、容量匹配、參數(shù)選取等進行統(tǒng)籌考慮和合理優(yōu)化。

本文通過分析超臨界二氧化碳循環(huán)的特點和優(yōu)勢，探索其與各種熱源形式相結合的可能性，提出多種發(fā)電系統(tǒng)方案，可為超臨界二氧化碳循環(huán)在未來大型化后應用于火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電等大容量發(fā)電工程提供參考。

1 火力發(fā)電

1.1 燃煤發(fā)電

在燃煤發(fā)電機組中，超臨界二氧化碳循環(huán)可以直接替代蒸汽朗肯循環(huán)，與經過適當改造后的燃煤鍋爐配套，組成百萬千瓦級的大容量發(fā)電機組。超臨界二氧化碳循環(huán)可采用分流再壓縮的閉式循環(huán)方式，工質通過鍋爐外燃間接加熱的形式獲得熱量，推動透平做功，這在國內外的文獻中已多有報道[17-20]。筆者認為采用部分冷卻循環(huán)方式更有利于超臨界二氧化碳循環(huán)與燃煤鍋爐的集成，如圖1所示[19]。一方面，與燃煤鍋爐集成時，部分冷卻超臨界二氧化碳循環(huán)進入鍋爐的工質溫度比再壓縮超臨界二氧化碳循環(huán)更低，吸熱溫度區(qū)間較大，工質流量顯著減少，從而減少鍋爐壓損，部分冷卻循環(huán)效率與再壓縮循環(huán)相近；另一方面，超臨界二氧化碳循環(huán)可通過從主壓縮機出口(分流方式1)或高溫回熱器入口(分流方式2)分流工質冷卻鍋爐尾部煙氣(圖1)，可降低鍋爐排煙溫度，對確保鍋爐效率有利，雖然會降低循環(huán)效率，但是總體上有利于提高系統(tǒng)的熱效率。

a—主壓縮機；b—低溫回熱器；c—高溫回熱器；d—主加熱器；e—透平；f—發(fā)電機；g—再壓縮機；h—間冷器；i—預冷器；j—預壓縮機。

在目前燃煤機組的運行條件下，與同等參數(shù)(600℃等級)的超超臨界汽輪發(fā)電機組相比，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電機組在發(fā)電效率上的優(yōu)勢并不突出[20]，而經濟性方面的劣勢反而會削弱超臨界二氧化碳循環(huán)的應用價值。在超臨界二氧化碳循環(huán)的設備成本中，回熱器將占有相當大的比例，當前國際上印刷電路板型回熱器的價格為500~600元/kW(熱功率)[16]，折算到單位裝機容量，其價格為2500~3000元/kW(電功率)。即使未來國產化大批量生產，或者有更低成本的高效換熱器開發(fā)后[21]，價格低于1000元/kW(電功率)的難度還是較大。以600℃等級超超臨界汽輪發(fā)電機組設備成本2000元/kW(電功率)的價格作為對照[22]，同等參數(shù)的超臨界二氧化碳循環(huán)機組總體上很難獲得有競爭性的價格。

因此，超臨界二氧化碳循環(huán)的效率潛力還需有針對性地開發(fā)，一是針對未來更高參數(shù)(700℃等級)的應用，二是針對特定電廠環(huán)境。700℃等級下，與同等參數(shù)的超超臨界汽輪發(fā)電機組相比，超臨界二氧化碳循環(huán)的效率優(yōu)勢進一步擴大。經濟性方面，700℃等級超超臨界汽輪發(fā)電機組設備成本為4700元/ kW(電功率)[22]，以此為參照，超臨界二氧化碳循環(huán)的回熱器成本占總成本的比例將顯著降低，機組總體成本上升的相對量減小，有望被效率和其他優(yōu)勢覆蓋。特定電廠環(huán)境主要是指冷源條件，降低冷端溫度對超臨界二氧化碳循環(huán)效率的貢獻非常顯著[23]，如有條件，超臨界二氧化碳循環(huán)機組可以在零下幾十度冷端溫度下工作，但是對于汽輪機組，冷端溫度降低的程度和作用都比較有限，所以在有低溫條件的高緯度、高海拔地區(qū)，超臨界二氧化碳循環(huán)機組的高效率優(yōu)勢突出。類似地，對應用于多煤少水地區(qū)的空冷機組而言，超臨界二氧化碳循環(huán)也表現(xiàn)出更大的效率優(yōu)勢。因此，超臨界二氧化碳循環(huán)燃煤發(fā)電機組在未來的700℃或更高參數(shù)等級的機組以及特定電廠環(huán)境中將有十分重要的應用價值。

1.2 直燃發(fā)電

超臨界二氧化碳循環(huán)也可采用直燃加熱方式構成半閉式循環(huán)，即Allam循環(huán)，包括天然氣直燃和煤氣化合成氣直燃2個方案[24-25]。Allam循環(huán)采用純氧燃燒，可避免生成NO，燃燒產生的多余二氧化碳以液態(tài)或高壓超臨界態(tài)形式直接回收，其余的二氧化碳重回燃燒室。這一循環(huán)在高效發(fā)電的同時實現(xiàn)了100%的廉價捕碳，發(fā)電成本可與帶捕碳裝置的燃氣輪機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)電廠相媲美，且電廠造價不增加[26]。

直燃加熱的超臨界二氧化碳循環(huán)透平進氣溫度和壓力高，但透平膨脹比小，在最優(yōu)膨脹比下，透平排氣溫度可達900℃以上，如果直接進入回熱器，就會造成回熱器高壓側熱端溫度過高，材料許用應力難以滿足要求。因此，必須增大膨脹比以降低透平排氣溫度，同時在冷端增加壓縮設備，但這樣會造成循環(huán)效率損失。Allam循環(huán)為了避免回熱器熱端超溫，在增大透平膨脹比的同時，還限制透平進口參數(shù)，透平進口約1150℃/30MPa，出口約760℃/3MPa，回熱器高壓側熱端約750℃/30MPa，達到材料(Inconel740H)的極限。這一措施對Allam循環(huán)參數(shù)有所限制，達不到更先進的H級以上燃氣輪機的溫度，不利于進一步發(fā)掘超臨界二氧化碳循環(huán)的效率優(yōu)勢。為解決這一問題，可采用圖2所示的化學回熱(如天然氣/水蒸汽重整)的方法，將透平760℃以上溫度段排氣轉變?yōu)槿剂系幕瘜W能回至燃燒器，760℃以下溫度段的排氣輸入至回熱器，從而確保超臨界二氧化碳循環(huán)可在最佳效率下運行，并且透平進口參數(shù)可以提升至透平材料的極限而不是回熱器材料的極限。同時，在循環(huán)系統(tǒng)的冷端可減少壓縮或不壓縮。

圖2 采用化學回熱的直燃加熱循環(huán)系統(tǒng)示意圖

直燃加熱超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術的兩大優(yōu)勢是零排放和高效率，且前者對未來社會更有意義。如果美國NetPower公司的Allam循環(huán)示范電廠取得成功，則基于這項技術的大型商業(yè)化電站也將指日可待，這必然會在全球能源領域引發(fā)巨大反響。針對國內現(xiàn)狀，直燃加熱超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術仍面臨兩大問題：一是二氧化碳封存問題；二是機組的靈活性問題。美國NetPower公司設想的二氧化碳的大規(guī)模封存手段主要是用于增強型石油開采，這在北美地區(qū)有很大的市場需求，但是中國缺乏這樣的條件，同時，其他形式的大規(guī)模封存條件也不具備。直燃加熱超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電機組的靈活性顯然不好，更無法與燃氣輪機相比，其原因既包括超臨界二氧化碳循環(huán)自身的深度回熱(回熱功率數(shù)倍于燃料燃燒熱功率)的特點，也包括配套空分設施調節(jié)能力的限制，難以用作調峰機組。因此，直燃加熱超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術在國內的應用需要考慮二氧化碳封存(或資源化利用)問題，并通過技術改造使其滿足電網(wǎng)對火電的靈活性要求。

2 核能發(fā)電

二氧化碳在工業(yè)領域有廣泛的應用，具備常規(guī)工業(yè)和生活中的安全性。在核電領域，二氧化碳是一種安全的一回路冷卻劑，英國曾建造一批二氧化碳冷卻的石墨氣冷堆。作為核反應堆的二回路，超臨界二氧化碳循環(huán)與第四代核反應堆(超臨界水堆除外)具有絕佳的組合優(yōu)勢，熱效率更高，安全性更好，如在鈉冷快堆中，可避免鈉水反應。在核電廠安全系統(tǒng)中，超臨界二氧化碳循環(huán)回路在事故工況下還可以作為非能動余熱排出系統(tǒng)來使用[27]。

目前主流的核電堆型，即壓水堆和沸水堆，采用的是汽輪發(fā)電機組。近年來核電發(fā)展的關注點從大型商用堆轉移到小型模塊化反應堆(small modular reacror，SMR)，超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)緊湊，可能成為SMR的熱電轉換系統(tǒng)。SMR有多種堆型，世界各國當前開發(fā)的SMR堆型包括壓水堆、高溫氣冷堆、鈉冷快堆、鉛鉍冷卻快堆等，其中絕大多數(shù)為壓水堆。壓水堆也是大型商用堆中最主要的堆型，其技術成熟，安全性高，經濟性好。以現(xiàn)有的大型壓水堆為基礎開發(fā)的小型壓水堆技術趨于成熟。SMR要求系統(tǒng)的體積、占地面積盡量小，用超臨界二氧化碳循環(huán)機組代替常規(guī)的汽輪機組可以大幅減小常規(guī)島的尺寸。然而，壓水堆二回路溫度較低(約280℃)，采用汽輪機組的小型壓水堆熱電轉換效率不到30%，采用超臨界二氧化碳循環(huán)的小型壓水堆效率更低，這是超臨界二氧化碳與小型壓水堆結合的不足之處。未來，與高溫氣冷堆、鈉冷快堆、鉛鉍冷卻快堆等更高溫度參數(shù)的SMR結合時，超臨界二氧化碳循環(huán)不僅有小型化優(yōu)勢，還有高效率優(yōu)勢。

基于超臨界二氧化碳工質的特點，小型壓水堆可以設計低溫熱源與高溫熱源混合發(fā)電的循環(huán)系統(tǒng)[28]。超臨界二氧化碳循環(huán)采用簡單回熱循環(huán)的構架，并在此基礎上增加一次間冷和一次再熱，循環(huán)過程較為精簡，熱效率較高。超臨界二氧化碳循環(huán)布置如圖3所示[29]。將SMR與可再生能源(如太陽能熱、生物質燃燒熱)組合，兩者溫度等級有高低之分，可分別用于低溫段熱源和高溫段熱源。SMR的熱功率大多在50~300MW，聚光太陽能集熱器或生物質直燃鍋爐也多為此熱功率，兩者可選配適當?shù)娜萘窟M行組合。這種利用方式下，超臨界二氧化碳循環(huán)非常合適，而采用汽輪機組就難以匹配。由于高溫熱源的加入，超臨界二氧化碳循環(huán)整體效率較高，混合發(fā)電效率遠高于SMR和可再生能源獨立發(fā)電的綜合效率，所以混合發(fā)電廠有更好的經濟性。SMR的廠址適應性好，與其他熱源組合使用不會有太多的選址限制。

1—主壓縮機；2—低溫回熱器；3—二回路換熱器；4—高溫回熱器；5—可再生能源加熱器；6—高壓透平；7—可再生能源再熱器；8—低壓透平；9—發(fā)電機；10—預冷器；11—預壓縮機；12—間冷器；13—SMR；14—可再生能源。

在核能發(fā)電領域的應用中，超臨界二氧化碳循環(huán)的安全性、緊湊性好，可以直接用于SMR，也可以通過超臨界二氧化碳循環(huán)將核電與其他可再生能源組合成高效率的混合發(fā)電系統(tǒng)，提高核電的經濟性。

3 太陽能熱發(fā)電

超臨界二氧化碳循環(huán)可用于太陽能熱發(fā)電廠，同樣也可替代蒸汽朗肯循環(huán)，其核心優(yōu)勢在于空冷條件下有更高的效率，這對位于干燥缺水地區(qū)的太陽能熱發(fā)電廠十分有利。同時，隨著溫度參數(shù)進一步提高，超臨界二氧化碳循環(huán)的高效率優(yōu)勢也更加突出。美國的SunShot計劃正在研發(fā)采用超臨界二氧化碳循環(huán)(如部分冷卻循環(huán)模式)作為太陽能熱發(fā)電廠的動力島部分(見圖4)，透平入口溫度達到700℃以上，空冷條件下的循環(huán)效率達到50%以上[30]。

圖4 塔式太陽能熱超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

盡管如此，超臨界二氧化碳循環(huán)的能量轉換效率還不夠高，太陽能熱發(fā)電相對于光伏發(fā)電的競爭力優(yōu)勢不明顯。為了進一步提高效率，一方面，可以再進一步將循環(huán)的溫度參數(shù)提高至800℃等級，關鍵設備已具備一定條件，如已開發(fā)出耐高溫的陶瓷換熱器[31]，正在從實驗室走向工業(yè)化應用，1150℃進口溫度的高溫透平正在Allam循環(huán)示范電廠測試。另一方面，新型的更高溫度等級的熱電轉換器，如堿金屬熱電轉換器(alkali metal thermal to electric converter，AMTEC)、光子增強熱離子發(fā)射裝置可作為超臨界二氧化碳循環(huán)的頂循環(huán)，其釋放的高溫余熱可提供給超臨界二氧化碳底循環(huán)，兩者組合成高參數(shù)、高效率的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。超臨界二氧化碳循環(huán)結構緊湊，在較大的發(fā)電功率跨度(百千瓦級至百兆瓦級)下均保持高效率，與AMTEC、光子增強熱離子發(fā)射裝置既可組成小型緊湊的發(fā)電裝置，也可組成中、大型的發(fā)電裝置，滿足不同的應用需求。 圖5為超臨界二氧化碳循環(huán)與AMTEC(多組)組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，AMTEC的高溫端可達 1000℃以上，其低溫端釋放200℃左右的凝結熱并傳遞給超臨界二氧化碳循環(huán)的工質，超臨界二氧化碳循環(huán)工質再加熱至高溫進入透平發(fā)電[32]。

超臨界二氧化碳循環(huán)可采用單獨或聯(lián)合循環(huán)的方式用于太陽能熱發(fā)電，目標都是提高熱電轉換效率。由于太陽能熱發(fā)電不需要燃料費，所以電廠的經濟性主要體現(xiàn)在單位裝機容量的造價。類似于前文關于燃煤電廠設備價格的估計，在太陽能熱發(fā)電廠中，超臨界二氧化碳循環(huán)的設備價格仍然高于汽輪機組，但是在聚光集熱部分可減少設備用量，如聚光鏡面積減少，由此降低相關的設備價格。目前，太陽能熱發(fā)電廠中聚光集熱部分的單位裝機容量價格占總價的1/2以上，動力循環(huán)部分的價格不到總價的1/4。超臨界二氧化碳循環(huán)的回熱器價格高，動力循環(huán)部分的價格也被抬高，但是動力循環(huán)效率的提高可減少聚光集熱板塊用量，可使電廠總成本下降。因此，通過提高動力循環(huán)部分發(fā)電效率來降低其成本是合理的[33]。

1—主換熱器；2—中間換熱器；3—AMTEC；4—電磁泵；5—壓縮機；6—低溫回熱器；7—高溫回熱器；8—透平；9—發(fā)電機；10—預冷器；31—β″氧化鋁固體電解質；32—冷凝器。

4 其他發(fā)電方式

事實上，超臨界二氧化碳循環(huán)用于生物質發(fā)電機組、小型火力發(fā)電機組和余熱發(fā)電機組的優(yōu)勢更加全面，包括效率、體積、靈活性、經濟性等各方面，這些機組的容量大多在幾十兆瓦(電功率)以內。對于上述容量的機組，汽輪發(fā)電機組的最佳參數(shù)達不到大型超臨界和超超臨界機組的參數(shù)，發(fā)電效率較低，而超臨界二氧化碳循環(huán)仍然可以在高參數(shù)條件下運行，發(fā)電效率基本不受容量限制。超臨界二氧化碳循環(huán)的設備可以做得十分簡化和緊湊，以實現(xiàn)電廠模塊化、可移動、免維護，這對于生物質發(fā)電十分有吸引力，因為生物質燃料的分散性太大，同時，對于分布式發(fā)電、余熱發(fā)電的應用也很有競爭力。這些優(yōu)勢完全可以彌補早期機組設備價格偏高的劣勢，使得最終的發(fā)電成本有所下降。當前已推出的超臨界二氧化碳機組的目標市場定位基本上都是上述的應用領域[12,14,34]。

5 結論

主要研究了超臨界二氧化碳循環(huán)在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電中的應用方式，提出了幾種獨特的超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，主要結論如下：

1）超臨界二氧化碳循環(huán)與燃煤鍋爐集成，考慮到進入鍋爐的工質溫度高、吸熱區(qū)間窄，需重點關注鍋爐效率，將循環(huán)效率與鍋爐效率進行統(tǒng)籌分析，可獲得優(yōu)選的循環(huán)方式和參數(shù)。

2）直燃加熱的半閉式超臨界二氧化碳循環(huán)透平排氣溫度高，超出回熱器材料許用范圍，減少透平排氣溫度有損循環(huán)效率，可采用其他的回熱方式突破回熱溫度限制。

3）超臨界二氧化碳循環(huán)的高效率和緊湊性使其成為基于SMR的混合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換裝置，可將SMR作為低溫熱源，配上可再生能源作為高溫熱源。

4）超臨界二氧化碳循環(huán)可直接作為太陽能熱發(fā)電廠的動力島，但是需要進一步提高溫度參數(shù)才能獲得顯著的效率提升，將其作為新型的更高溫度等級的熱電轉換器的底循環(huán)，更易于實現(xiàn)高的發(fā)電效率。

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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。

(責任編輯 尚彩娟)