艦船動(dòng)力系統(tǒng)中超臨界CO2循環(huán)的應(yīng)用分析

陽緒東，潘紹成，尹朝強(qiáng)，劉文建，段永一，譚建斌

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731)

0 引言

超臨界CO2布雷頓循環(huán)(sCO2循環(huán))作為近年來熱點(diǎn)研究的前沿發(fā)電技術(shù)，與蒸汽為介質(zhì)的朗肯循環(huán)相比，sCO2循環(huán)可以采用更廣的熱源溫度范圍，且在這些溫度范圍內(nèi)具有更高的循環(huán)發(fā)電效率。由于sCO2的特殊物性，循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊、循環(huán)效率高，sCO2循環(huán)發(fā)電被認(rèn)為在火力發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電、第四代核能發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

當(dāng)前艦船動(dòng)力系統(tǒng)主要有蒸汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、核動(dòng)力系統(tǒng)及綜合電力動(dòng)力系統(tǒng)。蒸汽動(dòng)力裝置因其單位功率重量太大、系統(tǒng)效率不高，20世紀(jì)70年代以后世界發(fā)達(dá)國家均陸續(xù)全面轉(zhuǎn)向燃?xì)鈩?dòng)力裝置和核動(dòng)力裝置，基本放棄了蒸汽動(dòng)力艦船鍋爐的研究規(guī)劃。以艦船鍋爐為熱源的sCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)不具備替代蒸汽動(dòng)力裝置的市場前景。船舶柴油機(jī)分為高、中、低速機(jī)，具有功率范圍大、油耗低等特點(diǎn)，在民用小功率船舶及中小型艦船中占據(jù)著絕對(duì)市場占有率，sCO2循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)用在該部分船舶中無經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，基本上決定了無市場應(yīng)用前景。在大中型艦船中，大功率中速柴油機(jī)占有小部分艦船市場份額；質(zhì)量尺寸小、功率密度大的燃?xì)廨啓C(jī)占艦船市場份額的3/4；核動(dòng)力在海軍的航空母艦及核潛艇中占有特定的少量市場份額。

sCO2具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特殊物性，可以作為核電堆芯冷卻介質(zhì)。sCO2循環(huán)研究在近20年內(nèi)再度興起的源頭就是麻省理工學(xué)院(MIT)對(duì)第四代核電先進(jìn)動(dòng)力循環(huán)項(xiàng)目的研究。MIT完成了與核反應(yīng)堆相結(jié)合的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性分析、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)選型及系統(tǒng)控制等工作，研究顯示分流再壓縮sCO2循環(huán)為發(fā)電效率最佳的方式[2]。美國海軍的諾爾斯實(shí)驗(yàn)室2007年也啟動(dòng)了艦船核反應(yīng)堆應(yīng)用sCO2循環(huán)的研究。柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱可作為sCO2循環(huán)的熱源。雖然與核反應(yīng)堆、太陽能光熱相結(jié)合采用的分流再壓縮sCO2循環(huán)效率高，但該方式具有深度回?zé)岬奶攸c(diǎn)，不能充分從燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱中吸收足夠的熱量，存在排氣熱損失，不宜用于燃?xì)廨啓C(jī)-sCO2聯(lián)合循環(huán)。Kim等學(xué)者對(duì)比研究了多種用于燃?xì)廨啓C(jī)底循環(huán)的sCO2循環(huán)，結(jié)果表明，基于簡單回?zé)岬难h(huán)效率比分流再壓縮循環(huán)效率更高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，更適合作為燃?xì)廨啓C(jī)底循環(huán)[3]。美國Echogen公司研發(fā)的EPS100是首個(gè)兆瓦級(jí)的簡單sCO2循環(huán)系統(tǒng)，主要考慮商業(yè)應(yīng)用于500℃～550℃、65～70 kg/s流量的氣體燃燒產(chǎn)物(如燃機(jī)排氣)的余熱回收[4]。

本文根據(jù)sCO2循環(huán)在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中的市場應(yīng)用前景，主要分析了艦船核能-sCO2循環(huán)系統(tǒng)以及艦船燃?xì)廨啓C(jī)-sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)。

1 艦船核能-sCO2循環(huán)系統(tǒng)

1.1 分流再壓縮sCO2循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成

目前第四代核電的堆芯冷卻介質(zhì)除了氦氣、鈉以外，sCO2也是其備選介質(zhì)之一。以核反應(yīng)堆為熱源，sCO2循環(huán)采用分流再壓縮的方式可以明顯提高系統(tǒng)循環(huán)效率。由于艦船核動(dòng)力系統(tǒng)中受空間嚴(yán)格限制的要求，采用sCO2循環(huán)可以在最大限度提高循環(huán)效率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備緊湊布置，為艦船其他系統(tǒng)爭取更大的空間。

分流再壓縮的sCO2循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備主要包括作為熱源的核反應(yīng)堆、高/低溫回?zé)崞鳌⒗鋮s器、主壓縮機(jī)、再壓縮壓縮機(jī)、渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)。循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。高溫高壓的sCO2工質(zhì)在渦輪機(jī)中做功后先后經(jīng)過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲹Q熱，進(jìn)行排氣余熱的再利用，對(duì)與核反應(yīng)堆進(jìn)行換熱前的工質(zhì)進(jìn)行預(yù)加熱。從低溫回?zé)崞鲹Q熱降溫后的低壓工質(zhì)分為兩路，一路經(jīng)冷卻器冷卻到臨界點(diǎn)參數(shù)附近后進(jìn)入主壓縮機(jī)，再經(jīng)低溫回?zé)崞骷訜岷笈c再壓縮壓縮機(jī)出口工質(zhì)匯合；另一路循環(huán)工質(zhì)不采用冷卻器冷卻直接進(jìn)入再壓縮壓縮機(jī)加壓，減少由于冷卻產(chǎn)生的系統(tǒng)熱損失，2路工質(zhì)合并后進(jìn)入高溫回?zé)崞髦袚Q熱升溫，然后再與核反應(yīng)堆加熱器進(jìn)行換熱，進(jìn)一步加熱后的高壓sCO2工質(zhì)最后進(jìn)入渦輪機(jī)中做功。sCO2循環(huán)系統(tǒng)中的主要設(shè)備均采用高速回轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，透平、發(fā)電機(jī)采用高速電磁懸浮軸承一體化連接，該方式可以有效減小振動(dòng)激勵(lì)和傳遞引起的噪音，這對(duì)于艦船或核潛艇等海軍裝備來說十分有利[5]。由于sCO2的特殊物性，循環(huán)工質(zhì)在壓縮和膨脹過程中呈現(xiàn)出非線性變化，這使得sCO2渦輪機(jī)及壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成為主要難點(diǎn)之一，需要根據(jù)sCO2工作過程中的性能特征深入研究相關(guān)設(shè)計(jì)及制造工藝。sCO2循環(huán)中高、低溫回?zé)崞饕缶哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、高效可靠和快速換熱的能力，傳統(tǒng)的換熱器結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，而采用內(nèi)部具有微通道結(jié)構(gòu)的印刷電路板換熱器(PCHE)可以有效地滿足高、低溫回?zé)崞鞯膿Q熱需求。

圖1 艦船核能-分流再壓縮sCO2循環(huán)系統(tǒng)

1.2 分流再壓縮sCO2對(duì)系統(tǒng)效率的影響

sCO2循環(huán)采用回?zé)岱绞剑约皩嚎s機(jī)入口工質(zhì)參數(shù)設(shè)定在臨界點(diǎn)附近偏上來減少壓縮做功，這是使循環(huán)系統(tǒng)具有高發(fā)電效率的2個(gè)關(guān)鍵手段。單從減小壓縮機(jī)的功耗來說，壓縮機(jī)入口參數(shù)越接近超臨界點(diǎn)(31.1℃、7.38 MPa)，工質(zhì)在壓縮機(jī)中的功耗就越小。但在臨界壓力附近，冷卻器出口溫度接近臨界溫度31.1℃時(shí)，微小的sCO2溫度變化也會(huì)引起較大的焓值變化，為獲得最佳的系統(tǒng)效率，冷卻器對(duì)壓縮機(jī)入口的溫度控制的難度變大。為降低對(duì)溫度的控制要求，保證系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定工作，壓縮機(jī)入口的工質(zhì)參數(shù)應(yīng)稍高于臨界溫度及壓力31.1℃、7.38 MPa。

參與回?zé)崞鲹Q熱的兩端sCO2工質(zhì)由于比熱容的差異，存在“夾點(diǎn)”問題。高壓冷端工質(zhì)的吸熱能力強(qiáng)，對(duì)于相同的換熱量，回?zé)崞鳠岫说蛪汗べ|(zhì)降低的溫度明顯大于冷端高壓工質(zhì)升高的溫度，說明在進(jìn)入主加熱器前沒有對(duì)sCO2工質(zhì)預(yù)熱升溫足夠高的溫度。而分流再壓縮sCO2循環(huán)采用高、低溫回?zé)崞鳎^好地改善了這一問題，提高循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率。分流系數(shù)是表征該循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)的選取決定了進(jìn)入再壓縮壓縮機(jī)的流量占整個(gè)循環(huán)工質(zhì)總流量的比例。同時(shí)，該參數(shù)直接影響到主壓縮機(jī)、再壓縮壓縮機(jī)、高低溫回?zé)崞鞯墓ぷ鳡顟B(tài)。分流再壓縮sCO2循環(huán)通過減小吸熱能力強(qiáng)的高壓冷端工質(zhì)在低溫回?zé)崞髦械牧髁浚x取合適的分流系數(shù)可以使低溫回?zé)崞骼錈醿啥说臏厣皽亟抵迪喈?dāng)，再經(jīng)過高溫回?zé)崞鞯膿Q熱，進(jìn)一步預(yù)熱循環(huán)工質(zhì)到更高的溫度。同時(shí)，采用分流再壓縮循環(huán)可以減少系統(tǒng)因冷卻器造成的系統(tǒng)熱損失，有效提高系統(tǒng)的循環(huán)發(fā)電效率。

2 艦船燃?xì)廨啓C(jī)-sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)

2.1 燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)構(gòu)成

為充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的余熱，避免由于分流再壓縮循環(huán)的深度回?zé)嵩斐蓅CO2循環(huán)吸收的余熱能量較少，國內(nèi)外研究者主要采用基于簡單回?zé)崮Ｊ剑m當(dāng)改進(jìn)優(yōu)化系統(tǒng)，以達(dá)到最佳的余熱發(fā)電效率。在艦船燃?xì)廨啓C(jī)-sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)中，本文主要分析基于2個(gè)簡單回?zé)醩CO2循環(huán)作為底循環(huán)，并在系統(tǒng)中增加艦船供熱或制冷等裝置，充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱。燃?xì)廨啓C(jī)作為主發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，sCO2循環(huán)系統(tǒng)作為輔助發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)主要設(shè)備為燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、回?zé)崞鳌⒗鋮s器、高低壓壓縮機(jī)、高低壓透平、艦船余熱利用裝置，發(fā)電機(jī)、能量管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力推進(jìn)設(shè)備及其他用電設(shè)備。燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)

系統(tǒng)總體運(yùn)行過程為：燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行發(fā)電，產(chǎn)生的高溫排氣進(jìn)入余熱鍋爐，余熱鍋爐內(nèi)的加熱器加熱sCO2循環(huán)工質(zhì)，sCO2循環(huán)運(yùn)行發(fā)電，并給艦船余熱利用裝置提供熱量，產(chǎn)生的電能由艦船能量管理分配系統(tǒng)分配給推進(jìn)系統(tǒng)及其他用電系統(tǒng)。

如圖2所示，sCO2循環(huán)采用2個(gè)簡單回?zé)嵫h(huán)嵌套的方式，充分利用余熱鍋爐中高低溫區(qū)域熱量。從加熱器Ⅰ出來的工質(zhì)經(jīng)高壓透平做功，高壓透平排氣與低壓透平排氣匯合為一路，并設(shè)置旁路進(jìn)入艦船余熱利用裝置，排氣主路再分為兩路分別進(jìn)入回?zé)崞鳍窈突責(zé)崞鳍颍瑓⑴c回?zé)釗Q熱后的工質(zhì)再分別進(jìn)入冷卻器Ⅰ和冷卻器Ⅱ，使壓縮機(jī)入口工質(zhì)接近于臨界點(diǎn)附近，減少壓縮機(jī)的壓縮功，分別經(jīng)過高壓壓縮機(jī)和低壓壓縮機(jī)后，經(jīng)回?zé)崞黝A(yù)熱后分別進(jìn)入余熱鍋爐中的加熱器Ⅰ和加熱器Ⅱ，形成一個(gè)閉環(huán)。為使余熱鍋爐出口煙溫溫度盡量低，可在2個(gè)簡單回?zé)嵫h(huán)中合理分配熱量，達(dá)到最佳的燃機(jī)排氣余熱利用效果。

2.2 船舶綜合電力系統(tǒng)

由于sCO2循環(huán)屬于比較前沿且商業(yè)化不高的技術(shù)，要使sCO2循環(huán)技術(shù)在艦船中得到很好應(yīng)用，須與未來艦船動(dòng)力的發(fā)展方向相結(jié)合。有學(xué)者認(rèn)為艦船綜合電力系統(tǒng)將是艦船動(dòng)力的第三次革命。通過艦船綜合電力系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)多種能源發(fā)電系統(tǒng)的靈活集成，而且還能通過高效的能量管理分配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艦船推進(jìn)系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備或高能武器系統(tǒng)的用電需求。艦船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可以從零到滿負(fù)荷自由選擇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)艦船要求的高操縱性和機(jī)動(dòng)性。

國內(nèi)外海軍對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)均作了發(fā)展規(guī)劃，以適應(yīng)未來艦船發(fā)展趨勢的要求。美國海軍海上系統(tǒng)司令部2019年發(fā)布了未來30年《海軍動(dòng)力與能源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》(NPES-TDR)，要求艦船綜合電力系統(tǒng)必須充分集成艦船所有動(dòng)力能源，使能量分配管理系統(tǒng)適用于電力推進(jìn)系統(tǒng)、高能武器系統(tǒng)以及其他用電設(shè)備。我國綜合電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線為：在裝機(jī)容量大、功率密度高的軍用艦船中優(yōu)先采用中壓直流方案；在民用船舶中現(xiàn)階段優(yōu)先采用低壓或中壓交流方案。我國艦船綜合電力系統(tǒng)自“十二五”以來，構(gòu)建了世界首個(gè)中壓直流綜合電力系統(tǒng)。

本文根據(jù)國內(nèi)外對(duì)于未來艦船動(dòng)力發(fā)展的規(guī)劃路線，以及最適用于艦船綜合電力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)，提出了燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)綜合電力系統(tǒng)，符合艦船動(dòng)力未來的發(fā)展方向，有很多工作值得深入研究。

3 結(jié)語

本文根據(jù)sCO2循環(huán)在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，主要分析了艦船核能及艦船燃?xì)廨啓C(jī)分別與sCO2循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的應(yīng)用，主要結(jié)論如下。

1)sCO2循環(huán)應(yīng)用于艦船核能冷卻系統(tǒng)時(shí)，采用分流再壓縮sCO2循環(huán)具有深度回?zé)崮芰Γh(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率高。

2)利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱作為熱源，基于2個(gè)簡單回?zé)岬膕CO2循環(huán)作為底循環(huán)，燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)能更充分利用燃機(jī)排氣余熱，在系統(tǒng)中增加艦船余熱利用裝置，可進(jìn)一步提高余熱發(fā)電效率。

3)采用燃?xì)?sCO2聯(lián)合循環(huán)與艦船綜合電力系統(tǒng)相結(jié)合，符合艦船未來動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向。