超臨界二氧化碳發電技術現狀及挑戰

鄧清華，胡樂豪，李 軍，豐鎮平

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院 葉輪機械研究所， 西安 710049；2.陜西省葉輪機械及動力裝備工程實驗室， 西安 710049)

從20世紀40年代第一臺燃煤機組投入運行起，大型發電技術一直朝著高參數、大功率方向發展，以提高能量轉換效率，降低單位功率的建設與運行成本。然而，高參數和大功率也使得發電機組體積龐大，循環系統復雜，這對材料強度、設備制造、運行控制等均提出了更高的要求。

20世紀60年代，Angelino[1]注意到燃煤發電技術和燃氣輪機發電技術所面臨的問題，主要分析了提高動力循環效率、縮小機組尺寸和降低結構復雜性等關鍵問題。Feher[2]在朗肯循環和布雷頓循環的基礎上提出了超臨界循環。兩位學者均論證了以CO2為工質的熱力循環可以大幅提高循環效率，減小部件尺寸。但當時受到換熱器和透平設計水平的限制，該循環方案未能得到進一步發展。隨著技術的進步，以超臨界二氧化碳(SCO2)為工質的動力循環再次受到關注。研究人員提出將SCO2動力循環應用于傳統發電和新能源發電領域[3-4]，以提高循環熱效率，縮小發電機組尺寸，降低大型電站的投資成本[5]。

本文介紹了當前SCO2動力循環的循環方案，以研究機構和相關項目為主線，綜述了國內外SCO2動力循環、動力部件以及電廠示范項目的相關研究狀況與存在的問題，比較了SCO2動力循環發電技術與當前傳統發電技術，分析了當前面臨的問題，以此為大型發電技術的發展提供參考。

1 SCO2動力循環的類型

SCO2動力循環一般可分為間接加熱和直燃加熱兩種，如圖1所示。當前研究最多、公開發表文獻最多是SCO2間接加熱循環方案，其具有循環系統簡單、運行穩定、應用范圍廣的特點。直燃加熱方案的研究相對較少，該方案包括阿拉姆(Allam)循環以及超臨界水蒸煤循環，其燃燒產物(H2O、CO2)直接參與循環，循環效率能突破60%[6]，但由于需要增加分離器等裝置，循環系統的長期穩定運行受到影響。

(a) 間接加熱的SCO2動力循環

圖1 SCO2動力循環方案

間接加熱的SCO2動力循環方案可細分為簡單布雷頓動力循環和再壓縮布雷頓循環兩種，如圖2所示。SCO2簡單布雷頓循環結構簡單，設備體積小，投入成本低。然而，在循環過程中工質比熱容變化比較大，回熱器中存在“夾點”問題，這嚴重影響回熱器的換熱性能，降低循環效率。為解決回熱器“夾點”問題，Angelino[1]提出了分流再壓縮布雷頓動力循環，同時該方案減少了冷卻器帶走的熱量，提高了循環效率。需要指出的是，以上所述的SCO2動力循環方案中，透平進口的CO2均為超臨界狀態，但是各循環差異很大，有的為布雷頓循環，有的為朗肯循環，甚至有的循環采用CO2和水蒸氣的混合工質，非純CO2。

(a) SCO2簡單布雷頓循環

圖2 間接加熱SCO2布雷頓循環

2 國內外SCO2動力循環的發展現狀

世界范圍內，美國、中國、日本、韓國等均開展了SCO2動力循環的相關研究[7-8]，該技術不僅能應用于新能源、核能發電，也能應用于燃煤火力發電等領域。本節以研究機構和相關項目為主線，綜述了SCO2動力循環及部件方面的研究進展。

2.1 美國能源部的SCO2項目

2.1.1 桑迪亞國家實驗室(SNL)

自2007年起，SNL聯合美國能源部(DOE)在SCO2壓縮系統以及循環系統領域開展了細致深入的研究。2010年，SNL搭建了SCO2壓縮系統實驗臺，其中壓縮機由50 kW的電動機驅動，轉速為75 000 r/min，壓比為1.5，工質流量為3.5 kg/s。該實驗臺主要用于研究CO2臨界點附近的壓縮機運行特性[9]。2012年，SNL搭建了熱源功率為780 kW、循環最高溫度為811 K、轉速為75 000 r/min的SCO2再壓縮布雷頓循環系統實驗臺，該實驗臺主要用于對SCO2的再壓縮循環系統進行原理性驗證。實驗結果表明：該循環可以解決回熱器中“夾點”問題，提高循環效率；動力部件采用箔片軸承時轉速需要高于20 000 r/min，且需要嚴格控制軸承處的溫度；實驗中循環最高溫度僅達到672 K[10]，轉速為59 000 r/min。另外，發電機的相關損失、壓縮機和透平產生的泄漏流以及轉子腔室內的摩擦鼓風損失是導致循環效率低的主要原因。需要說明的是，動力裝置采用透平-發電機-壓縮機同軸布置方案[11]，可有效抵消兩葉輪上的軸向推力，同時在發電機功率和軸向推力不超限的情況下，拆除透平或壓縮機中的一個，可以單獨開展另一個的氣動性能實驗。

近年來，SNL在原有實驗臺架的基礎上，重點開展了軸承以及循環工質參數控制方面的研究，其實驗臺輸出功率為20 kW，轉速為52 000 r/min，壓比為1.65，工質流量為2.7 kg/s。結果表明，在啟動階段，CO2在主壓縮機和再壓壓縮機進口處的密度不同，需要將2臺壓縮機維持相同轉速，以防止其中之一發生喘振。同時，壓縮機進口工質狀態對循環效率的影響較大，需要將壓縮機進口的CO2控制在臨界點附近[12]，這給系統的參數控制帶來了一定的挑戰。

2.1.2 太陽能光熱發電SunShot項目

2011年，DOE的SunShot計劃向美國西南研究院(SwRI)資助490萬美元，用于其制造和測試適用于光熱發電項目的一種高效、緊湊的SCO2透平和印刷電路板換熱器，以大幅降低太陽能光熱發電的設備成本。該項目已于2017年結題[13]，為后續太陽能光熱發電關鍵設備的研發積累了經驗。

2014年，SwRI聯合通用電氣(GE)公司完成了10 MW等級用于太陽能光熱發電的SCO2透平設計。結果發現，透平氣動與結構的設計、優化、制造，以及轉子的高周疲勞壽命均是需要重點考慮的問題，同時太陽光照的不穩定性要求透平能夠快速適應發電過程中的負荷變化[14]。

SwRI和GE公司設計制造的透平和換熱器解決了SCO2動力循環的兩個關鍵問題，熱電效率可以提高到50%以上，電站建造成本將低于1 200美元/kW，運行成本為0.06美元/(kW·h)。該研究項目為SCO2動力循環在太陽能光熱發電領域的應用奠定了堅實的基礎。

2.1.3 超臨界轉化電力(STEP)項目

SNL等機構開展的SCO2壓縮系統、總體循環系統等方面的原理性驗證實驗，證明了其發電原理不存在問題。2016年，DOE提出超臨界轉化電力(Supercritical Transformation Electric Power，STEP)項目，其主要目標之一是設計建設發電功率10 MW等級的SCO2太陽能光熱電廠，項目總投資約為8 000萬美元，旨在降低SCO2動力循環在商業應用方面存在的風險，并解決技術難點，為SCO2動力循環進一步大型化發展奠定基礎。其循環系統的透平進口溫度為700 ℃，循環效率超過了50%。項目主要由美國燃氣技術研究院(GTI)牽頭，GE公司負責透平機械的設計和制造，SwRI負責循環系統的設計、實施、運行和評估。2018年10月該項目在美國得克薩斯州開工建設，計劃于2020年完工。

項目的建成將對SCO2動力循環的商業化應用具有重要意義。SwRI借助于該示范電廠，將進一步優化SCO2動力循環參數、驗證動力部件運行性能和穩定性，同時為SCO2動力循環商業化運行提供培訓，積累運營經驗，為后續的技術改進提供平臺基礎。

2.1.4 燃煤電站項目

為進一步推動SCO2動力循環在燃煤電站領域的應用，在DOE的資金支持下，GE公司在SwRI關于10 MW透平研究基礎上，設計了一套應用于燃煤電站450 MW再熱-再壓縮SCO2布雷頓循環系統以及相應的透平部件[15-16]，循環系統的熱效率可達51.9%。高壓和低壓透平設計轉速均為3 600 r/min。其中高壓透平進口總溫為700 ℃，進口總壓為25.06 MPa，采用4級結構，設計等熵效率為90.6%；低壓透平進口總溫為680 ℃，進口總壓為12.96 MPa，出口壓力為6.71 MPa，采用3級結構，設計等熵效率為91.6%。高壓透平第1級葉片高度僅有71.12 mm，高壓透平第3級葉片高度僅為137.16 mm，遠小于相同功率條件下的蒸汽透平尺寸。

GE公司在450 MW透平設計中重點解決了材料選擇、應力計算和轉子穩定性分析等問題，為更高功率等級的SCO2透平設計提供了參考。然而，受限于當前干氣密封的加工技術，GE公司在450 MW透平設計中采用的是迷宮密封，其泄漏量(0.45%)遠大于干氣密封泄漏量(0.02%)，因此透平中存在的泄漏損失將使得整個循環效率降低0.6%～0.8%。

另外，2018年DOE公布了Coal FIRST計劃，項目投資1 億美元，目標是開發“靈活、創新、彈性、小型、變革”的適用于未來能源系統的先進燃煤電廠，計劃采用SCO2發電技術，通過創新設計及制造方法的進步，發展新型先進燃煤發電的示范系統。

2.2 中國的SCO2項目

2.2.1 重點研發計劃

2016年，西安交通大學牽頭承擔了國家重點研發計劃“煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/CO2混合工質熱力發電多聯產基礎研究”項目(2016YFB0600100)，主要以煤炭清潔高效轉化利用為目標，創建新型煤炭潔凈高效制氫發電多聯產的科學理論與技術支持，創立從煤炭超臨界水氣化制氫反應器，高濕/高CO2氣氛下氫氣燃燒器，到超臨界H2O/CO2混合工質透平發電的多聯產系統的設計理論，并提出了相關方法，完善了關鍵技術，完成新型系統的概念設計，并使系統發電效率達到50%以上[17-18]。

圖3是超臨界水煤氣化制氫發電工藝流程圖，煤與超臨界水發生反應，生成H2和CO2，H2在燃燒器中燃燒后生成H2O，與CO2組成超臨界混合工質，進入透平做功，驅動發電機。這種工藝流程完全避免了NOx、SOx的排放，實現了CO2的資源化利用，裝置大型化后，一次性投資和運行成本將會進一步降低。該發電系統的優勢在于采用超臨界水煤氣化制氫，避免了傳統采用煤炭直接燃燒的方式，具有高效、清潔的技術優勢。

圖3 超臨界水煤氣化制氫發電工藝流程圖[17]

2017年，華北電力大學牽頭承擔了國家重點研發計劃“超高參數高效二氧化碳燃煤發電基礎理論與關鍵技術研究”項目(2017YFB0601800)，該項目旨在解決超高參數CO2燃煤系統能量梯級利用、熱力學循環及熱學優化理論，以及關鍵部件能質轉換與傳遞機理的關鍵科學問題，突破鍋爐燃燒及污染物控制、換熱器、透平及一體化系統設計等關鍵技術，研制鍋爐、回熱器及透平原理樣機，完成1 000 MW級系統概念設計[19]。

從總體上來說，華北電力大學徐進良教授提出的發電系統是基于傳統技術的燃煤發電系統，將水蒸氣介質替換為CO2，利用CO2在超臨界狀態附近壓縮耗功小的特點，采用多次再熱等措施，提高循環熱效率，大幅縮小葉輪機械尺寸。計算結果表明，1 000 MW級SCO2燃煤電廠CO2透平在進口壓力為35 MPa，進口溫度為630 ℃，兩次再熱溫度均為630 ℃時，系統發電效率為51.22%，比當前世界上效率最高的超超臨界水蒸氣電廠發電效率(48.12%)高出三個百分點，具有非常大的優勢。另外，該SCO2燃煤電廠的透平排氣壓力在7.8 MPa左右，而傳統燃煤發電系統透平排氣壓力在0.005 MPa左右，此時水蒸氣的質量體積是CO2的1 900倍，因此采用CO2為介質，可使發電系統容積流量大幅降低，大幅縮小葉輪機械尺寸。圖4給出了1 000 MW SCO2透平轉子的初步方案圖，即使采用雙流結構，總長也不超過5 m。

圖4 1 000 MW SCO2循環發電系統透平轉子結構布置方案

2018年，中國科學院電工研究所牽頭承擔了國家重點研發計劃“超臨界CO2太陽能熱發電關鍵基礎問題研究”(2018YFB1501000)，該項目旨在為我國SCO2動力循環系統在新能源發電領域，尤其為太陽能熱發電領域開展相關研究。美國已于2011年開始了SunShot計劃，現已完成了10 MW等級SCO2太陽能光熱電站的系統及部件的工程設計與部分測試，并開始了示范電廠的建設，而我國目前還在SCO2太陽能光熱發電的基礎研究階段。

2.2.2 企業自主研發項目

2018年，由中國科學院工程熱物理研究所研制的我國首座大型SCO2壓縮機實驗平臺在河北衡水基地正式建成。實驗平臺可用于測試SCO2壓縮機工作性能，開展SCO2流體壓縮特性研究，同時也可以開展高速轉子、軸承和密封等相關部件的性能實驗。其設計的壓縮機出口壓力可以達到20 MPa，最高轉速可達40 000 r/min，最大流量為30 kg/s，可進行兆瓦級SCO2壓縮機的相關測試實驗，為我國后續開展SCO2壓縮系統實驗研究提供了強有力的支撐。

另外，西安熱工研究院有限公司設計開發了輸出功率為5 MW的SCO2循環發電實驗平臺[20]，其透平進口溫度為600 ℃，透平進口壓力為20 MPa，系統流量為80.7 kg/s，發電效率為25.4%，目前各關鍵部件已經完成加工制造，正在進行系統管路與關鍵部件的安裝與調試。

2.3 國外企業自主研發項目

2.3.1 Echogen Power Systems(EPS)公司

于2007年成立的美國EPS公司致力于余熱回收領域的研發工作，并采用CO2作為介質。經過5 kW、15 kW和200 kW樣機的設計試制與實驗，于2012年成功開發了EPS100機型，主要包括換熱器、冷凝器、泵和透平4個部分，是世界上第一臺采用CO2為循環介質的商用發電機組，其輸出功率為7.5 MW，主要用于溫度為500 ～ 550 ℃、流量為65 ～ 70 kg/s的氣體燃燒產物的余熱回收。需要說明的是，EPS100機組采用的是CO2朗肯循環，而非布雷頓循環，因為液態CO2更容易被壓縮，且消耗更少的壓縮功，所以CO2朗肯循環比其布雷頓循環的效率更高。

EPS100機型能夠有效地將工業過程產生的廢熱轉換為電能，可配置為熱電聯產方案，進一步提高廢熱回收的利用率。EPS公司在SunShot計劃的支持下，對EPS100機型進行了測試。2013年，GE公司將EPS100技術應用于艦船動力領域。

2.3.2 Net Power公司

美國Net Power公司致力于開發和應用新型動力循環發電技術，實現化石燃料發電的低成本和零排放。該公司提出了阿拉姆(Allam)循環技術，即氣化后的煤經過清潔處理后，經壓縮機壓縮進入燃燒器，燃燒產物(CO2、H2O)和經過空氣分離器廢熱預熱的CO2混合后，直接進入透平中做功發電，最后燃燒產物經過分離器分離出H2O和CO2進行循環，對多余的CO2進行捕集和封存。循環主要特點是零排放、100% CO2捕集，發電效率高，占地面積小[21-22]。值得指出的是，該Allam循環技術與西安交通大學郭烈錦院士提出的超臨界水煤氣化制氫及H2O/CO2混合工質熱力發電系統較相似，只是煤炭的氣化工藝不同。

目前，Net Power公司建成了世界上首座50 MW直燃式煤氣化Allam循環系統，其中燃燒器和透平關鍵部件由Toshiba公司設計，印刷電路板換熱器由Heatric公司設計。該電站建于美國得克薩斯州拉波特市，已經成功點火，成為全球首座零排放電站。下一步Net Power公司計劃建設500 MW天然氣Allam循環電站，目前已完成了工程設計。

經過分析，Allam循環的高效優勢主要是來自兩方面：(1)透平進口工質的溫度壓力較高；(2)將空氣分離器的余熱整合到SCO2循環中。將Allam循環用于化石燃料的發電領域，可以實現高效率發電和CO2零排放，與整體煤氣化聯合循環(IGCC)方案形成競爭，為清潔發電提供新的發展方向。

3 SCO2發電技術面臨的挑戰

與常規大型發電技術相比，大型SCO2布雷頓循環發電技術在葉輪機械尺寸方面具有極大的優勢，表1比較了SCO2透平與燃煤電站、核電站的蒸汽輪機的技術指標。

表1 1 000 MW典型機組性能指標對比

盡管SCO2布雷頓動力循環系統在動力部件尺寸和循環效率方面具有優勢，但要使其逐漸走上工程示范和后續的商業應用之路，還需要在以下方面開展廣泛和深入的研究：

1) SCO2循環系統的鍋爐中介質流量大，是相同功率等級常規燃煤機組的8倍左右，是核電機組的4倍左右，而單純提高管內介質的流速，必然會增加流動阻力，而增大受熱面又會增加鍋爐尺寸，因此需要特別注意CO2在鍋爐內的阻力與受熱面的平衡問題。

2)壓縮機進口處CO2在其臨界點附近，物性參數變化劇烈，同時伴隨凝結問題，這對壓縮機氣動性能和工作穩定性有較大影響。另外，介質密度大，CO2壓縮機和透平葉片受力較大，其流體激振以及軸系結構布置問題也需要特別考慮。

3)SCO2介質密度大，壓縮機和透平葉片高度低，葉片展弦比低，端部次流損失大，泄漏損失大，需要開發高效的新葉型。而且，為空氣或燃氣等常規介質建立的葉片流動損失模型能否適用于CO2介質，需要進一步論證。

4)SCO2循環系統的最低壓力為7.9 MPa左右，這給CO2壓縮機和透平的軸端密封技術帶來了非常大的挑戰。系統輸出功率為1 000 MW的SCO2透平的初步設計結果顯示，其輪轂直徑為1 000 mm，軸徑約為450 mm，然而當前干氣密封加工工藝能夠實現的最大的密封面直徑為350 mm左右，不能滿足要求。

5)SCO2壓縮機進口狀態點對其循環系統經濟性具有非常重要的影響，如何將其控制在臨界點附近，是系統控制需要解決的重點問題。

4 結 論

本文綜述了國內外SCO2動力循環系統、關鍵部件、示范項目等方面的進展狀況，分析了傳統發電系統與SCO2發電系統的不同，以及SCO2發電系統面臨的技術挑戰。SCO2動力循環具有循環效率高、葉輪機械尺寸緊湊等優勢，將其應用于大型發電領域具有很廣闊的前景。

世界范圍內，SCO2動力循環和相關部件的設計制造發展迅速，美國在10 MW以下的動力循環領域取得了較大的進展，現已基本完成了小型試驗裝置的原理性驗證工作，這為后續SCO2動力循環發展打下了堅實的基礎?，F階段，由DOE支持的STEP計劃取得了進展，10 MW SCO2動力循環太陽能光熱發電電廠已啟動建設。

國內方面，我國對SCO2試驗裝置的研究還在起步階段，目前國內只有西安熱工研究院有限公司和中國科學院工程熱物理研究所等建成了兆瓦級SCO2系統及部件實驗平臺，在基本理論和實驗驗證方面還需要進一步的研究。我國現階段相繼啟動了3項關于SCO2動力循環在大型發電領域應用的研究，這對我國能源結構的發展與調整具有重要的意義。

目前相關機構已開展了系統原理性驗證、部件設計與實驗等大量研究工作，但是在CO2鍋爐、壓縮機與透平、干氣密封以及系統控制等關鍵問題上，仍需要開展更深入的研究。