超临界二氧化碳循环热电联产系统初步研究

郑开云

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 闵行 200240)

超临界二氧化碳循环热电联产系统初步研究

郑开云

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 闵行 200240)

超临界二氧化碳闭式循环(sCO2循环)是新型的闭式循环系统，具有效率高、系统简单、运行灵活、维护方便等优点。结合分布式发电系统的要求，对sCO2循环热电联产系统的适用性进行了研究。通过对传统的闭式循环相关文献的研究以及对sCO2循环的分析，发现小容量的sCO2循环发电系统保持了传统的闭式循环发电系统在控制、运行、维护等方面的优点，并且在发电效率上具有显著优势，特别是用于热电联产，能量利用率可达90%。随着系统中关键设备的技术成熟度和经济性的提高，sCO2循环有望在未来用于分布式发电系统。

超临界二氧化碳循环；分布式发电；热电联产；能量利用率；循环效率

0 引言

热电联产分布式发电是能源高效利用的理想途径，可实现高品质的电能与低品质热量需求的有机统一。基于化石能源的新型分布式发电系统多采用小型燃气轮机、内燃机作为原动机，并可提供排气余热用于工业生产，也可以用于生活供热。然而，为了进一步降低成本，仍有必要寻找其他形式的分布式发电系统。闭式循环用于热电联产分布式发电可追溯二十世纪八十年代，瑞士Escher Wyss公司研发了采用空气工质的闭式循环发电机组，这种类型的发电机组具有50年的良好运行业绩，但是在二十世纪八十年代以后随着其他高效发电技术的快速发展而遭淘汰。近年来，以超临界二氧化碳(sCO2)作为工质的闭式循环系统成为行业研究热点，并且被认为具有诸多潜在优势和广泛用途，笔者关注到小容量sCO2循环系统也有望作为分布式发电系统的可选动力装置。由于sCO2循环具有公认的高效率优势，如果用于热电联产分布式发电系统，循环排放的余热可用于供热、供暖或生活热水，所以非常适合工业区或居民区的供电、供热。

本文首先回顾传统的闭式循环的发展历史，指出闭式循环用于分布式发电的优势及其缺陷；其次介绍sCO2循环的发展现状，并与空气工质闭式循环作对比；最后根据对以往的闭式循环和最新的sCO2循环的研究，开展sCO2循环热电联产系统概念设计和热力分析。

1 闭式循环发展历史

闭式循环发电系统在二十世纪四十年代至八十年代有不少应用，特别是在德国有非常良好的应用业绩[1]。采用空气工质，首台容量2 MW的试验电厂于二战期间在苏黎世成功投运，之后，有一批空气工质的闭式循环商业机组在德国、日本、前苏联、美国等陆续投运，容量为2～20 MW[2]。二十世纪七十年代中期首座氦气工质闭式循环发电机组在西德投运，容量50 MW[3]。然而，至二十世纪八十年代共投运的闭式循环发电机组仅有二十余台，且未有进一步的发展。

闭式循环包括绝热压缩、等压加热、绝热膨胀、等压冷却这4个过程，也就是布雷顿循环，其优点主要有4个方面： (1)由于采用间接加热的方式，燃料选择可以多样化，同时工质也可以根据需要选取空气、氦气或其他气体；(2)可根据承压材料的性能，提高透平入口工质的压力等级，以提高循环的功率密度和热效率，并可通过调节压力(回路中工质的质量)实现系统发电功率的大范围变化且几乎不影响循环效率；(3)循环排出的余热温度较高，大部分可被利用，实际上闭式循环发电机组也基本上都是以热电联产方式运行，能量利用率高；(4)系统可靠、启停快速、运行灵活、维护简便，机组可设计成高度自动化，仅需配备个别操作人员。闭式循环发电机组在实际应用中运行业绩良好，机组非计划停机极少，设备运行稳定，高温部件未发生显著氧化或腐蚀，对于某些季节，机组甚至可以每天起停，起动时间0.5 h以内。

尽管如此，闭式循环也有其固有的缺陷。最突出的问题是需要的换热面积太大，成本急剧升高，导致机组容量很难做大，大型化受到限制；其次是受制于现有高温材料的许用极限，透平入口温度很难像开式循环那样大幅度地提高，从而无法进一步提高循环效率；此外，排出余热的温度不高，不适用于工业生产。

随着蒸汽轮机和开式燃气轮机、内燃机的快速发展，传统的闭式循环遭到淘汰，所以闭式循环在电力工业中没有得到充分发展和广泛应用，不过在核电领域，氦气循环在高温气冷堆的研发中得到较好的延续[4]。

2 sCO2循环发展现状

采用超临界工质的闭式循环有别于上述的气态工质的闭式循环，整个循环中工质可始终处于超临界状态，或者循环的压缩机出口至透平入口的高压侧处于超临界态，低压侧的透平出口为气态，并且预冷器将工质冷凝至液相。超临界工质循环通过在临界点附近压缩以减少做功，这是其具有高循环效率的关键因素。CO2的临界点是30.98 ℃/7.38 MPa，是十分理想的超临界工质，且化学性质稳定、密度高、成本低。

sCO2循环的研究始于二十世纪四十年代，在二十世纪六七十年代相关的研究工作蓬勃发展，美国、意大利、日本的学者均对循环的热力学特性作了深入分析和优化[5-7]。鉴于当时电力发展以集中供电模式为主流方向，需要大容量、高效率、低成本的发电机组，在此市场需求下，按照当时的工业技术水平，sCO2循环与蒸汽朗肯循环、燃气-蒸汽轮机联合循环相比较并无优势。因此，sCO2循环并未被电力工业采用。自本世纪初起，sCO2循环的研究再度兴起[8]，并以第4代核电领域为源头向其他发电系统领域迅速延伸和发展，其中sCO2循环被认为是液态金属冷却快堆的绝佳组合之一[9]，在聚光型太阳能热发电领域，sCO2循环也被认为是具有较大潜力的动力转换模块[10]，在火力发电、余热发电、地热发电、舰船动力等领域也具有良好的应用前景[11-13]。

3 sCO2循环与空气闭式循环对比

尽管sCO2循环被认为是一项新技术，还有待开展多方面的研发，但是其工作原理和基本特点与气体闭式循环是完全一致的，仅是由于工质物性不同而导致循环的热力学特性有所变化。表1列举了一些物性参数，将sCO2与空气作对比，其中空气工质选择了文献[2]中Oberhausen电站的压缩机入口与透平入口的参数。在压缩机入口的低温低压条件下，CO2工质为接近临界点的超临界状态，其物性与液体十分相似，而空气表现典型的气体特性。在透平入口的高温高压条件下，空气和CO2工质均表现气体状态，两者的密度之比基本等于压力之比，而其他物性参数值基本相近。由此可见，sCO2循环在临界点附近的压缩过程是完全不同于气体压缩的，是需要进行全新研究的课题；系统压力的提高使材料选用、透平机械部件设计、热交换器设计需要进行调整。此外，sCO2工质的高温腐蚀机理不同于空气氧化，已有研究报道表明金属材料在CO2环境中的腐蚀较为严重，需要采用高温合金或防护技术。但是，系统总体设计、设备布置、自动控制均可参考传统的空气闭式循环。特别是控制策略，闭式循环采用的压力控制(调整回路中工质质量)和透平旁路控制方法[14-15]，简便、可靠、效果好，可实现机组负荷调整、部分负荷运行、供电与供热分配、紧急停机等功能，并保持机组高的发电效率，这也在很大程度上适用于sCO2循环[16]。

表1 空气与CO2工质的物性参数Table 1 Physical parameters of air and CO2 working fluid

闭式循环中热交换器非常关键[17]，一方面是热交换器的性能(效度、压损)对于循环效率有很大影响，另一方面热交换器占机组总造价的一半以上，对机组的经济性有很大影响。同样地，热交换器，特别是加热器和回热器，也是sCO2循环中最关键的部件。相比空气闭式循环，sCO2循环工质的密度增大数倍，有利于提高换热系数，但压力的提高势必造成传热管壁厚增大，不利于传热。因此，热交换器设计是sCO2循环系统中最具挑战的核心技术。类似于空气闭式循环，sCO2循环也是受制于换热器设计，很难设计大容量的机组，不过对于小容量(100 MW以内)的分布式发电系统，sCO2循环是有优势的[18]。

此外，需要指出的是透平和压缩机也是非常关键的部件，其技术成熟度仍然较低，仍须开展进一步的技术研发。

4 sCO2循环热电联产系统概念设计

sCO2循环除了简单回热循环外，还有多种布置方式，其中再压缩循环布置的发电效率较高，最有发展前途。但是，作为热电联产发电系统，本文选用简单回热循环，原因有2方面： (1)可以大量地继承和运用传统闭式循环系统的设计技术和运行经验；(2)由于再压缩循环的系统比较复杂、运行灵活性不佳，也缺乏参考经验。

简单回热sCO2循环发电系统示于图1，循环的温度-比熵关系示于图2，图1中对循环系统作了简化，仅给出主要的设备和工艺流程。系统主要由压缩机、透平、发电机、预热器、加热器、回热器、预冷器等组成。低温低压工质首先进入压缩机升至高压(1-2)，经回热器吸收透平排出工质的热量(2-3)，再经加热器从热源吸收热量达到最高温度(3-4)，然后进入透平做功推动发电机工作(4-5)，透平排出的工质经回热器释放部分热量(5-6)，最后经预热器冷却后进入下一个循环过程(6-1)。透平与发电机之间可通过齿轮变速箱减速，小功率发电机也可直接选用高速发电机，再通过变频装置将发电机输出电能转换成工频。预冷器分为2段，高温段的热量送往热用户，低温段的热量释放至环境，透平出口可设旁路，排出的部分工质直接进入预冷器用于供热。加热器设计参考空气工质闭式循环发电系统，高温排烟的热量通过预热器传递给送入的新空气，从而降低排烟温度，减少热损失。加热器燃料可采用化石燃料或生物质燃料。

图1 sCO2循环系统示意图Fig.1 Schematic diagram of sCO2 cycle

图2 sCO2循环温熵图Fig.2 T-s diagram of sCO2 cycle

采用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的Refprop物性数据库，对图1的循环的进行热力分析。机组净发电功率设为10 MW，循环额定工况条件及设备性能参数的选取参考文献[19]，并按照当前或近期可达到工程技术水平给定，见表2，忽略泄漏损失。经计算，得到系统各状态点的结果，列于表3，由此求得系统的净发电效率约40%。假设预冷器中工质温度降至45 ℃时释放的热量供给热用户，则热功率为7.2 MW。因此，机组在额定功率下发电，同时供热，能量利用率可达69%。

表2 sCO2循环参数Table 2 Parameters for sCO2 cycle

表3 sCO2循环各状态点热力计算结果Table 3 Thermodynamic calculation results of each state point of sCO2 cycle

图3 sCO2循环系统电功率、热功率和能量利用率与 压缩机入口温度的关系Fig.3 Relationship between electric power, heat power, energy efficiency and compressor inlet temperature for sCO2 cycle

当供电需求下降但供热需求提高时，可以降低低温段预冷器冷却水流量，从而提高压缩机入口温度，这样预冷器入口温度也提高，在工质流量不变的情况下，加热器总热功率下降，供电功率下降、供热功率提高，能量利用率提高，见图3。在压缩机入口温度为45 ℃时，预冷器排放的热量可全部用于供热，机组总的能量利用率可达90%。若供电功率不变，提高供热功率，则可通过旁路将透平排出的部分工质直接送往预冷器，此时加热器输入热功率上升。因此，sCO2循环系统在发电效率和能量利用率方面优势明显，且热电比例调整简便，适用于热电联产分布式发电。

5 结论

(1) sCO2循环与闭式循环有很大的相似性，具有闭式循环的诸多特点，在设计和应用上可以借鉴后者的各种成熟技术。

(2) 小容量的sCO2循环在发电效率方面具有本质优势，且透平排气的热量可用于供热，适合用作热电联产分布式发电系统。随着sCO2循环系统中关键设备的技术成熟度和经济性的不断提高，sCO2循环有望在不久的将来用于热电联产分布式发电系统。

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郑开云

(编辑 蒋毅恒)

Preliminary Investigation on Supercritical Carbon Dioxide Cycle Cogeneration System

ZHENG Kaiyun

(Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Minhang District, Shanghai 200240, China)

Supercritical carbon dioxide closed cycle (sCO2cycle), a novel closed cycle system, is characterized of its high efficiency, simple system, flexible operation and low maintenance. According to the requirements of distributed generation system, this paper studies the applicability of sCO2cycle cogeneration system. On the basis of literature survey on conventional closed cycle and the analysis of sCO2cycle, it is found that small scale sCO2cycle generation system keeps the advantages of close cycle system in control, operation, maintenance, etc., and possesses advantage of high efficiency, especially for heat and power cogeneration, the energy efficiency could be up to 90%. It is expected that sCO2cycle will be applied in distributed generation system in the near future with the improvement of technical readiness and economy of key equipments in the system.

supercritical carbon dioxide cycle; distributed generation; heat and power cogeneration; energy efficiency; cycle efficiency

TK 11

A

2096-2185(2017)03-0015-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.003

2017-05-08

郑开云(1980—)，男，高级工程师，主要从事动力工程技术研究，zhengkaiyun@speri.com.cn。