S-CO2 布雷頓循環發電技術發展

戴全春，袁 鵬

（1. 海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 200031； 2. 海軍裝備部駐西安地區軍事代表局，西安 710054）

0 引言

超臨界二氧化碳（S-CO2）布雷頓發電技術，是以S-CO2 作為布雷頓熱力循環的工質，通過膨脹做功而發電。圖1 是簡單一次回熱式布雷頓循環示意圖，由于該技術具有諸多優點，在民用及軍用領域獲得了極大關注。本文從其技術特征、發展現狀和發展探索等進行綜述。如圖2 所示。

1 技術特征

S-CO2布雷頓發電技術的具體特征如下：

1）熱功效率高。S-CO2布雷頓循環的主要特征是全程為閉式運行、工質在全循環過程中無相變；相比于其他循環，首先在理論上可大幅提高熱循環效率，據國內外相關資料分析，在透平入 口溫度為700 ℃時，其熱功循環效率接近50%；在入口溫度接近800 ℃的透平入口溫度時，熱功循環效率可達58%，遠高于同等溫度條件下的朗頓循環。

2）體征大幅縮小。由于循環工質的獨特性質，S-CO2布雷頓循環動力裝置具有較高的能量密度和運行轉速，因此裝置體積與朗頓循環相比較可大幅縮小。據估算1 臺300 MW 的S-CO2布雷頓電站的渦輪直徑約1 m，3 個渦輪級，而同等功率的蒸汽動力渦輪直徑需要5 m，高達22 個～30 個渦輪組，二者在體積比約為1/20，重量比約為1/30，體征顯著縮小。圖2 為美國麻省理工給出的2 種熱力循環動力渦輪的形態比較[1]。

2012 年世界首個MW 級的商用S-CO2發電機組EPS100（見圖3）建于美國紐約，同樣采用雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環系統，利用燃氣輪機、內燃機或其他余熱實現S-CO2循環發電。該裝置發電功率為7.5 MW，入口廢氣溫度532℃，流量68 kg/s，輸入功率33.3 MW，整個循環模塊54 t，發電模塊52 t。目前，該機組已經完成測試，獲得數據證實了MW 級S-CO2發電機組的技術可行性，而且在偏離設計工況下的關鍵部件的性能與數值模型預測值一致，再次證明了MW 級S-CO2發電技術已被掌握。NREL（美國能源部能源效率及可再生能源辦公室下屬的國家試驗室）提出以EPS100 系統為基礎的SunShot（見圖4）試驗計劃[3]。該計劃于2017 年9 月建立了使用太陽能的10 MW等級S-CO2閉式再壓縮布雷頓循環系統，其中包括EPS100 和700 ℃熱源，以及其他匹配和適應性改進部分。

德國海軍于2011 年開展了用于潛艇中的S-CO2動力循環系統研發，并建立了集二氧化碳捕集、回收、儲能、發電于一體的艦艇用CO2綜合利用系統。韓國先進科學技術研究所建立了小型S-CO2布雷頓循環實驗系統，輸出功率為10 kW，透平進口溫度為500 ℃，壓縮機和透平轉速為70 000 r/min，壓縮機進口壓力7.91 MPa，入口溫度接近臨界點，設計效率較高。

圖3 EPS100 發電系統實物圖

圖4 美SunShot 計劃中多級壓縮擴展型

日本東京工業大學完成了用于核反應堆的S-CO2循環系統設計，采用了多級壓縮中間冷卻技術，額定功率為600 MW，渦輪機入口溫度為920 K，反應堆出口運行壓力約為7 MPa，系統效率為45.8%[4]。捷克核技術大學研究所搭建了500 kW 的S-CO2循環實驗系統，溫度最高至650 ℃，可進行不同類型的測試，如材料和腐蝕、傳熱、組件測試等。

我國也開展了S-CO2布雷頓循環發電技術的相關研究，但整體來講，無論從基礎還是系統整體相對于美國來說是相對滯后的。中科院工程熱物所在2018 年9 月完成了我國首座大型S-CO2壓縮機實驗平臺建設，該系統為單機測試系統，尚未形成閉式循環。主要用于S-CO2壓縮機性能測試、開展S-CO2流體壓縮特性基礎實驗，以及擴展到高速轉子、高速軸承、工質密封等專項測試。華能西安熱工院正在建設5 MW 級S-CO2發電實驗平臺，它們的目標是實現600 MW 級以上的大型火力發電，作為我國未來火力發電系統升級改造的工程方案，其具體參數為透平進口壓力為20 MPa，溫度為600℃，目前尚未開展系統集成。成都核動力研究院開展了MW 級S-CO2動力試驗裝置研究，并取得相當成果。西安交通大學在S-CO2熱物性、換熱、渦輪機械、控制方案等方面具有相當深厚的研究基礎。

總體來看，美國在S-CO2布雷頓發電技術領域具有最高的技術成熟度，目前已有示范電站實現運行，其建成的多套試驗系統也證明了其技術方案的可行性和先進性。綜合情報資料顯示，美國已將該技術應用于艦船動力領域。他們的發展思路是，選擇功率從小到位大順序，按實施規劃分階段推進，其階段劃分為“基礎測試→概念開發→千瓦級小型系統與部件測試→10 MW 級電站演示驗證與大部件研發→10 MW以上大型系統測試與商業化應用等階段[3]。”主要經費由美國能源部和海軍聯合投資，諾爾斯實驗室、桑迪亞國家實驗室、Echogen 公司等搭建了多個S-CO2循環發電試驗平臺，經過十多年的努力，近期將完成10 MW級船用發電系統的演示驗證，根據相關報道分析，在弗吉尼亞級試驗艇測試后的發電系統，其技術成熟度可超過7 級。同時在最近完成的10 MW的S-CO2布雷頓發電示范性電站基礎上，正在擴展到300 MW 的技術，分析不同功率下電站系統組件的技術特性，深入開展系統的可擴展性適用方案研究。據報道分析，美國期望在2035 年左右實現在1 000 MW 級大型超臨界二氧化碳循環發電的商業應用。

對攪拌頭偏置鋁合金板試件和偏置鎂合金板試件焊縫進行XRD檢測分析，結果表明焊縫中除了Mg、Al單相外還存在鎂/鋁金屬間化合物，主要包括Mg2Al3和Mg17Al12。結合鎂/鋁合金相圖可知，鋁/鎂元素比例滿足共晶相成分比例，溫度在450℃左右時，易出現Mg2Al3共晶組織；溫度在437℃左右時，易出現Mg17Al12共晶產物，而鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊焊接溫度也恰好在這一溫度區間，因而出現Mg2Al3和Mg17Al12金屬間化合物。鋁/鎂金屬間化合物的產生還可能與鋁/鎂材料粘塑性攪和時原子的擴散有關。

3 關鍵技術

S-CO2布雷頓發電的關鍵技術主要包括基礎理論研究、基礎材料應用研究、配套設備工程技術開發、系統集成等幾個方面。

1）系統多目標耦合優化。S-CO2在跨臨界區的熱物性參數呈現非線性劇烈變化，目前國內參照的大多是美國人提供的推算插值表，具體工程中使用誤差較大，嚴重影響系統參數準確配置和關鍵部件設計。因此研究跨臨界區CO2物性參數隨壓力、溫度的變化規律，研發跨臨界區CO2物性參數的高精度推算技術，是研究S-CO2布雷頓發電技術的基礎理論性關鍵。

2）高速高能量密度S-CO2渦輪機組研發。透平和壓縮機是S-CO2布雷頓循環中的關鍵部件。透平內部能量密度大、氣動和溫度載荷高；高效壓縮機的入口條件極近S-CO2臨界點，物性變化巨烈等。因此按照系統整體性能適配，通過熱力設計、氣動仿真優化、有限元與動力學分析等多種優化方法，建立成套S-CO2渦輪機組的熱力、氣動、強度、振動設計方法，獲得高效、寬穩態、高適應性的優化方案，使其設計便捷、快速、規范，適應多工況快速響應。同樣S-CO2渦輪機組的流場和強度，對制造工藝和材料有著非常苛刻的要求。

3）高效超緊湊換熱器件研發。換熱部件是影響S-CO2布雷頓循環效率的關鍵設備，系統對其有緊湊、高效、可靠等綜合要求，傳統換熱器件已不能滿足。目前國外使用的是印刷電路換熱器，它由不銹鋼板組成，內部通過刻蝕和特種工藝形成微通道，這種換熱器非常緊湊，且能承受住高溫和高壓。當前國內對此研究已取得相當理論和實物成果，小型實驗裝置可達到2 000 m2/m3水平，形成初步的制造工藝基礎。

4）高速電機系統研發。高速電機系統由高速發電機、并網變流器組成。電機轉速高達數萬轉，它將透平機械能轉化為電能，并網變流器通過整流和逆變進行并網；研發低噪聲的高速電機電磁和轉子結構，需要開發高效并網變流器、高速高魯棒性無傳感控制和低噪聲算法，設計高精度、低噪的高速軸承及設備冷卻等。

5）輔助器件與材料研究。S-CO2工質特點決定了該循環回路密封結構與材料有其特殊要求，尤其在高溫高壓狀態，為工程增加了實施難度；透平機用高溫、高壓、高速、高載荷軸承選型有待進一步實踐驗證，運行回路尤其是動部件的密封將會是難題之一；循環工質盡管化學性質穩定，腐蝕性弱，但由于回路長時間工作在高溫高壓環境下，加之局部部件高載荷條件，對其材料選用將十分苛刻，國外已在使用NiMoV 基合金材料取得了實用性技術成果。

6）全工況精確控制技術。S-CO2布雷頓循環的高效率是建立全運行回路工質無相變，和壓縮機入口CO2處于超近臨界狀態，在保證前述條件的前提下，當需要出現工況變化時，整個循環系統和部件運行參均要適時做出相應調整，外部實施干預和精確調節是必須的，盡管計算機輔助控制技術已相當成熟，但需要多次仿真擬合，才能使系統控制方案達到最優。S-CO2動力裝置有別于朗肯循環和燃氣輪機的循環，可借鑒的成熟經驗和試驗數據較少，研究難度極大。因此，需要開展穩定運行與變工況下動態特性及控制策略研究，獲得豐富的試驗數據和系統運行規律，界定安全穩定工作區域，提出最優的控制策略，實現在滿足超溫、超速、喘振等安全裕度情況下機組的快速響應。

4 應用前景

S-CO2布雷頓循環發電其固有技術特點，與目前工業科技基礎密切結合，可以預測不久將來會廣泛應用于各型發電領域。

1）首先會在低品質熱源發電領域推廣。低品質熱源主要指是工業余熱和低溫地熱，盡管這些熱源的品位較低，但自然界中儲量巨大，其中一小部分得到利用，對人類也是一個非常可觀的存量，環保意義非凡。低品位熱源通常指那些溫度低于300 ℃各類熱能，但S-CO2布雷頓循環在此溫度仍能有效適用，且裝置體積小，便于安裝。

與太陽能熱結合可提升電站運行效益。2015年美國能源部授予西南研究院（SwRI）適用于光熱發電的高效S-CO2循環項目，該項研究有助于實現6 美分/千瓦時的光熱電成本SunShot 計劃，整體系統建造成本在1 200 美元/千瓦以下，預計這套光熱發電S-CO2動力系統轉化效率可接近50%。2018 年開工建設的10 MW 示范電站，于今年上半年建成投入運行，并正在開展100 MW級光熱電站技術拓展。

3）改善化石能源的發電效率。國際能源署（IEA）在《21 世紀的煤炭》報告中總結了4 種未來煤炭利用技術，S-CO2布雷頓循環發電技術位列其中。中國華能已將該技術做為國內存量燃煤熱電廠后期升級改造技術儲備。據測算100 MW級S-CO2發電技術可使傳統化石燃料發電的電站的運行效率提高2%～4%，相當于每年減少1 400 萬輛汽車的二氧化碳排放量。S-CO2布雷頓循環發電不僅可提升效率，而且由于采用閉式工質循環，可使火電廠節省大量水資源。

4）與核堆熱源是絕佳匹配。S-CO2布雷頓發電采用閉式熱功循環，這決定了它與核堆熱源結合具有得天獨厚的優勢。目前國外相關的研究也主要以核堆為應用對象，包括各種金屬堆和熔鹽堆等，它可以使電站一回路與二回路間熱交換大大簡化，占用空間大幅縮減。除效率高、體積小等優勢外，與二回路采用蒸汽系統相比在安全性上有極大的改善。韓國已對KALIMER-600 示范快堆電站開展建造；美國麻省理工學院提出了反應堆額定熱功率為2 400 MW 的再壓縮S-CO2發電總體方案，熱效率可達51%，凈效率為47%。根據美國能源部的研究規劃和相關進展，20 年內再壓縮S-CO2布雷頓循環在大型核電站二回路中得運用將成為現實。

5）軍事應用優勢突出。首先是因為S-CO2布雷頓循環效率、體積、噪聲等特點，人們自然會考慮應用到艦船、潛艇和兵器裝備上，使其在同等燃料量前提下，航行更遠、噪聲更低、運行更安全，另外利用其余熱發電還可在大型水面艦艇上進行熱特征信號消噪功能；其次小型核堆與S-CO2布雷頓循環系統結合，組成移動電站用于宇航、航空、島礁、洞庫、特定移動戰場等軍用場合成為現實；再者是用于水中兵器動力裝置，由于S-CO2布雷頓是閉式循環，潛航深度對動力運行效率幾乎沒有影響，這對熱動力水中兵器是夢寐以求的目標。其實隨著S-CO2布雷頓循環設備技術成熟和小型化，它的軍事用途還將更加廣泛。

5 建議

S-CO2布雷頓循環動力在我國是一種全新的的工程領域，盡管有著現代控制、新型材料等基礎科技支撐，但要實現與工程有效對接尚需做大量研究工作。

1）加強基礎理論研究。S-CO2流體特性研究是布雷頓發電工程技術開發和應用的基礎。在S-CO2布雷頓循環系統中各主要部件和系統控制設計中，對S-CO2流體基本物性規律的認知與掌握將直接影響壓縮機和透平機內流道及換熱器微通道參數匹配。另外，利用計算機開展系統仿真分析和輔助設計，能夠大幅度降低技術開發成本。基礎理論研究會強有力助推S-CO2布雷頓發電技術的研發。

2）加大基礎技術研究。S-CO2布雷頓發電工程涉及重多機電學科基礎技術，如壓縮機、動力渦輪、高緊湊高效換熱器會涉及精密制造技術、特種工藝和材料，所需要的大載荷高速軸承、動載機械的隔熱與密封、耐高溫高壓腐蝕材料等特種器材和材料，均是我國制造工業的短板；S-CO2布雷頓循環計算機控制和輔助設計在我國當前也是一個全新領域。因此要推動我國S-CO2布雷頓循環發電技術的研究和應用，需要系統總成技術與配套基礎技術并行投入，否則無法協調發展。

3）引導工程應用開發。對于該項新技術，需要特殊應用場景和特定用戶積極引導，支持開展預先技術研究和演示驗證工程，通過開展從單機到系統、從小功率到大功率，從特定場景到普遍規律，逐步技術拓展和工程積累，再進而應用推廣。

4）期待國家產業政策。S-CO2布雷頓循環發電技術，是未來核能、化石、太陽熱等能源電站技術升級必由之路，希望獲得國家產業政策支持和引導，期待通過政府指導、技術引入、軍民融合等方式推動其發展。同時通過S-CO2布雷頓循環系統發電技術發展牽引，進而促進我國基礎工業、制造技術和工藝水平的提升。

6 結論

作為一種優勢明顯的新型的能源動力輸出結構形式，S-CO2布雷頓循環發電技術已從理論上證實了其技術路徑的可行性，有望成為“明日之星”，引領未來動力行業的發展。但從現有的工程實現能力看，由于受到工業技術基礎、加工制造能力等因素的制約，其原理樣機的試制驗證乃至長遠的工程化應用中，還需要克服一系列的技術困難，需要科技創新和產業升級的進一步扶持聚焦。