船舶余熱利用sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)綜述

嚴(yán)新平 王佳偉 孫玉偉 袁成清 湯旭晶 耿海鵬

1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢，430063 2.武漢理工大學(xué)國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢，430063 3.武漢理工大學(xué)交通部船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430063 4.西安交通大學(xué)機(jī)械強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710049

0 引言

航運(yùn)是經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的重要紐帶，國際貿(mào)易80%～90%的貨物是通過海洋運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)的［1］。隨著國際海事組織 （international maritime organization，IMO）對(duì)船舶能效的要求和對(duì)環(huán)保法規(guī)的執(zhí)行日益嚴(yán)格，節(jié)能減排和高效營運(yùn)已成為造船業(yè)和航運(yùn)業(yè)的普遍共識(shí)。目前，最先進(jìn)的大功率船用二沖程柴油機(jī)熱效率已接近50%，而其余的熱能因各種途徑散失而未被有效利用。以某型6800TEU集裝箱運(yùn)輸船所采用的最大持續(xù)功率 （maximum continuous rating，MCR）為68 520kW的主動(dòng)力柴油機(jī)（HYUNDAI-MAN B＆W，12K98MC-C Mk6，104r／min）為例，其煙氣排放熱損失是所有熱量損失形式中能量散失最多的部分，約占全部輸入熱量的25.5%，其他依次為空冷器熱損失16.5%，缸套冷卻熱損失5.2%，潤滑損失2.9%，熱輻射損失0.6%［2］。對(duì)煙氣排放散失熱能的有效再利用是提升能源利用效率和主機(jī)綜合熱效率的有效途徑。現(xiàn)階段針對(duì)船舶主機(jī)煙氣排放余熱的利用主要有動(dòng)力渦輪、余熱鍋爐及有機(jī)朗肯循環(huán)等余熱回收技術(shù)［3］，且已有相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用案例，但是上述技術(shù)方案在結(jié)構(gòu)緊湊、高效循環(huán)和節(jié)能環(huán)保等方面尚存在一定局限性。

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，sCO2）布雷頓循環(huán)發(fā)電是以超臨界狀態(tài)（氣液共存態(tài)）的CO2作為循環(huán)工質(zhì)，經(jīng)高效換熱后由渦輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)測(cè)定：采用布雷頓循環(huán)的sCO2發(fā)電系統(tǒng)在渦輪入口溫度為538℃時(shí)，可實(shí)現(xiàn)43%的發(fā)電效率，其發(fā)電效率顯著高于朗肯循環(huán)熱力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率33%［4］。目前，sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電已在核能、太陽能、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域有所應(yīng)用［5］，鑒于其所具有的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，美國、韓國、日本和中國等航運(yùn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家已針對(duì)該技術(shù)在船舶平臺(tái)上的應(yīng)用開展了相關(guān)的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)系統(tǒng)研究工作，并逐步向?qū)嵈こ袒瘧?yīng)用階段推進(jìn)。

1 sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)介紹

1.1 sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的原理

sCO2是指溫度和壓力均在臨界點(diǎn)以上的CO2流體。溫度和壓力分別高于31℃和7.37MPa時(shí)，CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)［6］。sCO2具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、流體流動(dòng)性好、傳熱效果好、可壓縮性小等物性特性，且其臨界溫度和壓力較低（遠(yuǎn)低于水的臨界點(diǎn)），可在接近室溫條件下達(dá)到超臨界狀態(tài)，是理想的熱力循環(huán)工質(zhì)［7］。

sCO2布雷頓循環(huán)主要包括壓氣機(jī)中的等熵壓縮、換熱器內(nèi)的等壓吸熱、渦輪透平內(nèi)的等熵膨脹及冷卻器內(nèi)的等壓冷卻4個(gè)工作過程，與朗肯循環(huán)的4個(gè)工作過程相近，兩者的區(qū)別在于循環(huán)工質(zhì)在布雷頓循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變［8］。

sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是一種以sCO2為循環(huán)工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，主要包含6個(gè)核心設(shè)備：壓縮機(jī)、回?zé)崞鳌Q熱器、發(fā)電機(jī)、渦輪、冷卻器［9］。循環(huán)過程可分為2個(gè)階段：①低溫低壓的CO2經(jīng)過壓縮機(jī)升壓后，通入回?zé)崞鞲邷貍?cè)預(yù)熱到一定溫度，再由外部熱源在換熱器中進(jìn)一步提升溫度和壓力；②在渦輪機(jī)中膨脹做功后的乏氣進(jìn)入回?zé)崞鞯蜏貍?cè)進(jìn)行預(yù)冷，再由冷卻器進(jìn)一步冷卻后通入壓縮機(jī)，形成閉式循環(huán)。以壓縮機(jī)入口端為循環(huán)起點(diǎn)，則sCO2的循環(huán)流向如圖1中①→②→③→④→⑤→⑥→①所示。由于在采用單一回?zé)崞鞯牟祭最D循環(huán)系統(tǒng)中，回?zé)崞鞲摺⒌蜏貍?cè)工質(zhì)質(zhì)量熱容的差異會(huì)導(dǎo)致回?zé)崞鲀?nèi)出現(xiàn)“夾點(diǎn)”，進(jìn)而降低循環(huán)效率，目前主要采用設(shè)備高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鱽斫鉀Q這一問題。

圖1 簡(jiǎn)單回?zé)醩CO2發(fā)電系統(tǒng)［9］Fig.1 Simple recuperated sCO2power generation system［9］

1.2 sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)

（1）效率高。美國麻省理工學(xué)院DOSTAL等［10］比較了sCO2布雷頓循環(huán)、超臨界蒸汽循環(huán)、過熱蒸汽循環(huán)和氦氣布雷頓循環(huán)在不同渦輪進(jìn)口溫度下的循環(huán)效率變化趨勢(shì)，如圖2所示，可以看出溫度在350～950℃之間時(shí)，sCO2布雷頓循環(huán)效率大于氦氣布雷頓循環(huán)效率；溫度在450℃以下時(shí)，sCO2布雷頓循環(huán)效率小于超臨界蒸汽循環(huán)和過熱蒸汽循環(huán)效率；溫度在450～550℃之間時(shí)，sCO2布雷頓循環(huán)效率小于超臨界蒸汽循環(huán)效率，但大于過熱蒸汽循環(huán)效率；溫度在550℃以上時(shí)，sCO2布雷頓循環(huán)效率大于超臨界蒸汽循環(huán)效率和過熱蒸汽循環(huán)效率。

圖2 不同熱力循環(huán)在不同渦輪進(jìn)口溫度下的循環(huán)效率［10］Fig.2 Cycle efficiency of different thermodynamic cycles under different turbine inlet temperatures［10］

（2）功率密度大。sCO2發(fā)電系統(tǒng)中的循環(huán)工作介質(zhì)為超臨界狀態(tài)的CO2，在全循環(huán)過程中，CO2不發(fā)生相變（耗用壓縮功較小），能量密度大，在不損失性能的情況下，可以獲得較大的功率體積比。DOSTAL等［11］對(duì)比了蒸汽渦輪、氦氣渦輪機(jī)和sCO2渦輪機(jī)功率尺寸。如圖3所示，在同等功率級(jí)條件下，與氦氣渦輪機(jī)和蒸汽渦輪相比，sCO2渦輪機(jī)的尺寸和體積可以更小。另外，sCO2渦輪機(jī)可以采用單體設(shè)計(jì)，而蒸汽渦輪和氦氣渦輪機(jī)通常采用渦輪機(jī)體。

圖3 蒸汽渦輪、氦氣渦輪機(jī)和sCO2渦輪機(jī)尺寸比較［11］Fig.3 Size comparison of steam turbine，helium turbine and supercritical carbon dioxide turbine［11］

（3）體積小。sCO2發(fā)電系統(tǒng)沒有蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的水處理設(shè)備及排污設(shè)備，從而可使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常緊湊。就可利用空間有限的船舶而言，由于sCO2發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，故將其應(yīng)用于船舶能源系統(tǒng)中具有可行性。美國Echogen Power Systems 公 司 PERSICHILLI等［12］以LM2500燃?xì)廨啓C(jī)排氣作為熱源，比較了sCO2發(fā)電系統(tǒng)和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的安裝尺寸。2個(gè)熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率均為8MW時(shí)，sCO2發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積至少可以比蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積小1／3。

1.3 sCO2發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)結(jié)構(gòu)

圖4 不同循環(huán)結(jié)構(gòu)的sCO2發(fā)電系統(tǒng)Fig.4 Different circulation structure of sCO2power generation system

船舶余熱sCO2發(fā)電系統(tǒng)的目標(biāo)是盡可能地回收船舶主機(jī)的煙氣余熱中的能量。在簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者嘗試采用多種循環(huán)結(jié)構(gòu)，以提高簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)sCO2發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率［13］。如圖4所示，針對(duì)余熱回收sCO2發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)結(jié)構(gòu)主要可以分為：①簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)（simple recuperated cycle）；②級(jí)聯(lián)循環(huán)（cascade cycle）；③雙回?zé)嵫h(huán)（dual recuperated cycle）；④預(yù)熱循環(huán)（preheating cycle）［14］。簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)是其他三種循環(huán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)基礎(chǔ)，改進(jìn)的主要出發(fā)點(diǎn)在于增設(shè)渦輪機(jī)、換熱器或回?zé)崞鳎ㄔO(shè)備投資成本會(huì)相應(yīng)提高），通過提高循環(huán)工質(zhì)在各級(jí)子循環(huán)中的熱量利用效率，進(jìn)而達(dá)到提升整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)熱效率的目的。美國SuperCritical Technologies公司 WRIGHT等［14］以LM2500PE燃?xì)廨啓C(jī)排氣作為熱源，對(duì)上述4種循環(huán)結(jié)構(gòu)的sCO2熱經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明：系統(tǒng)效率由大到小依次為④、②、③、①。除此之外，也有研究機(jī)構(gòu)嘗試將2種循環(huán)結(jié)構(gòu)聯(lián)合在一起，組成聯(lián)合循環(huán)。

2 sCO2發(fā)電系統(tǒng)在船舶主機(jī)余熱回收領(lǐng)域的研究進(jìn)展

將sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在船舶主機(jī)余熱回收可以追溯到20世紀(jì)70年代。如圖5所示，麻省理工學(xué)院最早開始將其應(yīng)用在海軍艦艇余熱回收中，但由于受當(dāng)時(shí)高效換熱材料制造成形技術(shù)、渦輪葉片加工工藝以及電力電子變換技術(shù)等發(fā)展相對(duì)滯后的局限，經(jīng)歷了較長時(shí)間的技術(shù)發(fā)展低谷期。2010年左右，隨著新材料、制造加工工藝、高精度系統(tǒng)同步運(yùn)行控制技術(shù)等的進(jìn)步，特別是高效換熱器和高效渦輪機(jī)制造工藝問題獲得解決，sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)又逐漸成為該領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，并逐步在工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

圖5 sCO2發(fā)電系統(tǒng)在船舶平臺(tái)上的應(yīng)用技術(shù)研究時(shí)間軸線圖Fig.5 Application in ship platform sCO2power generation system technology research timeline

20世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院COMBS等［15］以采用燃?xì)廨啓C(jī)為主動(dòng)力裝置的“佩里”（Perry）級(jí)（FFG7）導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦為分析對(duì)象，開展了海軍艦艇余熱回收sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究，主要包括：sCO2發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)分析，簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)和再壓縮回?zé)嵫h(huán)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)與非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的性能差異，sCO2發(fā)電系統(tǒng)方案和主要設(shè)備設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)分析sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收時(shí)的效率、性能等。

美國Echogen Power Systems公司針對(duì)煙氣余熱回收設(shè)計(jì)了EPS100熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于船舶主機(jī)煙氣余熱回收。EPS100系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)為循環(huán)結(jié)構(gòu)，使用工業(yè)級(jí)sCO2作為循環(huán)工質(zhì)，基于電力線通信（power line communication，PLC）進(jìn)行控制。系統(tǒng)的主外殼為15m×4m×4m（長×寬×高），凈重64t。當(dāng)環(huán)境溫度為15℃、相對(duì)濕度為60%時(shí)，余熱供應(yīng)溫度為532℃，余熱的輸入功率為33.3MW，其電力輸出的總產(chǎn)值為8.6MW，凈產(chǎn)值為8MW，電力輸出的效率可達(dá)24%［16］。EPS100循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6。

圖6 EPS100循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖［17］Fig.6 EPS100cycle structure diagram［17］

美國 Concepts NREC 公司和 Maine Maritime Academy、Thermoelectric Power Systems公司合作，研究將sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在MT-30燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)的海軍艦艇余熱回收中［18－19］。美國Concepts NREC公司的可行性分析報(bào)告顯示，在MT-30燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)的海軍艦艇上應(yīng)用sCO2發(fā)電系統(tǒng)和溫差發(fā)電系統(tǒng)回收余熱，燃?xì)廨啓C(jī)的效率可以提高20%以上。

印度理工學(xué)院SHARMA等［20］開展了將sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在海軍艦艇燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收的理論研究工作。研究人員以能量和火用為性能分析和優(yōu)化的研究點(diǎn)，比較了簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)和再壓縮循環(huán)的效率和效果。結(jié)果表明，再壓縮循環(huán)比簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)具有更高的效率和效果。該研究結(jié)果有助于設(shè)計(jì)高效而緊湊的船舶主機(jī)煙氣余熱回收sCO2發(fā)電系統(tǒng)。

2016年，韓國現(xiàn)代重工和韓國電力公司從勞氏船級(jí)社獲得了一個(gè)2MW級(jí)sCO2發(fā)電系統(tǒng)的原則批準(zhǔn)（AIP），該系統(tǒng)用來回收船舶柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的余熱。兩家公司計(jì)劃到2019年將下一代sCO2發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化。現(xiàn)代重工研究中心主任認(rèn)為，隨著sCO2發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，船舶能源效率將會(huì)得到提升，在綠色船舶領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力依賴于sCO2發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

表1 各研究機(jī)構(gòu)船舶余熱sCO2發(fā)電系統(tǒng)對(duì)比Tab.1 The results of finite element analysis

韓國能源研究所BAIK等［21］開展了將sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在船舶余熱回收的理論研究工作，重點(diǎn)關(guān)注sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在船舶余熱回收時(shí)的特性，在渦輪入口溫度一定的條件下，他們通過多元優(yōu)化技術(shù)對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模和優(yōu)化。研究結(jié)果表明，每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)具有最大功率的最優(yōu)值。在該研究的模擬條件下，優(yōu)化后的sCO2發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率明顯增加。

上海交通大學(xué) HOU等［22］為回收船舶燃?xì)廨啓C(jī)余熱，采用模塊化設(shè)計(jì)，建立sCO2再壓縮循環(huán)系統(tǒng)和回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，并基于遺傳算法對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)可以根據(jù)船舶需求來選擇模塊，提高船舶在部分負(fù)荷下的綜合熱效率。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)相比再壓縮循環(huán)系統(tǒng)和回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，在輸出功率、緊湊性和經(jīng)濟(jì)性等方面均具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 船舶主機(jī)煙氣余熱利用sCO2發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

sCO2發(fā)電系統(tǒng)在船舶主機(jī)煙氣余熱利用領(lǐng)域有較大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，但目前面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用仍存在一些關(guān)鍵問題。本節(jié)從sCO2發(fā)電系統(tǒng)核心組成設(shè)備設(shè)計(jì)制造、sCO2發(fā)電系統(tǒng)適用材料及防腐研究、sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、sCO2發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制等方面闡述現(xiàn)階段面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用的sCO2發(fā)電系統(tǒng)存在的若干關(guān)鍵問題。

3.1 核心組成設(shè)備的設(shè)計(jì)制造

面向船舶主機(jī)煙氣余熱發(fā)電工程化應(yīng)用的sCO2發(fā)電系統(tǒng)存在的首要關(guān)鍵問題為換熱器、渦輪發(fā)電機(jī)組等核心組成設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。印刷電路板式換熱器 （printed circuit heat exchanger，PCHE）是一種新型換熱器，由于它具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、能夠在高溫高壓及大壓差下長期運(yùn)行等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于sCO2發(fā)電系統(tǒng)換熱器、回?zé)崞鳌Ｃ绹砗ザ碇萘⒋髮W(xué)ZHANG等［23］提出了S形翅片通道，較好地解決了sCO2發(fā)電系統(tǒng)中印刷電路板式換熱器壓力下降問題；Ceramatec公司LEWINSOHN等［24］開發(fā)了適用于sCO2發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效的陶瓷換熱器；美國西南研究院HOOPES等［25］開發(fā)了一種評(píng)估熱交換器的工具，該工具可用于預(yù)測(cè)不確定幾何形狀的熱交換器的偏離設(shè)計(jì)性能。面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用時(shí)，由于船舶主機(jī)煙氣中含顆粒物，可能會(huì)堵塞印刷電路板式換熱器流道，故煙氣換熱器不能用印刷電路板式。針對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)煙氣換熱器的研究具體可分為以下3方面：①煙氣換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化；②煙氣換熱器的材料選擇及耐腐蝕研究；③煙氣換熱器熱機(jī)械疲勞特性研究。

sCO2發(fā)電系統(tǒng)在渦輪發(fā)電機(jī)組中實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)化，渦輪發(fā)電機(jī)組是船舶余熱sCO2發(fā)電系統(tǒng)所有部件中最核心的部分。美國通用電氣公司BIDKAR 等［26－27］對(duì)50MW 和450MW級(jí)sCO2發(fā)電系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子可以保持較好的穩(wěn)定性；Barber-Nichols公 司 PREUSS 等［28］對(duì) 用 于sCO2發(fā)電系統(tǒng)渦輪機(jī)械的軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究sCO2發(fā)電系統(tǒng)渦輪機(jī)械的性能評(píng)估方法。面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用時(shí)，針對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)組的具體研究可分為以下4方面：①sCO2渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化；②高功率密度高速永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和研制；③彈性箔片氣體動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)；④渦輪發(fā)電機(jī)組密封、摩擦研究。

3.2 適用材料及防腐研究

面向船舶主機(jī)余熱利用的sCO2發(fā)電系統(tǒng)工程化應(yīng)用研究中，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件適用材料的選擇以及防腐研究是關(guān)鍵問題。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室PINT等［29］研究了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合金在sCO2發(fā)電系統(tǒng)中的兼容性；美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室SABAUA等［30］研究了sCO2發(fā)電系統(tǒng)換熱器內(nèi)氧化物剝落的特性以及它對(duì)換熱器性能的影響。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室KEISER等［31］在sCO2處于750℃、20MPa的工作環(huán)境下，對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)渦輪機(jī)械的材料進(jìn)行腐蝕研究；美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室 WALKER等［32］在sCO2發(fā)電系統(tǒng)的工作環(huán)境下，研究滿足A53、A106和API-5L三種規(guī)格的無縫合格碳鋼X65Q的腐蝕速率。面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用時(shí)，針對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)適用材料的選擇和防腐研究具體可分為以下3方面：①sCO2發(fā)電系統(tǒng)各部件材料的選擇；②sCO2發(fā)電系統(tǒng)各部件腐蝕原因及機(jī)理分析；③易被腐蝕部件的防腐防護(hù)技術(shù)研究。

3.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

面向船舶主機(jī)余熱利用的sCO2發(fā)電系統(tǒng)工程化應(yīng)用研究中，由于不同循環(huán)結(jié)構(gòu)sCO2發(fā)電系統(tǒng)各有特點(diǎn)，在船舶主機(jī)煙氣狀態(tài)、對(duì)余熱回收系統(tǒng)的要求已經(jīng)確定的情況下，對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇及優(yōu)化也是關(guān)鍵問題。韓國高等科學(xué)技術(shù)研究所 KIM 等［33］對(duì)鈉冷快堆應(yīng)用的sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合內(nèi)部開發(fā)的多條設(shè)計(jì)代碼將其設(shè)計(jì)成為再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)開展進(jìn)一步研究工作；美國超臨界技術(shù)公司STEVEN等［13］對(duì)4種用于余熱回收sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)分析，研究結(jié)果表明更簡(jiǎn)單的循環(huán)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益更好；加州大學(xué)LOUIS等［34］對(duì)應(yīng)用在聚光太陽能領(lǐng)域中的sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，目的是最大限度地提高sCO2發(fā)電系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)點(diǎn)的循環(huán)效率。面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用時(shí)，針對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇及優(yōu)化的具體研究可分為以下3方面：①不同循環(huán)結(jié)構(gòu)sCO2發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用范圍分析；②sCO2發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；③設(shè)計(jì)工況點(diǎn)以及偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)控制過程優(yōu)化。

3.4 系統(tǒng)的運(yùn)行控制

sCO2發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制難度大，系統(tǒng)能否高效穩(wěn)定運(yùn)行取決于系統(tǒng)的控制策略和控制算法的優(yōu)劣，系統(tǒng)的運(yùn)行控制也屬于面向工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室MOISSEYTSEV等［35］開發(fā)出sCO2發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序，對(duì) Bechtel Marine Propulsion Corporation（BMPC）的100kW簡(jiǎn)單回?zé)醩CO2發(fā)電系統(tǒng)仿真的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下都得到很好的一致性；美國Newport News Shipbuilding的 RAPP等［36］對(duì)中等溫度下運(yùn)行的sCO2發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析，考慮了不同的循環(huán)參數(shù)對(duì)效率的影響，研究工作對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化有很大幫助。面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用時(shí)，當(dāng)船舶主機(jī)煙氣發(fā)生改變及sCO2發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出需求發(fā)生變化時(shí)，sCO2發(fā)電系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、渦輪發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)等均需做出相應(yīng)的調(diào)整，針對(duì)sCO2發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制的具體研究可分為以下3方面：①sCO2發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性；②sCO2發(fā)電系統(tǒng)控制策略；③sCO2發(fā)電系統(tǒng)控制算法優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文聚焦于sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)及其在船舶主機(jī)余熱回收利用方面的研究進(jìn)展及技術(shù)性問題。在概述sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)基本原理、典型特點(diǎn)及不同循環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)該技術(shù)在船舶余熱回收利用方面的研究現(xiàn)狀，并探討了現(xiàn)階段面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用所存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)論如下。

（1）具有效率高、功率密度大、體積小等特點(diǎn)的sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)是提高船舶能效和主機(jī)綜合熱效率的重要技術(shù)途徑。

（2）對(duì)sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的相關(guān)研究已逐漸成為行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，隨著高效換熱器和高速渦輪發(fā)電機(jī)組等核心設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)以及新型高性能材料研制技術(shù)的突破，sCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵問題將逐步轉(zhuǎn)移到針對(duì)該系統(tǒng)高效運(yùn)行的過程控制層面。

（3）面向船舶主機(jī)余熱發(fā)電工程化應(yīng)用，需針對(duì)船舶主機(jī)在不同運(yùn)行負(fù)荷工況下排氣余熱的溫度、壓力和流量變化特點(diǎn)，分析評(píng)估確定sCO2發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)功率、循環(huán)結(jié)構(gòu)、饋電設(shè)備等，解決核心組成設(shè)備設(shè)計(jì)制造、材料的選擇及防腐、循環(huán)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析及運(yùn)行控制等問題。