二氧化碳超临界布雷顿循环方案分析

二氧化碳超临界布雷顿循环常用于高温热源场合，本节介绍其在核反应堆、燃煤电厂、燃气轮机排气余热回收和高温太阳能热发电等方面的应用。

1.核反应堆发电动力循环

2000年以后，美国麻省理工学院对核反应堆用二氧化碳动力循环进行了大量研究，取得了很多重要成果。针对某600 MW反应堆，Dostal等分析了再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环的性能［13］。其系统构型如图7-20（a）所示，对应的T-s图如图7-20（b）所示。在正常工作时，涡轮入口温度为550℃，压缩机入口温度为32℃，压缩机出口压力为20 MPa。

所有换热器均采用PCHE，总换热体积为120 m3。图7-21所示为系统热效率随膨胀比的变化曲线，当膨胀比为2.6时，系统热效率达到最大。随着总换热器体积的增加，系统热效率逐渐升高，当总换热器体积为200 m3时，系统热效率可达46%。在考虑系统成本的条件下，存在一个最佳的总换热器体积使单位功率的成本最低。

图7-20　再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环及其工作过程的T-s图［13］

图7-21　系统热效率随膨胀比的变化曲线［13］

应用于第四代核反应堆的再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环，在保证系统发电效率的同时，图7-22显示了一种为减小最高工作压力而设计的采用再压缩循环和两级涡轮的组合循环［24］。当高压涡轮入口温度下降到390℃，入口压力从20 MPa下降到15 MPa时，系统热效率从再压缩式的43.88%仅轻微下降到43.11%，而换热面积也仅增加5%。由于当前反应堆的工作压力基本在15 MPa以下，降低二氧化碳动力循环的最高工作压力有利于保证系统安全，实现其商业化应用。

图7-22　采用两级涡轮的再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环［24］

2.燃煤电厂动力系统

采用水的朗肯循环是目前燃煤电厂采用的主流技术。为了提高发电效率，采用高压端两级再热的超临界朗肯循环是一个发展方向，但是受到材料等技术条件的限制，超超临界朗肯循环的效率提升遇到瓶颈，二氧化碳超临界布雷顿循环目前成为一个可选方案。近年来，二氧化碳超临界布雷顿循环在燃煤电厂中的应用日益引起重视，已经成为一个研究热点。Zhou等针对燃煤电厂应用，在再压缩式布雷顿循环的基础上，研究了多级压缩方法和经济器配置对循环性能的影响［25］。设计的二氧化碳超临界布雷顿循环系统如图7-23所示。基于原1 000 MW单级再热超超临界朗肯循环蒸汽锅炉的限制条件（605℃/603℃/274 bar），分析了二氧化碳超临界布雷顿循环系统的性能。

图7-23　带一级再热和三级压缩的二氧化碳超临界布雷顿循环系统［25］

系统热效率和效率随两级涡轮膨胀比的分配比αH PT/αL PT的变化趋势如图7-24（a）所示。当分配比为0.5～0.6时，热效率和效率存在一个最大值。通过分析表明LPT、HPT和HTR对分配比的变化较为敏感。优化后的热效率和效率分别达到了47.64%和81.25%。与传统的等膨胀比的分配方式相比，优化的低压涡轮膨胀比大于高压涡轮膨胀比，优化后的效率可相对提高0.29%。系统性能随经济器的分流比变化结果如图7-24（b）所示。随着分流比的增加，热效率逐渐减小而效率逐渐增大。分流比每增加0.1，热效率减小1.75%，而效率增大1.72%。因为分流比的变化会明显影响换热器HTR和COL的损，分流比增大，导致COL的散热量增加，使热效率下降。采用经济器分流有利于减小HTR的损，从而提高效率。

图7-24　工作参数对系统热效率和效率的影响［25］

（a）高压涡轮膨胀比与低压涡轮膨胀比的分配比；（b）经济器分流比

图7-25所示为系统最小工作压力变化对工作性能的影响。随着最小工作压力的增加，热效率和效率先迅速增大后基本维持在一个水平上。这主要是由于当最小工作压力逐渐接近临界压力时，CO2工质的比热发生明显变化，导致循环放热量减小。当最小工作压力为78 bar时，优化的热效率和效率分别为47.5%和80.87%。

图7-25　系统热效率和效率随最小工作压力的变化曲线［25］

虽然采用再热和中冷的再压缩式循环可以提高二氧化碳布雷顿循环的效率，与传统朗肯循环相比，CO2的流量增大很多，导致在锅炉内的换热过程中压降过大，难以充分利用烟气的残余能量。Xu等采用部分分流策略，将换热器的流量和长度减半，此时总压降可降低到1/8［26］。同时，将中冷压缩后的部分工质用于回收烟气余热，可将烟气排气温度降低到120℃以下。基于该思路设计的1 000 MW二氧化碳超临界发电系统如图7-26所示。在最高工作温度620℃、最高工作压力30 MPa下，系统热效率可达51.22%，发电效率为48.37%。

为了充分利用温度范围为120℃～1 500℃的烟气余热，在采用再压缩和两级再热以及烟气冷却器的组合循环的基础上，可采用图7-27所示的复叠式循环设计［27］。顶循环采用再压缩和两级再热以及烟气冷却器的组合循环，底循环采用再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环，顶循环和底循环的再压缩冷却部分复用。通过调节顶循环和底循环的流量分配，可以控制加热器4出口的工质温度，从而调节底循环吸收烟气余热的效果。在工质最高工作温度700℃、最高工作压力35 MPa下，系统热效率可达51.82%。

图7-26　燃煤发电厂用1 000 MW二氧化碳超临界发电系统［26］

图7-27　燃煤发电厂用复叠式二氧化碳动力循环系统［27］

燃煤发电厂作为主要的CO2排放源，在保证发电效率的同时，有必要研究碳捕捉与储存装置以及发电系统的集成性能。图7-28所示为一种两级复叠式二氧化碳超临界布雷顿循环与碳捕捉装置［28］。顶循环采用一级再热的再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环，底循环采用单回热再压缩式布雷顿循环，底循环如图7-29所示。碳捕捉单元采用基于溶剂的燃烧后CO2捕捉系统，如图7-30所示，溶剂为乙醇胺（monoethanolamine，MEA），采用吸附塔吸收CO2，分离塔解离CO2。在整个系统最高工作压力为29 MPa，最高工作温度为593℃时，不带碳捕捉单元的热效率可达42.96%，比传统的蒸气动力循环高3.34%～3.86%。在采用碳捕捉单元以后，系统热效率有11.2%的下降，但仍然比带碳捕捉的传统蒸气动力循环效率高0.68%～1.31%。(www.xing528.com)

图7-28　两级复叠式二氧化碳超临界布雷顿循环与碳捕捉装置［28］

图7-29　作为底循环的单回热再压缩式布雷顿循环［28］

3.燃气轮机余热回收二氧化碳循环动力系统

燃气轮机的排气温度很高，此时二氧化碳布雷顿循环可作为底循环来回收排气余热，进一步提高系统能效。根据能的梯级利用原则，Hou等设计了一种联合循环系统［29］，包括燃气轮机、再压缩式超临界二氧化碳动力循环、蒸气朗肯循环、采用非共沸混合工质的有机朗肯循环。当燃气轮机的压比为14.83，超临界二氧化碳动力循环系统的压比和分流比为3.44和0.74，蒸气朗肯循环的蒸发温度为247.6℃，有机朗肯循环非共沸混合工质中异戊烷的质量分数、蒸发温度和蒸发器夹点温差分别为0.57、128.7℃和12.98℃时，整个系统的工作性能达到最优。与传统的燃气-蒸气联合系统相比，新设计的联合系统的效率可提高2.33%，成本可降低4.26%。

图7-30　基于MEA的燃烧后CO2捕捉系统［28］

在船用动力系统中，采用燃气轮机-二氧化碳超临界布雷顿循环的动力系统还可以实现与船用制冷系统的耦合，进一步提高整个系统的能效。图7-31所示为一种船用联合动力系统［30］，由燃气轮机、带回热器的二氧化碳超临界布雷顿循环、采用CO2工质的蒸气压缩制冷循环（RVCC）组成。利用燃气轮机的排气余热，驱动二氧化碳超临界布雷顿循环，同时二氧化碳超临界布雷顿循环的涡轮驱动蒸气压缩制冷循环的压缩机。为了进一步提高系统集成度，二氧化碳超临界布雷顿循环的预冷器与蒸气压缩制冷循环的冷却器集成到一起。整个系统工作过程的T-s图和P-h图如图7-32所示。设计的系统输出功率可提高18%，同时制冷系统的COP值达到2.75，此时提供892TR的制冷量。

4.太阳能热发电系统

在太阳能热发电系统中，当热源温度较高时，可采用二氧化碳布雷顿循环作为动力系统来发电。为了减缓热源随时间波动的影响，可采用高温蓄热装置。图7-33所示为一种带蓄热的高温太阳能热发电系统及其T-s图［31］，高温蓄热采用一种卤盐混合物（8.1wt.% NaCl+31.3wt.% KCl+60.6wt.%ZnCl2），发电循环采用带一级再热和二级中冷再压缩的二氧化碳超临界布雷顿循环。设计的采用卤盐和硝酸盐的太阳能热发电系统的工作参数见表7-2。根据中国西部一年内典型日照的分析表明，采用卤盐的太阳能热发电系统的总光电效率可达19.17%～22.03%，高于传统的塔式太阳能热发电系统，也比传统的采用硝酸盐的太阳能热发电系统的总光电效率提高11%。

图7-31　燃气轮机与二氧化碳超临界布雷顿循环以及蒸气压缩制冷循环的联合动力系统［30］

图7-32　整个系统工作过程的T-s图和P-h图［30］

图7-33　带蓄热的高温太阳能热发电系统及其T-s图［31］

表7-2　太阳能热发电系统的工作参数［31］

针对太阳能热发电应用，美国桑迪亚国家实验室曾建立了一个二氧化碳超临界布雷顿循环试验系统，如图7-34所示，该系统采用分流的再压缩式二氧化碳超临界布雷顿循环。涡轮为径向流入式，压缩机为离心式，涡轮、永磁发电机和压气机（TAC）集成在一根轴上，其结构如图7-35所示。高温回热器、低温回热器和预冷器采用PCHE，高温加热器采用电加热器来模拟太阳能供热。系统部件的主要性能参数见表7-3。关于系统的详细介绍可参考文献［32］。

图7-34　美国桑迪亚国家实验室的二氧化碳超临界布雷顿循环试验系统［31］

图7-35　涡轮-发电机-压缩机的集成设计结构［31］

表7-3　美国桑迪亚国家实验室的二氧化碳超临界布雷顿循环试验系统的工作参数［31］

由于系统存在热损失、摩擦损失和泄漏损失，利用建立的试验系统在某部分负荷下测量的热效率为5%，基于试验结果估算的额定工况最高热效率为24%，远小于大型高温二氧化碳超临界布雷顿循环系统的接近50%的效率。这主要是由于设计的径流式涡轮和离心式压缩机的最高转速达到75 000 r/min，远高于大型发电系统的轴流式二氧化碳涡轮24 000 r/min的转速，摩擦损失和泄漏损失也相应增大。同时，由于涡轮和压气机中间集成有发电机，采用液冷的发电机隔热效果不佳，导致散热较大。一般说来，商用的二氧化碳超临界布雷顿循环系统的最小涡轮输出功率在10 MW以上［33］，此时可采用多级轴流式涡轮，效率可得到很大改善。对于太阳能热发电系统而言，由于太阳能存在不稳定的特点，人们基于该试验系统测试了在短暂瞬态过程中（如受到云层遮挡）的系统工作特性。尽管系统输出会产生波动，由于存在一定的热惯性，整个系统仍然可继续运行。在长时间的热源波动情况下，可采用带蓄热装置的间接式二氧化碳超临界布雷顿循环系统来使系统输出功率在长时间内保持稳定。

对于高温二氧化碳动力循环系统，还需要注意CO2及工质中的杂质组分对系统材料的腐蚀性。有些材料能在表面形成保护性的氧化膜，如氧化铬和氧化铝，与CO2有很好的兼容性，在抗热疲劳性能要求高的场合，可采用Haynes 230［34］或者617合金［35］。在长期工作条件下，还需要研究CO2工质中所含杂质的腐蚀性，对这些杂质浓度的上限目前还有待进一步研究。