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GEDI ｜ 南方能源建设
新技术 ‖ 超临界CO₂布雷顿循环
郑开云
上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
近年来，采用超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，S-CO₂）作为工质的动力循环在全球范围内逐渐成为研究热点，其优良特性对节能减排和新能源产业（尤其是太阳能热发电和核能）具有颠覆性的意义，应用前景十分广阔。本文邀请了《南方能源建设》特约作者郑开云博士，介绍了一种新型发电技术——S-CO₂发电技术的基本情况、关键技术、潜在应用领域，以及全球范围和国内对此技术的研究现状与进度。
S-CO₂和布雷顿循环
蒸汽循环（锅炉 汽轮机组）是最常见的发电方式，该系统中采用水（蒸汽）作为工质。水经给水泵升压后进入锅炉吸热，生成高温高压蒸汽，然后进入汽轮机膨胀做功，并推动发电机运行。水的临界点温度为374℃(647 K)、压力为22MPa（220 bar）。目前火电机组的主流技术为超临界和超超临界参数，最先进的超超临界火电机组的运行温度高于620℃，压力高于31MPa。
与水相似，CO₂也是一种优良的天然工质，常用作制冷剂。CO₂化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，易获得。S-CO₂是指温度和压力均在临界值（T= 30.98℃、P=7.38MPa）以上的CO₂流体，将其用来做动力循环的工质，它能在很小的体积内传递很大的能量，且在工程实现上比水更容易达到超临界状态。S-CO₂循环发电具有环境友好、热效率高、经济性好等特点，是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向，是一项将带来发电变革的新技术。
CO₂相图
以S-CO₂为工质的动力循环在500~700℃温度下热效率可达40%~55%，高于蒸汽循环3~5个百分点，同时，该循环系统具备更高的紧凑性，其透平机械的体积可降至汽轮机的10%以下，由此带来更好的经济性。S-CO₂循环系统适用于工业余热利用、核能发电、太阳能光热发电、化石燃料燃烧发电等诸多能源利用领域以及舰船、坦克等动力装备，具备非常广阔的商业前景和重要的国防军事意义。
S-CO₂透平与蒸汽透平尺寸对比
布雷顿循环是一种典型热力学循环，它以气体为工质，先后经过绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。和传统的蒸汽朗肯循环相比，布雷顿循环具有更高的循环效率，并且当工质处于超临界状态时，由于避免了工质相态的改变，减少了压缩功的消耗，它的循环效率能得到很大的提升。S-CO₂循环系统主要由压缩机、透平、发电机、加热器、回热器、预冷器等组成，基本的工作流程为：低温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，再经加热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。S-CO₂循环有多种循环布置方式，其中分流再压缩循环的效率最高，最具发展前途。
分流再压缩S-CO₂循环
由于S-CO₂流体具有独特的性质，采用S-CO₂布雷顿循环作为发电系统的热力循环系统，还具有以下优点：
1）系统具有更高的循环效率｡水蒸气､He和CO₂作为工质在不同温度下的循环热效率｡在高于400℃时，S-CO₂具有明显的优势｡在温度达550℃时，S-CO₂发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45%｡随着温度的升高，效率也显著提高｡S-CO₂不需要很高的循环温度即可达到满意的转换效率，而He循环要想获得40%的循环效率,循环温度必须在750℃以上,这对部件材料的性能提出了很大的挑战。
2）对管道设备腐蚀速率更低｡由于S-CO₂具有稳定的化学性质，相比于高温高压的水蒸气，对金属管道设备侵蚀的速率较慢，因此对材料的要求相对较低｡
3）无水处理｡由于不存在水处理系统，节约了大量的水资源和水处理剂等，减少了初始投资｡
4）系统结构紧凑，占地空间小｡由于S-CO₂黏性小和密度大的物理特性，使其具有流动性好､传热效率高､可压缩性小等典型优势，因此压缩机､涡轮机等关键部件体积较小､结构紧凑
5）降低电力成本｡相比水蒸气热力循环发电系统，S-CO₂布雷顿循环发电系统的建设成本以及运行､维护成本更低，并且寿命更长，经济效益更好，可降低平准化电力成本8%~15%。
S-CO₂循环的研究进展
