超临界二氧化碳发电的技术综述屈会格

超临界二氧化碳发电的技术综述屈会格

屈会格

(山东电力工程咨询院有限公司山东济南250000)

摘要：超临界二氧化碳发电技术是以超临界二氧化碳作为布雷顿热力循环工质来发电的技术。超临界二氧化碳循环发电技术具有诸多优点，在民用及军用（尤其是舰船）领域受到极大关注。

关键词：超临界；二氧化碳发电；技术综述

1超临界二氧化碳循环原理及特点

布雷顿循环的基本原理是气体工质经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以及等压冷却4个过程，如图1所示。同使用水为循环工质的朗肯循环相比，布雷顿循环效率更高，尤其是选用超临界工质时，工质不发生相变，可大幅减少压缩机耗功，因此可极大程度地提高循环效率。

图1布雷顿循环p－V图

对于布雷顿循环，优良的循环工质是关键。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态，超临界二氧化碳就是二氧化碳工质的温度和压力超过临界点(7．38MPa，31℃)后的状态，如图2所示，此时气液两相性质非常接近，其独特特点为:(1)密度与液体接近，比气体大2个数量级;(2)黏性与气体接近，比液体小2个数量级，因此易于扩散，可减少系统循环损耗;(3)传热效率高，做功能力强;(4)压缩性好，系统设备结构紧凑、体积小;(5)腐蚀性小于水蒸气;(6)无毒无害，化学性质稳定，且不可燃烧;(7)制备容易，廉价易得。综合以上特性，超临界二氧化碳是十分理想的循环工质。超临界二氧化碳布雷顿循环原理如图3所示。核心部件为压缩机、透平、发电机、热交换器、回热器和预冷器等。循环过程中，工质始终处于超临界态，低压工质首先进入压缩机升至高压，经回热器吸收透平排出工质的热量，再经热交换器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平做功推动发电机工作，透平排出的工质经回热器释放部分热量，最后经预热器冷却后进入下一个循环过程。

2发展历程及前沿技术

超临界二氧化碳发电系统的研究最初开始于二十世纪四十年代，六七十年代取得了阶段性成果，Angelino和Feher首先证明了在闭式布雷顿循环中使用超临界二氧化碳作为循环工质，存在一个最佳循环温度范围，可以使系统在压缩功最小时达到最高的循环效率。在随后的研究中，由于当时动力机械的设计水平不够成熟、动力系统的关键部件—换热器的制造水平无法满足总体循环要求等诸多原因，超临界二氧化碳发电系统并未获得实质性进展。直到2003年，美国能源部核能办公室率先启动了超临界二氧化碳循环的评估工作，在Sandia国家实验室的组织下，麻省理工学院对应用于核能发电的超临界二氧化碳循环可行性、热力学性能、经济性、核心部件选型、系统总体布置、控制方式等进行了分析，证明该循环方式是提高循环效率的最佳循环方式并具有可行性，这项工作被认为是超临界二氧化碳循环研究再度兴起的源头。Knolls原子能实验室联合Bettis原子能实验室共同完成了100kW级超临界二氧化碳动力循环系统整体试验平台的设计与搭建，如图4所示。

图4诺尔斯和贝蒂斯实验室超临界

二氧化碳动力循环系统试验平台

2010年，Sandia国家实验室联合BarberNicholsInc公司完成了250kW超临界二氧化碳分流再压缩式布雷顿循环装置的演示验证装置，装置共2套如图5所示，并进行了压缩机特性、透平部件、起动特性、平衡发电技术、管路、气膜轴承、密封件、二氧化碳混合循环工质的试验如图6所示，为后续研究积累了大量经验和数据。随后，该实验室还建成了机组功率125kW、涡轮机转速7500r/min的试验装置，系统计算了各关键部件的能量损失及分配情况;研发了发电效率50%以上、相同功率等级时体积仅为传统蒸汽循环设备1/30的超临界二氧化碳布雷顿循环涡轮机。2016年10月，美国能源部批准了为期6年的10MW闭式循环超临界二氧化碳动力循环实验装置建设项目，投入达8千万美金，计划实现透平入口温度700℃、循环效率50%以上的目标。近年来，美国不断加大投入，正在加快推进超临界二氧化碳动力循环发电技术的发展，技术成熟度已达到较高级别，距离商业应用已为期不远。除美国外，韩国先进科技研究所(KAIST)也进行了超临界二氧化碳循环试验系统的深入研究，规划了从压缩机试验到简单回热循环试验，最后实现再压缩循环试验的研究路线，现已搭建完成超临界二氧化碳压缩试验台，如图7所示。韩国先进科学技术院与Khalifa大学对超临界二氧化碳循环系统中动力部件的设计方法进行了联合研究;韩国首尔大学Cha等人对超临界二氧化碳透平进行了设计研究。日本东京工业大学的Y．Muto等学者开展了超临界二氧化碳循环应用于火力发电的研究，并完成了300MW电厂的系统设计及关键部件的初步设计，如图8所示。法国EDF公司的Moullec提出了超临界二氧化碳循环用于粉煤燃烧火力发电的概念电厂，并可结合二氧化碳捕集，如图9所示。

二氧化碳透平和压缩机样机

参考文献:

[1]赵德材,秦政,刘惠民.超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析[J].能源与节能,2018(06):2-6.

[2]黄雯旭.超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环参数分析[D].中国科学技术大学,2018.