二氧化碳动力循环系统构型解析

CO2早在1850年被英国人Alexander申请专利作为制冷剂，在20世纪头20年被广泛应用于船用系统［1］。20世纪在30—40年代，随着CFC的出现，CO2逐渐被替代。近年来，随着人们对环境保护的重视，CFC和HFC类工质逐渐被停用，CO2等天然工质重新引起人们的重视。由于CO2的ODP值为零且GWP值很小，在欧洲车用空调系统中，二氧化碳比氨和烃类制冷剂更受关注［2］。

CO2工质的临界温度为304.13 K，临界压力为7.377 MPa，可用于超临界或跨临界动力循环，此时工质在蒸发过程中处于超临界状态，能避免蒸发器内纯工质组分在亚临界状态恒温蒸发过程造成的大损。同时，CO2工质工作在超临界状态，虽然系统工作压力升高，但是体积变小，有利于系统集成。早在1969年，意大利米兰理工大学的Angelino研究了在核反应堆动力循环中应用二氧化碳超临界布雷顿循环的可行性［3］。进入21世纪后，高温燃煤发电动力循环的最高工作压力不断提升，向超临界和超超临界循环发展，二氧化碳动力循环重新引起了人们的关注［4］。在制冷和空调行业，CO2工质很早就有应用。目前，CO2工质还被应用于太阳能利用、超临界干洗、地热能发电、燃煤电站动力循环、核动力发电、以及制药、食品和纺织等多个行业。图7-1所示为应用二氧化碳动力循环的一些场合。近年来，人们在高温发电动力循环、太阳能发电、低品位余热回收等方面，对二氧化碳动力循环开展了大量研究［5］。

图7-1　二氧化碳动力循环的应用［6］

与有机朗肯循环相比，二氧化碳动力循环的系统构型更加多样，需要针对具体的应用进行实际分析。大体上，二氧化碳动力循环可分为工质在超临界状态冷却的闭式超临界布雷顿循环和工质在亚临界状态冷凝的跨临界朗肯循环以及二者的各种组合。针对不同的应用，还可采用预冷、中冷、回热、再热、预压缩和再压缩等多种技术手段来提高系统性能。不同构型的二氧化碳超临界布雷顿循环性能，主要包括单流道和分流道两种类型。典型单流道二氧化碳超临界布雷顿循环系统构型如图7-2所示，分别采用了回热、中冷、再热、两级回热、预压缩和分割式膨胀等来提高系统性能。回热可有效利用涡轮出口工质的余热来提高热效率，中冷可降低压缩机输入功，再热可提高涡轮膨胀功。

分流道二氧化碳超临界布雷顿循环系统构型如图7-3所示，包括：再压缩、改型再压缩、预热以及3种不同的涡轮出口分流构型。二氧化碳超临界布雷顿循环的工质冷却压力大于7.38 MPa，而蒸汽朗肯循环的冷凝压力约为0.07 MPa，空气布雷顿循环的冷却压力约为0.1 MPa，二氧化碳超临界布雷顿循环的冷却压力大很多，导致其膨胀比较小，而涡轮出口的工质温度仍然较高。为了进一步提高此部分余热的利用效率，对单流道构型可采用二级回热和预压缩方式，对分流式构型可采用膨胀后分流的方法在循环的不同位置设置回热过程。在再压缩构型的低温回热器中，冷端分流后的小流量高比热流体与热端的大流量小比热流体可充分换热，提高系统热效率。对改进的再压缩系统，工质在涡轮出口膨胀到临界压力以下来提高输出功，随后压缩机CP-1将工质压缩到超临界状态。

图7-2　单流道二氧化碳超临界布雷顿循环系统构型［6］

图7-3　分流道二氧化碳超临界布雷顿循环系统构型［6］

针对温度为545℃的钠冷快堆发电，图7-4所示为基于图7-2和图7-3中不同构型的二氧化碳超临界布雷顿循环性能［6］。再压缩分流型的热效率最大，为43.78%，改型再压缩分流型次之，为42.23%。对单流道构型而言，预压缩、二级回热和再热型的热效率分别为40.51%、39.68%和39.35%，大于回热型的37.96%，而预热分流型的热效率最低，为28.16%。

图7-4　二氧化碳超临界布雷顿循环热效率对比［6］

针对燃气轮机的排气余热利用，图7-5所示为包括再压缩式、预热式和单级回热式等3种二氧化碳超临界布雷顿循环系统构型及对应的T-s图［7］。在该循环中，工质流量、压缩比、质量分流比等是影响系统性能的关键参数，采用遗传算法对这些工作参数进行优化，可得到优化的系统性能。传统的空气布雷顿循环的热效率为41.35%，效率为50.5%，预热式的热效率为46.8%，效率为64.8%，单级回热式的热效率为46.24%，效率为61.08%，再压缩式的热效率为45.67%，效率为57.74%。与空气布雷顿循环相比，热效率的提高比例为30.22%～33.4%，效率的提高比例为31.9%～48.3%。预热式的性能优于单级回热式和再压缩式。

当环境温度较低时，可利用温度较低的冷源将CO2工质冷凝到液态，组成二氧化碳跨临界朗肯循环。当热源温度较高时，随着涡轮入口温度的提升，二氧化碳跨临界朗肯循环的热效率可接近甚至超过传统的朗肯循环，且二氧化碳动力循环的结构更简单紧凑。针对核反应堆用动力循环，Angelino研究了4种二氧化碳跨临界朗肯循环的性能［3］，具体系统构型如图7-6所示。在循环A中，从膨胀机出来的工质经两级回热后进行分流，一部分冷凝，另一部分直接压缩，因此循环A为朗肯循环和布雷顿循环的组合，通过部分分流，可以减小冷凝器的传热，实现类似回热的效果。由于工质在亚临界状态冷凝，循环B在冷凝前增加了一个压缩机，可以实现涡轮出口压力与工质冷凝压力的解耦，提高膨胀机的输出功率。在循环C中的蒸发器入口接入一个膨胀机，可调节工质在蒸发器内的工作压力。循环D中膨胀机出口工质经过回热后被再压缩以提高其在低温回热器中的换热效果。

图7-5　燃气轮机排气余热回收用二氧化碳超临界布雷顿循环及对应的T-s图［7］

（a），（b）单级回热式系统及对应的T-s图；（c），（d）再压缩式系统及对应的T-s图；（e），（f）预热式系统及对应的T-s图

图7-6　核反应堆用二氧化碳跨临界朗肯循环［3］(www.xing528.com)

（a）循环A；（b）循环B；（c）循环C；（d）循环D

热力学分析表明循环A和B具有较高的热效率，图7-7所示为二氧化碳跨临界朗肯循环与传统的以水为工质的朗肯循环的热效率对比。虽然二氧化碳跨临界朗肯循环的热效率高于理想气体循环，但低于带再热的传统朗肯循环。随着工质最高工作温度的升高，所有循环的热效率均增大，而二氧化碳跨临界朗肯循环的增加速率高于传统朗肯循环。当工质最高工作温度超过550℃以后，带再热的循环A的热效率高于带再热的传统朗肯循环，当工质最高工作温度高于700℃后，循环A和循环B的热效率均大于带再热的传统朗肯循环。

图7-7　二氧化碳跨临界朗肯循环与传统的以水为工质的朗肯循环的热效率对比［3］

针对高温热源的二氧化碳跨临界朗肯循环，由于工质最高工作温度较高，可采用多种手段来提高系统热效率，从而衍生出丰富的系统构型。对于低温热源应用，二氧化碳跨临界朗肯循环的系统构型相对简单些。图7-8所示为针对温度为100℃的低温地热水设计的4种二氧化碳跨临界朗肯循环的系统构型［8］，包括简单式、回热式、再热式和抽气回热式，对应的工作过程T-s图如图7-9所示。4种系统构型的热效率随膨胀机入口压力和温度的变化趋势如图7-10所示。当膨胀机入口温度一定时，4种系统构型的热效率均随着膨胀机入口压力的升高而增大。对于简单式和抽气回热式，当膨胀机入口压力较大时，随着膨胀机入口温度的升高系统热效率明显增大，当膨胀机入口压力较小时，热效率的提升幅度逐渐减小。对于再热式，膨胀机入口温度对热效率影响很小。对于回热式，当膨胀机入口温度较低时，允许的膨胀机入口压力范围也相对较窄，随着膨胀机入口温度的升高，膨胀机入口压力的范围也逐渐增大，在整个压力范围内，随着膨胀机入口温度的升高，系统热效率均逐渐增大。

图7-8　4种二氧化碳跨临界朗肯循环的系统构型［8］

（a）简单式；（b）回热式；（c）再热式；（d）抽气回热式

图7-9　二氧化碳跨临界朗肯循环工作过程的T-s图［8］

（a）简单式；（b）回热式；（c）再热式；（d）抽气回热式

当膨胀机入口温度为385 K，入口压力为12.8 MPa时，简单式的净输出功率为3.736 MW，热效率为8.14%，回热式的净输出功率为3.743 MW，热效率为8.33%，再热式的净输出功率为3.833 MW，热效率为8.35%，抽气回热式的净输出功率为3.487 MW，热效率为8.30%。再热式的净输出功率和热效率最大，回热式次之，抽气回热式的热效率高于简单式，但简单式的净输出功率大于抽气回热式。从中可以看出，对于低温热源应用，再热和回热等对系统热效率的提高有一定效果。

在进行二氧化碳动力循环的系统构型设计时，需要考虑具体的应用场合、热源和冷源的温度、系统大小和成本等需求，确定选择超临界布雷顿循环还是跨临界朗肯循环，再结合各种提高热效率的手段进行有针对性的设计，实现效率、成本和体积等设计目标的综合优化。

图7-10　二氧化碳跨临界朗肯循环系统热效率随膨胀机入口压力和温度的变化趋势［8］

（a）简单式；（b）回热式；（c）再热式

图7-10　二氧化碳跨临界朗肯循环系统热效率随膨胀机入口压力和温度的变化趋势［8］（续）

（d）抽气回热式