超临界二氧化碳布雷顿循环在能源领域的应用

张一童 周涛

（1 东南大学能源与环境学院 江苏南京 210096 2 核热工安全与标准化研究团队 江苏南京 210096）

0 引言

随着科技的发展和时代的进步，对环境污染的预防和对高效能源的利用越来越受到重视。当CO2在达到临界状态时，作为工质循环可以得到相比于其他工质更高的热效率，在20世纪60～70 年代就曾掀起过研究的热潮，只是由于当时相关技术还不够成熟，比如材料耐高温能力不足、缺少高效紧凑的换热器等，并未得到很好的推广。随着关键技术的进步，Michael［1］曾提 出3 种S-CO2冷却快堆的设计方案，其中高性能的设计方案净效率可高达49%；赵全斌等［2］的研究表明SCO2动力转换系统对于我国大型钠冷快堆的研究有着相当重要的意义。根据Simon 等［3］的研究，S-CO2动力循环也不存在钠和水的反应，具备循环效率高等诸多优势。CO2属于温室气体，如果作为工质替代蒸汽，在无泄漏的情况下循环利用，可以实现CO2的零排放，对保护环境、实现碳中和有很大的帮助。已经有诸多研究表明S-CO2布雷顿循环的优势和应用前景，在火力发电、核电和太阳能发电领域都有所应用。通过对S-CO2在不同领域中的循环效率和建设成本等进行比较，得到S-CO2在火力发电、核电和太阳能发电领域的应用特点，以更好地帮助S-CO2在不同能源领域发挥优势。

1 研究对象

1.1 工质性质

超临界二氧化碳的部分性质如表1 所示。

从表1 可以看出，超临界CO2（S-CO2）有着高密度、低黏度和低压缩系数的特点，同时具备液体的高密度和传热载热能力和气体的良好流动性。S-CO2的临界温度较为接近环境温度，更便于完成从热源的吸热和向冷源的放热。其具备的高密度的优点，可以增加设备的紧凑程度，节省占地面积。S-CO2动力循环还有着最高温度和压力适中的特点，因此并不需要采用较高耐温等级的材料，使得设备成本下降。一般来说，处于压缩机进口的CO2处于刚达到超临界的状态，工质的可压缩性很小，可以当作不可压缩流体来看待，使得压缩机在这个区域的耗功很小。

表1 超临界二氧化碳性质

1.2 循环原理

布雷顿循环在理想情况下的p-v 曲线和T-S 曲线如图1、图2 所示。

图1 布雷顿循环p-v 图

图2 布雷顿循环T-S 图

从图1 和图2 可以看出，超临界CO2布雷顿循环包括4个基本过程：绝热压缩（1-2）、绝热膨胀（3-4）、定压加热（2-3）和定压放热（4-1）过程。

1.3 工艺流程

根据叶侠丰等［4］的研究，基本的布雷顿循环工艺流程如图3 所示。

图3 布雷顿循环工艺流程

从图3 可以看出：在布雷顿循环过程中，首先，低温低压的S-CO2工质在压缩机中进行压缩，变为高压工质，然后先经由回热器中的乏汽进行第一步的预热处理，被热源进一步加热，达到符合要求的高温高压工质。这些高温高压工质将会在透平膨胀机中进行绝热膨胀，带动发电机发电，而已经做完功的乏汽将进入回热器中进行余热余能的回收，用来对压缩机送入的低温高压工质进行预热处理，最后进入压缩机中压缩，至此完成了整个布雷顿循环。

2 应用领域

2.1 火力发电

2.1.1 循环方式

根据冯岩等［5］的研究，这里以部分冷却循环方式为例来进行分析，流程如图4 所示。

图4 部分冷却及改进回热循环流程

从图4 可以看出，部分冷却S-CO2的温度较低，吸热温差大，可以提高换热效率，同时工质的流量也可以大大减少。以便选择从主压缩机出口或者高温回热器入口处采用工质分流，这部分工质可以送往冷却锅炉的烟气，降低锅炉排烟温度，这样做会使得循环效率降低，但是由于降低了排烟温度，所以从整体角度思考，系统的热效率更高。在传统的火力发电厂中，一般是采用朗肯循环来进行火力发电，可以直接用SCO2布雷顿循环直接代替朗肯循环，并依据布雷顿循环与朗肯循环的区别来对对应设施进行改进，就可以得到符合要求的大容量机组。

2.1.2 与蒸汽工质的循环效率比较

依据王为术等［6］和周海澜等［7］对火电机组效率的研究，可以得到不同工质机组的循环效率如表2 所示。

表2 火电机组效率

从表2 可以看出，S-CO2机组的循环效率比传统的蒸汽循环效率高3%～10%，但是平均成本也会高出5%～8%。从经济上来讲，与目前燃煤发电的方式相比较，S-CO2机组的循环效率其实并没有显著的提高。由于其需要大量的回热器，参照当前国际上的价格，版型回热器［8］一般为500 元/kWth～600 元/kWth，如果折算为单位装机容量，差不多为2 500 元/kWe～3 000 元/kWe。虽然有着循环效率高和其他方面的优势，但是经济性方面稍有不足。如果能够降低所需的成本，那么对于S-CO2的推广必然有着很大的帮助。

2.2 核电

2.2.1 循环方式

以钠冷快堆为例，根据齐少璞等［9］的研究，循环原理如图5 所示。

图5 钠冷快堆采用S-CO2 动力循环流程

从图5 可以看出，在钠冷快堆中使用S-CO2作为工质可以避免钠水反应的发生，提高安全性。CO2是1 种良好的一回路冷却剂，同时S-CO2应用于第4 代核反应堆可以获得更高的循环热效率和安全性。第4 代堆型可以达到500 ℃～900 ℃，以往的蒸汽工质已经无法满足需求。

2.2.2 与蒸汽工质的循环效率比较

S-CO2与He 和水蒸气在堆芯出口温度变化时，其循环热效率［10］的变化如图6 所示。

图6 3 种工质在不同温度下的循环效率

从图6 可以看出，当温度处于500 ℃～800 ℃的时候，SCO2的循环热效率明显高于He 和水蒸气，这就是S-CO2的显著优势。如果使用He 作为工质，想要达到较高的循环效率，就需要工质拥有较高的温度，对于容器的材料要求很高，用水蒸气作为工质，其温度适应范围较小。

从阎昌琪［11］和Dostal 等［12］对核电机组效率的研究，可以得到表3。

表3 核电机组效率

从表3 可以得知，我们在第4 代反应堆中选择使用S-CO2作为工质，可以使循环效率提升12%左右。由于S-CO2布雷顿循环系统可以使用较小的占地面积，设备更加紧凑，因此在小型堆的应用前景很好。在常规岛中使用代替传统的汽轮机组，节省占地面积。按照目前的发展方向，小型机组的研发越来越受到广泛关注。在小型机组中，如果采用压水堆，二回路中温度相对较低（290 ℃左右），采用汽轮机组的效率本来就不高，而使用S-CO2时效率更低，S-CO2与压水堆匹配结合效果并不好。而S-CO2与高温气冷堆，钠冷快堆等的组合都相对较好，兼具设备紧凑，规模小和循环热效率高的优势，在小规模堆型中有着很好的应用前景。

2.3 太阳能发电

2.3.1 循环方式

根据程虎等［13］的研究，基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式光热发电系统如图7 所示。

图7 基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式光热系统图

由图7 可知，在该系统中，S-CO2与高温熔融盐换热，最后到涡轮机中膨胀做功。目前太阳能光热发电仍以水蒸气的朗肯循环为主要方式，Sarkar［14］认为用S-CO2布雷顿循环代替朗肯循环可以获得更好的效果。首先，减少了水资源的消耗，其次S-CO2高密度的特性可以使得设备更加紧凑，在干旱缺水、光照充足的地区应用有着显著的优势。太阳能光热发电的1个问题在于投资成本较高，国际上光热电站单位投资约为4 200 美元/kW～4 800 美元/kW，国内某光热电站投资约为17 亿元，相比较于火电站，成本高了数倍。部分关键设备和材料，比如镍基合金钢和耐高温涂层等仍需要从国外进口，也使得成本居高不下，光热发电难以得到推广。

2013 年，美国可再生能源实验室（NREL）对S-CO2在塔式太阳能发电中的研究［15］表明，S-CO2循环包括直接循环和间接循环两种方式，S-CO2在太阳能吸热器中直接吸收热量叫做直接循环，而间接循环则是太阳能先传递给熔融态的盐类等工质，再进一步传递给S-CO2。2 种方式的比较如表4 所示。

表4 太阳能发电中2 种不同S-CO2 循环方式比较

2.3.2 与蒸汽工质的循环效率比较

以S-CO2为工质的光热系统［16］发电效率如表5 所示。

表5 不同运行场景下某光热系统的日均运行效率 （%）

从表5 可以看出，太阳能发电的一个问题是效率不高，虽然S-CO2的使用可以使得发电效率有所提升，但是与传统的火力发电相比较效率还是较低，而且会受到天气与环境的影响。

3 3 种领域中不同工质机组的比较

3.1 比较结果

将S-CO2和蒸汽工质在3 种领域中的应用特点进行比较，得到表6。

表6 不同领域不同工质机组比较

从表6 可以看出，在3 种领域中，以S-CO2为工质的机组循环效率都高于蒸汽工质机组，但在不同领域中也分别存在相应的问题，各自存在其应用特点。

3.2 共性特点

从表6 可以看出，超临界二氧化碳布雷顿循环在火力发电、核电和太阳能领域中存在共性特点。

（1）循环效率高。在火力发电、核电和太阳能领域中都可以提高循环效率，只是效率提高的比例有所不同，分别为2%～4%、10%～12%和3%～4%。

（2）对换热器要求较高。S-CO2对于换热器等关键部件和材料需求较高，要求换热性能和设备紧凑性好，因此关键部件成本也会比蒸汽工质要高。

（3）工作温度范围广。S-CO2可在400 ℃～700 ℃应用，大于蒸汽工质的工作温度范围。

3.3 个性特点

从表6 可以看出，超临界二氧化碳布雷顿循环在火力发电、核电和太阳能领域中也有各自特点。

（1）火电机组的设备改动成本低。S-CO2布雷顿循环可以在原有的朗肯循环基础上对设备进行改动，省去了新建造新设备的费用。

（2）小堆在军民融合的前景良好。钠冷快堆里S-CO2可以避免钠水反应的发生，提高核电站的安全性。核电站的问题是建设成本较高，S-CO2的高密度可以使得设备更加紧凑，节省占地面积，可以促使其在小堆和军民融合中广泛应用。

（3）光热电站在干旱地区的前景较好。由于受天气影响较大，在光照充足而干旱的地方，无法提供水作为工质，S-CO2的应用前景比较好。但主要问题在于光热电站本身的成本远高于火电站，使用S-CO2为工质，成本仍然居高不下，虽然光热电站省去了燃料费，但是设备的整体造价和成本还是高于汽轮机组。

4 结论

在3 种不同能源领域中，依据循环方式对S-CO2布雷顿循环和传统蒸汽工质的循环效率和建造成本等进行分析比较，得到在3 种领域中的应用特点。

（1）S-CO2布雷顿循环应用于火电领域循环效率可以提高2%～4%，如果能够解决高效紧凑换热器的问题，可以在原有的朗肯循环基础上对设备进行改进，进而实现大规模推广。

（2）在核电领域中，S-CO2具备诸多优势，循环效率可以比蒸汽工质高出12%左右，安全性好，设备更加紧凑，在核电厂小规模化和军民融合中的应用广泛，是应用前景最好的能源领域。

（3）S-CO2布雷顿循环在太阳能发电中可以提高效率3%～4%，在光照充足的干旱地区优势显著，但无论直接式循环还是间接式循环的整体效率都只有20%左右，和火力发电、核电相比差距明显，加之高昂的建造成本，短时间内很难实现推广。