基于超臨界二氧化碳的動力系統及多聯產系統研究進展

李銘 張海軍 王夢軒 王子彥 程上方 王江峰

（1 國能長源漢川發電有限公司 湖北漢川 431614 2 西安交通大學 陜西西安 710049）

0 引言

能源是人類社會活動的物質基礎。從某種意義上來說，人類文明的發展史就是一部能源利用史。迄今為止，人類社會經歷了4 種能源利用形態：從原始社會的薪柴時代到16 世紀初的煤炭時代，再到20 世紀開始的油氣時代，到現如今的多能源時代。然而，當今世界能源消耗仍以化石燃料為主，其中化石燃料約占70%的比例。作為人口大國，我國自2010 年起能源消耗量已超美國，現今約占全世界的1/5。但從人均擁有量來看，我國又是一個資源嚴重匱乏的國家，人均資源占有量遠遠低于世界平均水平。除此之外，我國工業產品的能耗也遠遠高于工業發達國家，這導致了更為嚴峻的能源形勢。目前，我國能源利用效率為33%，較發達國家低10%。如何優化能源結構、減少環境污染并提高能源利用率，推動我國經濟、社會和生態可持續發展，已成為當前我們所面臨的重大挑戰。

1 多聯供系統介紹

冷熱電聯供（combined cooling，heating and power，CCHP）系統是近年來新興的1 種能源供應系統，通過能量逐級利用，可同時向用戶提供電力、制冷、采暖和生活用水等多種形式的能源，將能源利用效率從普通熱電效率的40%～58%提升至70%～90%［1］，實現了一次能源的高效利用，減少了污染物的排放。同時，CCHP 系統可與多種能源形式耦合互補，包括天然氣等化石能源、核能、太陽能、地熱能、生物質能、余熱余氣以及燃料電池等［2］。此外，由于靠近用戶端，CCHP 系統可就近供能，減少了傳輸距離，極大地降低了能源在傳輸過程中的損耗，減少了各能源系統的綜合投資成本和運行管理代價，具有節能減排、供電可靠、調度靈活、可緩解電網壓力等優點［3］。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環系統研究進展

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，S-CO2）布雷頓循環以S-CO2作為循環工質，是目前眾多高效、環保的發電技術中備受矚目的一項。CO2作為1 種廣泛存在于自然界中的物質，具有化學性質穩定、安全性高、成本低廉以及易于獲取等優點，且易達到臨界條件。當CO2的溫度達到31.1 ℃、壓力達到7.38 MPa 時將變為超臨界狀態。S-CO2是1 種理化性質介于氣體和液體之間的特殊流體，具有流動性好、可壓縮性小、摩擦損失小、傳熱效率高等優點，適用于熱力循環［4］。

與其他同類型熱力循環的工質相比，S-CO2是1 種非常稠密的流體，具有液體特性，高密度所帶來的強大做功能力使得其透平的尺寸是蒸汽朗肯循環的1/10，系統整體尺寸相對減小了1/4［5］；同時也兼具氣體特性，低黏性和低壓縮系數分別使得系統摩擦損失、循環損耗和壓縮過程中的壓縮功減小。此外，CO2臨界溫度和壓力遠低于水的臨界點，易達到超臨界狀態，有利于工程應用，并且通?？梢酝ㄟ^循環系統中的常溫水冷卻。在臨界點附近，CO2的物性對溫度和壓力也具有極大的敏感度，即溫度和壓力的微小變化會使得其比焓和比熱等物性劇烈變化，如圖1 所示。例如對于比焓而言，當壓力在7.5～8 MPa時，CO2工質比焓的減小幅度突然增大，且比焓突變的幅度隨著溫度的增加而逐漸減緩，在32～35 ℃時其突變較為明顯；對于比熱而言，在壓力為8 MPa、溫度在臨界溫度附近時，CO2工質定壓比熱容存在急劇增大的趨勢。

圖1 CO2 在臨界點附近的物性變化規律

S-CO2布雷頓循環具有原理簡單、結構緊湊、功率密度高以及熱效率高等顯著優點，因此燃煤火力電廠、太陽能光熱發電廠、先進核動力系統等都嘗試采用S-CO2布雷頓循環作為新型動力循環系統［6］。對于核反應堆中的S-CO2布雷頓循環，最簡單的系統流程圖如圖2 所示，主要由熱源、透平、壓縮機、回熱器和冷卻器組成。直接循環條件下的熱源是堆芯，間接循環條件下的熱源是反應堆一、二回路間的換熱器［7］。低溫低壓的CO2工質，經壓縮機升壓后，通過回熱器和熱源逐步吸收熱量，變為高溫高壓的CO2工質進入透平膨脹做功并驅動電機發電；做完功后高溫低壓的乏氣經回熱器與冷卻器逐步冷卻，最后再次進入壓縮機完成整個閉式循環。由于該循環可以將壓縮機進口溫度控制在工質的擬臨界溫度附近，使CO2工質密度增大，壓縮性較好，從而降低了壓縮機耗功，提高了循環熱效率。

圖2 簡單S-CO2 布雷頓循環流程圖

與蒸汽朗肯循環相比，S-CO2布雷頓循環在773～1 173 K的透平進口溫度范圍內極具優勢，并且可以在較高的透平進口溫度下安全運行［8］。此外，S-CO2布雷頓循環可以利用化石燃料、核反應堆、太陽能、地熱能和工業廢熱等多種熱源［9］，還可以與各種循環耦合形成1 個復合系統。例如燃氣輪機的排氣溫度約為773～873 K，S-CO2布雷頓循環可作為其底循環，通過分段利用其余熱來降低最終排氣溫度并提高能源利用效率［10］。除此之外，S-CO2布雷頓循環還可以通過添加底循環，如有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）或跨臨界二氧化碳（Transcritical Carbon Dioxide，T-CO2）循環，進一步提高其效率。BESARATI 和GOSWAMI［11］對3 種不同類型的S-CO2布雷頓循環/有機朗肯循環進行了熱力學分析和比較。結果表明，采用最簡單的S-CO2布雷頓循環結構作為頂循環可以獲得最大的效率增量。然而，整個系統的最高熱效率是通過S-CO2再壓縮布雷頓循環（Supercritical Carbon Dioxide Recompression Brayton Cycle，SCRBC）/有機朗肯循環實現的。AKBARI 和MAHMOUDI［12］通過和經濟分析研究了SCRBC/ORC 組合。他們得出結論，與單一S-CO2再壓縮布雷頓循環相比，聯合循環的效率可提高11.7%，并且聯合循環的總產品單位成本比單一循環低5.7%。WANG 和DAI［13］比較了T-CO2循環和ORC 作為SCRBC底循環的熱力學和經濟學性能。他們發現，T-CO2循環的熱力學性能更好，而經濟性能更差。WANG 等［14］對SCRBC/TCO2循環的性能進行了熱經濟學分析。結果表明，單位凈發電量的投資成本比單一S-CO2再壓縮布雷頓循環高6%。WANG等［15］還對2 種不同配置的S-CO2布雷頓循環和底部T-CO2循環進行了熱力學比較和優化。他們得出結論，通過添加T-CO2循環，S-CO2布雷頓循環的再壓縮和簡單配置的熱效率可分別提高10.12%和19.34%。

S-CO2布雷頓動力循環技術的探索始于20 世紀50 年代，隨后進行了大量論證與研究工作，然而受到當時設備材料和加工制造水平的限制，結構緊湊的透平機械和高效換熱器無法實現落地，技術驗證受到了極大的阻礙，導致S-CO2動力循環技術未能深入發展。直到2007 年，美國基于科技、工業能力再次評估了該技術，并開始著手研發相關透平機械。隨后，韓國、日本、中國等國相繼開啟了對S-CO2布雷頓動力循環技術的研究。

美國在S-CO2布雷頓動力循環研究領域起步最早、技術最成熟，目前是該項技術的引領者。自2008 年起，美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory，SNL）［16］分別完成了超臨界CO2簡單壓縮循環、超臨界CO2回熱式布雷頓循環和超臨界CO2再壓縮式布雷頓循環系統試驗臺的搭建及測試工作，成功進行了簡單壓縮循環、回熱循環和再壓縮循環試驗，對循環系統及透平、壓縮機、換熱器和軸系等設計方案的可行性進行了論證，并研究了循環工質參數的控制策略。在SNL 的再壓縮試驗系統中，采用了2 組透平和壓縮機并列的布置形式，系統熱源為電加熱，高低溫回熱器均為印刷電路板式換熱器，工質質量流量為5.77 kg/s，實際運行轉速為52 000 r/min，透平進口溫度為538 ℃，壓比為1.8，系統輸出功率為250 kW，循環效率為32.1%。

2012 年，美國貝克特爾船舶推進公司（Bechtel Marine Propulsion Corporation，BMPC）與貝蒂斯原子動力實驗室（Bettis Atomic Power Laboratory，BAPL）及諾爾原子能實驗室（Knolls Atomic Power Laboratory，KAPL）［17］聯合搭建了適用于核動力艦船推進的S-CO2簡單回熱布雷頓循環系統試驗平臺。該裝置的動力部分采用雙軸布置，由1 臺可變速透平驅動壓縮機和1 臺恒定轉速透平驅動電機組成。系統在透平進口溫度為300 ℃時的額定輸出功率為100 kW，循環效率可達到12.5%。

美國Echogen 公司在2014 年建成了世界上首臺兆瓦級商用超臨界CO2發電機組EPS100。EPS100 采用雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環系統，適用于熱源溫度為500～550 ℃范圍內的工業余熱回收利用，其設計功率等級為7～8 MW，流量范圍在65～70 kg/s 之間。該機組的測試數據證實了使用S-CO2布雷頓循環取代傳統蒸汽循環的技術可行性，該技術可大幅降低安裝、運行和維護成本，機組的輸出功率也得到進一步提升?；谝訣PS100 系統為基礎的SunShot 試驗計劃，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（National Renewable Energy Laboratory，NREL）［18］于2017 年9 月建立了基于太陽能的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。

韓國緊隨美國之后，在S-CO2布雷頓動力循環系統研究領域同樣處于領先地位，先后搭建了多個不同類型的試驗平臺，成功進行了系統運行的可行性驗證，穩態及瞬態性能和控制系統的測試，透平機械、換熱器、軸承和密封的性能評估等，目前正朝著更大功率等級的方向前進。從2013 年開始，韓國能源研究院（Korea Institute of Energy Research，KIER）先后搭建了簡單無回熱循環、簡單回熱循環和S-CO2布雷頓循環試驗平臺并進行了相關研究。在KIER 搭建的120 kW 等級用于余熱回收利用的S-CO2布雷頓循環系統中［19］，測試系統由2 個透平、1 個壓縮機、2 個回熱器和1 個加熱器構成。在透平進口參數為205 ℃/10 MPa 的條件下，系統輸出的電功率達到了11 kWe，并且整個循環系統持續穩定地運行了45 min。

日本東京工業大學（Tokyo Institute of Technology，TIT）［20］在2012 年搭建了10 kW 級簡單回熱S-CO2布雷頓循環試驗平臺。當轉速為69 000 r/min，CO2質量流量為1.1 kg/s，壓比為1.41 時，系統的凈輸出功率達到了110 W，此時透平和壓縮機的等熵效率分別為65%和48%，回熱器效率達到95%。之后TIT 成功設計了針對核反應堆的S-CO2布雷頓循環系統，采用了多級壓縮級間冷卻技術，額定功率為600 MW，系統效率為45.8%；他們還建立了用于太陽能光熱發電的S-CO2布雷頓循環系統，發電效率可達48.2%［21］。

我國在S-CO2布雷頓循環發電領域起步較晚，相關研究主要集中在對系統及關鍵部件進行參數優化和數值模擬，對S-CO2動力循環實驗系統的整體性試驗較為匱乏，但是發展較為迅速。中科院工程熱物所［22］自2016 年開始對兆瓦級超臨界CO2發電技術開展有關研究，在2018 年9 月建立了我國首座大型S-CO2離心壓氣機試驗平臺。在透平進口參數為34 ℃/8.347 MPa，流量為12.806 kg/s，轉速為32 000 r/min 時，等熵效率為68.4%，壓比為1.96，低于設計值2.5。2021 年12 月，研究所成功建立了兆瓦級一次回熱式S-CO2布雷頓循環發電機組，該系統由燃氣鍋爐提供熱源，采用2 級壓縮和2 級膨脹做功；2022 年7 月，他們在河北衡水基地完成了實驗機組壓縮機-鍋爐聯合調試，鍋爐系統達到設計指標。

華能西安熱工院［23］5 MW 級S-CO2循環發電試驗機組于2021 年12 月正式投運，該試驗平臺采用再壓縮式和一次再熱相結合的動力循環系統，凈效率可達到33.49%。初步設計中，高壓透平進口參數為600 ℃/20 MPa，在綜合考慮循環效率和鍋爐結構設計的基礎上，低壓透平的進口工質壓力設定為14.6 MPa，主壓縮機進口參數為35 ℃/7.9 MPa，透平和壓縮機的等熵效率設定目標值分別為82%和77%。由于透平機械的尺寸較小，冷卻流量消耗過大，實際情況下壓縮機效率僅為72.01%，而透平效率為77.07%至79.21%。

此外，中國船舶集團七一一所聯合上海電氣電站集團等多家單位共同完成了300 kW 級S-CO2布雷頓循環發電系統原理樣機的研制，攻克了系統總體設計及性能仿真、壓縮機—透平一體化設計、高效流動及換熱、高速高壓軸端密封、關鍵部件制造工藝等多項關鍵技術，于2021 年12 月成功試車并發電；中國核動力研究設計院開展了1 MW 級S-CO2簡單回熱式布雷頓循環發電試驗機組的研究，近期已完成了全系統的滿功率穩定運行；清華大學核能與新能源技術研究院進行了S-CO2再壓縮布雷頓循環的分析和改進研究；西安交通大學在S-CO2熱物性、換熱、透平機械和控制方案等方面具有相當深厚的研究基礎；華北電力大學開展了針對S-CO2換熱、腐蝕、材料選型等方面的基礎研究。

3 超臨界二氧化碳多聯產系統研究進展

隨著社會經濟和各項技術的不斷發展以及居民生活質量的不斷提升，單一的發電系統已經不能滿足人們日益增長的能源種類需求。目前，用于制冷應用（例如制冷、空調等）的總用電量已占全球發電量的15%，預計到2050 年，總制冷量的需求將增加10 倍［24］。此外，在發電廠中，相較于將高品位電能直接轉化為供熱和制冷，將廢熱轉化為供熱或制冷可以獲得更好的性能收益［25］。為了滿足用戶對能源品種多樣化的需求并提高能源利用率，冷熱電三聯產系統越來越受到人們的關注，近幾年逐漸成為研究熱點。它是建立在能量梯級利用基礎上，將制冷、供熱和發電一體化的多聯產總能系統。與分產系統相比，提高了能源利用效率，減少了污染物和二氧化碳的排放。

近年來，美國、歐洲和日本都分別制定了一系列鼓勵政策，大力發展聯供產業，如美國提出 “CCHP創意”和“CCHP2020 綱領”，日本規定CCHP 系統的上網電價高于火力發電，德國規定對總效率達到70%以上的電廠免征天然氣稅，法國對1 MW 級以上的熱電聯產項目給予市場最高補貼幅度、低于300 kW 的熱電聯產項目則以稅惠形式給予支持，丹麥政府規定對所有熱電聯產項目提供年利率2%的優惠貸款、對所有使用天然氣的熱電聯產電廠給予30%無息貸款，歐洲委員會出臺的政府環保和能效援助指南在一定條件下允許成員國為高效熱電聯產項目給予援助等。

典型冷熱電聯產系統一般包括動力系統、供熱系統和制冷系統。動力系統的原動機主要有蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機、斯特林機、燃料電池等，供熱系統主要通過換熱器將熱量輸出給熱用戶，制冷系統包括壓縮式、吸收式和吸附式3 種。壓縮式制冷因采用傳統的制冷循環，相關技術較為成熟。吸收式制冷已基本形成產業化，并具有較大規模，而吸附式制冷機還處于實驗室階段，全面商業化還需要一個過程。

WU 和WANG［26］對冷熱電三聯產系統進行了廣泛深入地綜述，系統地討論了幾種原動機的特點以及現有的多種冷熱電三聯產循環的設置。MOUSSAWI 等［27］根據原動機、規模和能量順序使用情況，對不同類型的三聯產系統進行了分類；根據能源、、經濟性和環境措施，對此類系統的評估標準進行了綜述，并對其設計、優化和決策中使用的方法進行了研究分析；提出了根據具體需要選擇合適冷熱電聯供系統的一般方法。許多學者也對這些冷熱電三聯產循環系統從熱力學、經濟性、系統優化和運行角度進行分析研究，以期提高能源利用效率。但是這些冷熱電聯供系統大都需要消耗化石燃料，并且產生一定量的污染物排放。為了減少一次能源的消耗，降低污染物向環境中的排放，有必要高效經濟地開發利用太陽能、核能等清潔能源來實現冷熱電聯供系統，以滿足用戶對能源品種多樣化的需求。因此，有學者開始探索采用可再生能源和核能來實現冷熱電聯供系統。

然而，與穩定可控的化石能源相比，可再生能源資源分散，受氣候、時間、季節等因素變化明顯，在供給側的二次能源產出方面呈現出不穩定、不連續、成本過高、效率低下等問題，這已成為制約可再生能源大規模推廣應用的主要難題［28］。核能作為1 種能量密集、清潔污染小、成本低、穩定可控的能源形式，在新型高效能源體系中扮演著舉足輕重的角色，是人類未來發展最具希望的清潔能源之一。S-CO2布雷頓循環被認為是1 種非常有前景的第四代核反應堆能量轉換系統，而之前的聯合循環研究均未對基于S-CO2布雷頓循環的CCHP 系統的可行性和實用性進行過調查。根據英國石油公司發布的2020 年《世界能源統計評論》，供熱和制冷的需求同時增加。因此，建立基于S-CO2布雷頓循環的冷熱電聯供系統是1 個更具吸引力的余熱回收方案，可以同時滿足制冷、供熱和電力的需求。

WANG 等［29］首先提出了1 種新的冷熱電聯供系統，將SCO2布雷頓循環和T-CO2制冷循環與噴射器膨脹裝置相結合，利用太陽能提供熱動力驅動。通過分析關鍵熱力學參數對系統性能的影響，發現提高透平背壓和透平進口溫度或降低透平進口壓力和噴射器進口溫度能提高系統效率。為了進一步提高系統性能，XU 等［30］在WANG 工作的基礎上，通過增加抽汽式透平，將S-CO2布雷頓循環和跨臨界噴射式制冷循環相結合，提出了1 種帶抽汽透平的改進型CCHP 系統。參數分析和分析的結果表明，抽汽透平有助于獲得更多的制冷量，在所考慮的條件下，改進后的系統效率從10.4%提高到22.5%。此外，隨著透平進口溫度的升高，透平功率輸出和效率也顯著增加。然而，這些CCHP 系統使用簡單的S-CO2布雷頓循環將熱量直接轉化為電能，從而導致了效率低于32%，并且上述系統是設計用于低溫或中溫應用，這些缺點是核電站等大規模電力應用所不能接受的?；诖?，為了實現核能的梯級利用，FAN 等［31］提出了1 種將S-CO2布雷頓 循環、ORC 和噴射式制冷循環（ejector refrigeration cycle，ERC）相結合的冷熱電聯供系統。參數分析結果表明，ORC 透平背壓的降低或S-CO2透平進口溫度和ERC 蒸發溫度的升高對設計熱力性能和經濟性能的提升均有幫助。此外，他們通過遺傳算法進行多目標優化，以獲得最優設計性能。在最佳條件下，與單一SCO2布雷頓循環系統相比，CCHP 系統的效率提高了9.17%，產品單位總成本降低了5.05%。

LI 等［32］提出了1 種由S-CO2再壓縮布雷頓循環和T-CO2制冷循環組成的新型聯合供冷系統。在新系統中，S-CO2再壓縮布雷頓循環中通過再壓縮機的工質部分被T-CO2制冷循環中的制冷壓縮機出口工質所替代。他們從熱力學角度對聯供系統和分離系統的性能進行了比較和優化。計算結果表明，聯供系統相較于分離系統的優勢隨著冷卻能力的增加和蒸發溫度的降低而增加；當蒸發溫度分別為273.15 K 和253.15 K時，聯供系統的效率分別比分離系統高2.45%和5.87%。S-CO2布雷頓循環還可以利用太陽能、地熱能、核反應堆、船用余熱和工業廢熱等多種熱源?；诖?，MANJUNATH 等［33］提出了1 種新型的船用平臺余熱回收冷電聯供系統。該系統由S-CO2再壓縮布雷頓循環和T-CO2制冷循環組成。他們建立了聯合循環的熱力學模型，并對其進行了詳細的參數分析后發現，所提系統的熱效率和效率分別比滿負荷時的獨立頂級燃氣輪機提高了近34%和30%。YU 等［34］以回收船用余熱為目標，提出了1 種耦合S-CO2布雷頓循環和T-CO2制冷循環的聯合系統，該系統可同時產生動力和冷卻。為了緩解回熱器的溫度失配，有效利用制冷循環中排出的熱量，低溫回熱器和氣體冷卻器由動力循環和冷卻循環共用。他們對這種新型的余熱回收系統進行了能量、和經濟分析，并研究了氣體冷卻器壓力、蒸發溫度和透平進口溫度等關鍵循環參數對系統性能的影響。結果表明，在設計條件下該系統的熱效率和效率分別為42.42%和39.05%。HOU 等［35］提出了1 種以船用燃氣輪機余熱為動力的冷熱電聯供系統。該系統包括1 個蒸汽發生器、1 個S-CO2再壓縮布雷頓循環和2 個T-CO2制冷循環。對S-CO2再壓縮布雷頓循環、T-CO2制冷循環和整個系統進行了熱力學和經濟性綜合分析?？紤]到經濟成本和緊湊性對船舶的重要性，提出了以產品單位總成本和單位輸出總換熱面積作為系統優化的目標函數對系統參數進行多目標優化，所得的產品單位總成本和單位輸出總換熱面積的最優值分別為10.052 6 $/GJ 和0.175 5 m2/kW。

為了回收內燃機排氣和夾套水的余熱，實現高溫廢氣中能 量的梯級利 用，HUANG 等［36］提出了1種由S-CO2布雷頓循環、雙壓有機朗肯循環和噴射式制冷循環組成的冷電聯供系統。他們建立了該系統的熱力學模型，并進行了經濟學分析，評估了S-CO2布雷頓循環透平進口溫度和進口壓力、ORC透平高壓側和低壓側進口溫度和噴射器一次進口壓力等7 個參數的影響。采用遺傳算法進行單目標優化，以獲得系統產品的最小平均成本。結果表明，S-CO2布雷頓循環透平進口和ORC 透平進口高壓側和低壓側壓力的增加有助于降低系統產品的平均成本。

為了開發利用太陽能、地熱能、工業余熱等低品位熱能，高垚楠［37］等提出1 種以CO2作為工質的冷熱電聯供系統，通過共用氣體冷卻器的方式將S-CO2布雷頓循環和T-CO2壓縮式制冷循環進行耦合。他們建立了該系統的熱力學數學模型，并對其運行工況進行了數值模擬，隨后在此基礎上對系統進行了熱力學參數敏感性分析，獲得了透平進口壓力、透平出口壓力、透平進口溫度、蒸發器壓力和發電循環與制冷循環CO2流量比5 個熱力參數對系統性能的影響。

4 結語

綜上所述，目前關于S-CO2動力系統的理論研究日趨成熟，部分研究機構已開展低功率等級的試驗研究。為滿足用戶的多種能量需求，將S-CO2動力系統與冷熱電聯供系統結合可進一步減少化石能源的消耗，降低污染物向環境中的排放。并且學者們傾向于采用清潔能源來實現冷熱電聯供，側重于從熱力學、經濟性、系統優化和系統運行的角度進行分析研究，以期提高能源綜合利用效率。因此，關于S-CO2動力系統及冷熱電聯供系統的研究可著重于解決當前能源需求現狀，通過構建多聯供系統提升清潔能源總體利用效率，以助力實現“碳中和”的目標。