基于超临界二氧化碳的动力系统及多联产系统研究进展

李铭 张海军 王梦轩 王子彦 程上方 王江峰

（1 国能长源汉川发电有限公司 湖北汉川 431614 2 西安交通大学 陕西西安 710049）

0 引言

能源是人类社会活动的物质基础。从某种意义上来说，人类文明的发展史就是一部能源利用史。迄今为止，人类社会经历了4 种能源利用形态：从原始社会的薪柴时代到16 世纪初的煤炭时代，再到20 世纪开始的油气时代，到现如今的多能源时代。然而，当今世界能源消耗仍以化石燃料为主，其中化石燃料约占70%的比例。作为人口大国，我国自2010 年起能源消耗量已超美国，现今约占全世界的1/5。但从人均拥有量来看，我国又是一个资源严重匮乏的国家，人均资源占有量远远低于世界平均水平。除此之外，我国工业产品的能耗也远远高于工业发达国家，这导致了更为严峻的能源形势。目前，我国能源利用效率为33%，较发达国家低10%。如何优化能源结构、减少环境污染并提高能源利用率，推动我国经济、社会和生态可持续发展，已成为当前我们所面临的重大挑战。

1 多联供系统介绍

冷热电联供（combined cooling，heating and power，CCHP）系统是近年来新兴的1 种能源供应系统，通过能量逐级利用，可同时向用户提供电力、制冷、采暖和生活用水等多种形式的能源，将能源利用效率从普通热电效率的40%～58%提升至70%～90%［1］，实现了一次能源的高效利用，减少了污染物的排放。同时，CCHP 系统可与多种能源形式耦合互补，包括天然气等化石能源、核能、太阳能、地热能、生物质能、余热余气以及燃料电池等［2］。此外，由于靠近用户端，CCHP 系统可就近供能，减少了传输距离，极大地降低了能源在传输过程中的损耗，减少了各能源系统的综合投资成本和运行管理代价，具有节能减排、供电可靠、调度灵活、可缓解电网压力等优点［3］。

2 超临界二氧化碳布雷顿循环系统研究进展

超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，S-CO2）布雷顿循环以S-CO2作为循环工质，是目前众多高效、环保的发电技术中备受瞩目的一项。CO2作为1 种广泛存在于自然界中的物质，具有化学性质稳定、安全性高、成本低廉以及易于获取等优点，且易达到临界条件。当CO2的温度达到31.1 ℃、压力达到7.38 MPa 时将变为超临界状态。S-CO2是1 种理化性质介于气体和液体之间的特殊流体，具有流动性好、可压缩性小、摩擦损失小、传热效率高等优点，适用于热力循环［4］。

与其他同类型热力循环的工质相比，S-CO2是1 种非常稠密的流体，具有液体特性，高密度所带来的强大做功能力使得其透平的尺寸是蒸汽朗肯循环的1/10，系统整体尺寸相对减小了1/4［5］；同时也兼具气体特性，低黏性和低压缩系数分别使得系统摩擦损失、循环损耗和压缩过程中的压缩功减小。此外，CO2临界温度和压力远低于水的临界点，易达到超临界状态，有利于工程应用，并且通常可以通过循环系统中的常温水冷却。在临界点附近，CO2的物性对温度和压力也具有极大的敏感度，即温度和压力的微小变化会使得其比焓和比热等物性剧烈变化，如图1 所示。例如对于比焓而言，当压力在7.5～8 MPa时，CO2工质比焓的减小幅度突然增大，且比焓突变的幅度随着温度的增加而逐渐减缓，在32～35 ℃时其突变较为明显；对于比热而言，在压力为8 MPa、温度在临界温度附近时，CO2工质定压比热容存在急剧增大的趋势。

图1 CO2 在临界点附近的物性变化规律

S-CO2布雷顿循环具有原理简单、结构紧凑、功率密度高以及热效率高等显著优点，因此燃煤火力电厂、太阳能光热发电厂、先进核动力系统等都尝试采用S-CO2布雷顿循环作为新型动力循环系统［6］。对于核反应堆中的S-CO2布雷顿循环，最简单的系统流程图如图2 所示，主要由热源、透平、压缩机、回热器和冷却器组成。直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环条件下的热源是反应堆一、二回路间的换热器［7］。低温低压的CO2工质，经压缩机升压后，通过回热器和热源逐步吸收热量，变为高温高压的CO2工质进入透平膨胀做功并驱动电机发电；做完功后高温低压的乏气经回热器与冷却器逐步冷却，最后再次进入压缩机完成整个闭式循环。由于该循环可以将压缩机进口温度控制在工质的拟临界温度附近，使CO2工质密度增大，压缩性较好，从而降低了压缩机耗功，提高了循环热效率。

图2 简单S-CO2 布雷顿循环流程图

与蒸汽朗肯循环相比，S-CO2布雷顿循环在773～1 173 K的透平进口温度范围内极具优势，并且可以在较高的透平进口温度下安全运行［8］。此外，S-CO2布雷顿循环可以利用化石燃料、核反应堆、太阳能、地热能和工业废热等多种热源［9］，还可以与各种循环耦合形成1 个复合系统。例如燃气轮机的排气温度约为773～873 K，S-CO2布雷顿循环可作为其底循环，通过分段利用其余热来降低最终排气温度并提高能源利用效率［10］。除此之外，S-CO2布雷顿循环还可以通过添加底循环，如有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）或跨临界二氧化碳（Transcritical Carbon Dioxide，T-CO2）循环，进一步提高其效率。BESARATI 和GOSWAMI［11］对3 种不同类型的S-CO2布雷顿循环/有机朗肯循环进行了热力学分析和比较。结果表明，采用最简单的S-CO2布雷顿循环结构作为顶循环可以获得最大的效率增量。然而，整个系统的最高热效率是通过S-CO2再压缩布雷顿循环（Supercritical Carbon Dioxide Recompression Brayton Cycle，SCRBC）/有机朗肯循环实现的。AKBARI 和MAHMOUDI［12］通过和经济分析研究了SCRBC/ORC 组合。他们得出结论，与单一S-CO2再压缩布雷顿循环相比，联合循环的效率可提高11.7%，并且联合循环的总产品单位成本比单一循环低5.7%。WANG 和DAI［13］比较了T-CO2循环和ORC 作为SCRBC底循环的热力学和经济学性能。他们发现，T-CO2循环的热力学性能更好，而经济性能更差。WANG 等［14］对SCRBC/TCO2循环的性能进行了热经济学分析。结果表明，单位净发电量的投资成本比单一S-CO2再压缩布雷顿循环高6%。WANG等［15］还对2 种不同配置的S-CO2布雷顿循环和底部T-CO2循环进行了热力学比较和优化。他们得出结论，通过添加T-CO2循环，S-CO2布雷顿循环的再压缩和简单配置的热效率可分别提高10.12%和19.34%。

S-CO2布雷顿动力循环技术的探索始于20 世纪50 年代，随后进行了大量论证与研究工作，然而受到当时设备材料和加工制造水平的限制，结构紧凑的透平机械和高效换热器无法实现落地，技术验证受到了极大的阻碍，导致S-CO2动力循环技术未能深入发展。直到2007 年，美国基于科技、工业能力再次评估了该技术，并开始着手研发相关透平机械。随后，韩国、日本、中国等国相继开启了对S-CO2布雷顿动力循环技术的研究。

美国在S-CO2布雷顿动力循环研究领域起步最早、技术最成熟，目前是该项技术的引领者。自2008 年起，美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory，SNL）［16］分别完成了超临界CO2简单压缩循环、超临界CO2回热式布雷顿循环和超临界CO2再压缩式布雷顿循环系统试验台的搭建及测试工作，成功进行了简单压缩循环、回热循环和再压缩循环试验，对循环系统及透平、压缩机、换热器和轴系等设计方案的可行性进行了论证，并研究了循环工质参数的控制策略。在SNL 的再压缩试验系统中，采用了2 组透平和压缩机并列的布置形式，系统热源为电加热，高低温回热器均为印刷电路板式换热器，工质质量流量为5.77 kg/s，实际运行转速为52 000 r/min，透平进口温度为538 ℃，压比为1.8，系统输出功率为250 kW，循环效率为32.1%。

2012 年，美国贝克特尔船舶推进公司（Bechtel Marine Propulsion Corporation，BMPC）与贝蒂斯原子动力实验室（Bettis Atomic Power Laboratory，BAPL）及诺尔原子能实验室（Knolls Atomic Power Laboratory，KAPL）［17］联合搭建了适用于核动力舰船推进的S-CO2简单回热布雷顿循环系统试验平台。该装置的动力部分采用双轴布置，由1 台可变速透平驱动压缩机和1 台恒定转速透平驱动电机组成。系统在透平进口温度为300 ℃时的额定输出功率为100 kW，循环效率可达到12.5%。

美国Echogen 公司在2014 年建成了世界上首台兆瓦级商用超临界CO2发电机组EPS100。EPS100 采用双轴带回热的闭式布雷顿循环系统，适用于热源温度为500～550 ℃范围内的工业余热回收利用，其设计功率等级为7～8 MW，流量范围在65～70 kg/s 之间。该机组的测试数据证实了使用S-CO2布雷顿循环取代传统蒸汽循环的技术可行性，该技术可大幅降低安装、运行和维护成本，机组的输出功率也得到进一步提升。基于以EPS100 系统为基础的SunShot 试验计划，美国能源部能源效率及可再生能源办公室下属的国家试验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）［18］于2017 年9 月建立了基于太阳能的10 MW 等级S-CO2闭式再压缩布雷顿循环系统，其中包括EPS100 和700 ℃热源。

韩国紧随美国之后，在S-CO2布雷顿动力循环系统研究领域同样处于领先地位，先后搭建了多个不同类型的试验平台，成功进行了系统运行的可行性验证，稳态及瞬态性能和控制系统的测试，透平机械、换热器、轴承和密封的性能评估等，目前正朝着更大功率等级的方向前进。从2013 年开始，韩国能源研究院（Korea Institute of Energy Research，KIER）先后搭建了简单无回热循环、简单回热循环和S-CO2布雷顿循环试验平台并进行了相关研究。在KIER 搭建的120 kW 等级用于余热回收利用的S-CO2布雷顿循环系统中［19］，测试系统由2 个透平、1 个压缩机、2 个回热器和1 个加热器构成。在透平进口参数为205 ℃/10 MPa 的条件下，系统输出的电功率达到了11 kWe，并且整个循环系统持续稳定地运行了45 min。

日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology，TIT）［20］在2012 年搭建了10 kW 级简单回热S-CO2布雷顿循环试验平台。当转速为69 000 r/min，CO2质量流量为1.1 kg/s，压比为1.41 时，系统的净输出功率达到了110 W，此时透平和压缩机的等熵效率分别为65%和48%，回热器效率达到95%。之后TIT 成功设计了针对核反应堆的S-CO2布雷顿循环系统，采用了多级压缩级间冷却技术，额定功率为600 MW，系统效率为45.8%；他们还建立了用于太阳能光热发电的S-CO2布雷顿循环系统，发电效率可达48.2%［21］。

我国在S-CO2布雷顿循环发电领域起步较晚，相关研究主要集中在对系统及关键部件进行参数优化和数值模拟，对S-CO2动力循环实验系统的整体性试验较为匮乏，但是发展较为迅速。中科院工程热物所［22］自2016 年开始对兆瓦级超临界CO2发电技术开展有关研究，在2018 年9 月建立了我国首座大型S-CO2离心压气机试验平台。在透平进口参数为34 ℃/8.347 MPa，流量为12.806 kg/s，转速为32 000 r/min 时，等熵效率为68.4%，压比为1.96，低于设计值2.5。2021 年12 月，研究所成功建立了兆瓦级一次回热式S-CO2布雷顿循环发电机组，该系统由燃气锅炉提供热源，采用2 级压缩和2 级膨胀做功；2022 年7 月，他们在河北衡水基地完成了实验机组压缩机-锅炉联合调试，锅炉系统达到设计指标。

华能西安热工院［23］5 MW 级S-CO2循环发电试验机组于2021 年12 月正式投运，该试验平台采用再压缩式和一次再热相结合的动力循环系统，净效率可达到33.49%。初步设计中，高压透平进口参数为600 ℃/20 MPa，在综合考虑循环效率和锅炉结构设计的基础上，低压透平的进口工质压力设定为14.6 MPa，主压缩机进口参数为35 ℃/7.9 MPa，透平和压缩机的等熵效率设定目标值分别为82%和77%。由于透平机械的尺寸较小，冷却流量消耗过大，实际情况下压缩机效率仅为72.01%，而透平效率为77.07%至79.21%。

此外，中国船舶集团七一一所联合上海电气电站集团等多家单位共同完成了300 kW 级S-CO2布雷顿循环发电系统原理样机的研制，攻克了系统总体设计及性能仿真、压缩机—透平一体化设计、高效流动及换热、高速高压轴端密封、关键部件制造工艺等多项关键技术，于2021 年12 月成功试车并发电；中国核动力研究设计院开展了1 MW 级S-CO2简单回热式布雷顿循环发电试验机组的研究，近期已完成了全系统的满功率稳定运行；清华大学核能与新能源技术研究院进行了S-CO2再压缩布雷顿循环的分析和改进研究；西安交通大学在S-CO2热物性、换热、透平机械和控制方案等方面具有相当深厚的研究基础；华北电力大学开展了针对S-CO2换热、腐蚀、材料选型等方面的基础研究。

3 超临界二氧化碳多联产系统研究进展

随着社会经济和各项技术的不断发展以及居民生活质量的不断提升，单一的发电系统已经不能满足人们日益增长的能源种类需求。目前，用于制冷应用（例如制冷、空调等）的总用电量已占全球发电量的15%，预计到2050 年，总制冷量的需求将增加10 倍［24］。此外，在发电厂中，相较于将高品位电能直接转化为供热和制冷，将废热转化为供热或制冷可以获得更好的性能收益［25］。为了满足用户对能源品种多样化的需求并提高能源利用率，冷热电三联产系统越来越受到人们的关注，近几年逐渐成为研究热点。它是建立在能量梯级利用基础上，将制冷、供热和发电一体化的多联产总能系统。与分产系统相比，提高了能源利用效率，减少了污染物和二氧化碳的排放。

近年来，美国、欧洲和日本都分别制定了一系列鼓励政策，大力发展联供产业，如美国提出 “CCHP创意”和“CCHP2020 纲领”，日本规定CCHP 系统的上网电价高于火力发电，德国规定对总效率达到70%以上的电厂免征天然气税，法国对1 MW 级以上的热电联产项目给予市场最高补贴幅度、低于300 kW 的热电联产项目则以税惠形式给予支持，丹麦政府规定对所有热电联产项目提供年利率2%的优惠贷款、对所有使用天然气的热电联产电厂给予30%无息贷款，欧洲委员会出台的政府环保和能效援助指南在一定条件下允许成员国为高效热电联产项目给予援助等。

典型冷热电联产系统一般包括动力系统、供热系统和制冷系统。动力系统的原动机主要有蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、斯特林机、燃料电池等，供热系统主要通过换热器将热量输出给热用户，制冷系统包括压缩式、吸收式和吸附式3 种。压缩式制冷因采用传统的制冷循环，相关技术较为成熟。吸收式制冷已基本形成产业化，并具有较大规模，而吸附式制冷机还处于实验室阶段，全面商业化还需要一个过程。

WU 和WANG［26］对冷热电三联产系统进行了广泛深入地综述，系统地讨论了几种原动机的特点以及现有的多种冷热电三联产循环的设置。MOUSSAWI 等［27］根据原动机、规模和能量顺序使用情况，对不同类型的三联产系统进行了分类；根据能源、、经济性和环境措施，对此类系统的评估标准进行了综述，并对其设计、优化和决策中使用的方法进行了研究分析；提出了根据具体需要选择合适冷热电联供系统的一般方法。许多学者也对这些冷热电三联产循环系统从热力学、经济性、系统优化和运行角度进行分析研究，以期提高能源利用效率。但是这些冷热电联供系统大都需要消耗化石燃料，并且产生一定量的污染物排放。为了减少一次能源的消耗，降低污染物向环境中的排放，有必要高效经济地开发利用太阳能、核能等清洁能源来实现冷热电联供系统，以满足用户对能源品种多样化的需求。因此，有学者开始探索采用可再生能源和核能来实现冷热电联供系统。

然而，与稳定可控的化石能源相比，可再生能源资源分散，受气候、时间、季节等因素变化明显，在供给侧的二次能源产出方面呈现出不稳定、不连续、成本过高、效率低下等问题，这已成为制约可再生能源大规模推广应用的主要难题［28］。核能作为1 种能量密集、清洁污染小、成本低、稳定可控的能源形式，在新型高效能源体系中扮演着举足轻重的角色，是人类未来发展最具希望的清洁能源之一。S-CO2布雷顿循环被认为是1 种非常有前景的第四代核反应堆能量转换系统，而之前的联合循环研究均未对基于S-CO2布雷顿循环的CCHP 系统的可行性和实用性进行过调查。根据英国石油公司发布的2020 年《世界能源统计评论》，供热和制冷的需求同时增加。因此，建立基于S-CO2布雷顿循环的冷热电联供系统是1 个更具吸引力的余热回收方案，可以同时满足制冷、供热和电力的需求。

WANG 等［29］首先提出了1 种新的冷热电联供系统，将SCO2布雷顿循环和T-CO2制冷循环与喷射器膨胀装置相结合，利用太阳能提供热动力驱动。通过分析关键热力学参数对系统性能的影响，发现提高透平背压和透平进口温度或降低透平进口压力和喷射器进口温度能提高系统效率。为了进一步提高系统性能，XU 等［30］在WANG 工作的基础上，通过增加抽汽式透平，将S-CO2布雷顿循环和跨临界喷射式制冷循环相结合，提出了1 种带抽汽透平的改进型CCHP 系统。参数分析和分析的结果表明，抽汽透平有助于获得更多的制冷量，在所考虑的条件下，改进后的系统效率从10.4%提高到22.5%。此外，随着透平进口温度的升高，透平功率输出和效率也显著增加。然而，这些CCHP 系统使用简单的S-CO2布雷顿循环将热量直接转化为电能，从而导致了效率低于32%，并且上述系统是设计用于低温或中温应用，这些缺点是核电站等大规模电力应用所不能接受的。基于此，为了实现核能的梯级利用，FAN 等［31］提出了1 种将S-CO2布雷顿 循环、ORC 和喷射式制冷循环（ejector refrigeration cycle，ERC）相结合的冷热电联供系统。参数分析结果表明，ORC 透平背压的降低或S-CO2透平进口温度和ERC 蒸发温度的升高对设计热力性能和经济性能的提升均有帮助。此外，他们通过遗传算法进行多目标优化，以获得最优设计性能。在最佳条件下，与单一SCO2布雷顿循环系统相比，CCHP 系统的效率提高了9.17%，产品单位总成本降低了5.05%。

LI 等［32］提出了1 种由S-CO2再压缩布雷顿循环和T-CO2制冷循环组成的新型联合供冷系统。在新系统中，S-CO2再压缩布雷顿循环中通过再压缩机的工质部分被T-CO2制冷循环中的制冷压缩机出口工质所替代。他们从热力学角度对联供系统和分离系统的性能进行了比较和优化。计算结果表明，联供系统相较于分离系统的优势随着冷却能力的增加和蒸发温度的降低而增加；当蒸发温度分别为273.15 K 和253.15 K时，联供系统的效率分别比分离系统高2.45%和5.87%。S-CO2布雷顿循环还可以利用太阳能、地热能、核反应堆、船用余热和工业废热等多种热源。基于此，MANJUNATH 等［33］提出了1 种新型的船用平台余热回收冷电联供系统。该系统由S-CO2再压缩布雷顿循环和T-CO2制冷循环组成。他们建立了联合循环的热力学模型，并对其进行了详细的参数分析后发现，所提系统的热效率和效率分别比满负荷时的独立顶级燃气轮机提高了近34%和30%。YU 等［34］以回收船用余热为目标，提出了1 种耦合S-CO2布雷顿循环和T-CO2制冷循环的联合系统，该系统可同时产生动力和冷却。为了缓解回热器的温度失配，有效利用制冷循环中排出的热量，低温回热器和气体冷却器由动力循环和冷却循环共用。他们对这种新型的余热回收系统进行了能量、和经济分析，并研究了气体冷却器压力、蒸发温度和透平进口温度等关键循环参数对系统性能的影响。结果表明，在设计条件下该系统的热效率和效率分别为42.42%和39.05%。HOU 等［35］提出了1 种以船用燃气轮机余热为动力的冷热电联供系统。该系统包括1 个蒸汽发生器、1 个S-CO2再压缩布雷顿循环和2 个T-CO2制冷循环。对S-CO2再压缩布雷顿循环、T-CO2制冷循环和整个系统进行了热力学和经济性综合分析。考虑到经济成本和紧凑性对船舶的重要性，提出了以产品单位总成本和单位输出总换热面积作为系统优化的目标函数对系统参数进行多目标优化，所得的产品单位总成本和单位输出总换热面积的最优值分别为10.052 6 $/GJ 和0.175 5 m2/kW。

为了回收内燃机排气和夹套水的余热，实现高温废气中能 量的梯级利 用，HUANG 等［36］提出了1种由S-CO2布雷顿循环、双压有机朗肯循环和喷射式制冷循环组成的冷电联供系统。他们建立了该系统的热力学模型，并进行了经济学分析，评估了S-CO2布雷顿循环透平进口温度和进口压力、ORC透平高压侧和低压侧进口温度和喷射器一次进口压力等7 个参数的影响。采用遗传算法进行单目标优化，以获得系统产品的最小平均成本。结果表明，S-CO2布雷顿循环透平进口和ORC 透平进口高压侧和低压侧压力的增加有助于降低系统产品的平均成本。

为了开发利用太阳能、地热能、工业余热等低品位热能，高垚楠［37］等提出1 种以CO2作为工质的冷热电联供系统，通过共用气体冷却器的方式将S-CO2布雷顿循环和T-CO2压缩式制冷循环进行耦合。他们建立了该系统的热力学数学模型，并对其运行工况进行了数值模拟，随后在此基础上对系统进行了热力学参数敏感性分析，获得了透平进口压力、透平出口压力、透平进口温度、蒸发器压力和发电循环与制冷循环CO2流量比5 个热力参数对系统性能的影响。

4 结语

综上所述，目前关于S-CO2动力系统的理论研究日趋成熟，部分研究机构已开展低功率等级的试验研究。为满足用户的多种能量需求，将S-CO2动力系统与冷热电联供系统结合可进一步减少化石能源的消耗，降低污染物向环境中的排放。并且学者们倾向于采用清洁能源来实现冷热电联供，侧重于从热力学、经济性、系统优化和系统运行的角度进行分析研究，以期提高能源综合利用效率。因此，关于S-CO2动力系统及冷热电联供系统的研究可着重于解决当前能源需求现状，通过构建多联供系统提升清洁能源总体利用效率，以助力实现“碳中和”的目标。