[科普中國]-二氧化碳發(fā)電

研究現(xiàn)狀

目前，美國、英國、德國、日本、韓國、西班牙等國家均開展了超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研究，部分國家己經(jīng)開展了樣機(jī)制造和試驗。 美國的Bechtel Marine Propulsion Corpora-tion (BMPC)公司搭建了100 kW級的超臨界二氧化碳發(fā)電試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，由一臺可變速渦輪機(jī)驅(qū)動壓氣機(jī)，另一臺恒速渦輪機(jī)帶動電動機(jī)。該系統(tǒng)驗證了方案的可行性，但由于其是縮比系統(tǒng)，所以總效率并不高。 世界上第一個兆瓦級的商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組 EPS100性能參數(shù)見表1)建于美國紐約，它同樣采用的是雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。目前，該機(jī)組己經(jīng)進(jìn)入測試階段，初步的測試數(shù)據(jù)己經(jīng)證實了兆瓦級超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組的可行性，而且在偏離設(shè)計工況下的關(guān)鍵部件的性能與模型預(yù)測值一致，說明兆瓦級超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)己被基本掌握。 NREI,(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)于2012年提出以EPS100系統(tǒng)為基礎(chǔ)的SunShot試驗計劃，開發(fā)10 MW超臨界二氧化碳渦輪機(jī)，總預(yù)算1 600萬美元，計劃分三個階段完成:2013年設(shè)計、2014年制造、2015年運行。超臨界二氧化碳渦輪機(jī)功率可達(dá)10 MW,溫度達(dá)700℃，整個試驗系統(tǒng)包括EPS100系統(tǒng)、高溫渦輪機(jī)、高溫?fù)Q熱器、改裝的壓氣機(jī)、700℃熱源和干式冷卻系統(tǒng)等。 麻省理工學(xué)院提出了再壓縮超臨界二氧化碳冷卻核反應(yīng)堆的總體方案(見圖1)，并進(jìn)行了熱動力設(shè)計，反應(yīng)堆額定熱功率為2 400 MW,渦輪機(jī)入口溫度和壓力分別為920 K和20 MPa，系統(tǒng)熱效率為51多，凈效率為47多。

美國海軍堆項目組下屬諾爾斯原子能實驗室與貝蒂斯實驗室，正在探索超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)在船舶動力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。2010年，他們己建成一座100 kW電功率的整體試驗系統(tǒng)，1 000~3 000 kW電功率的超臨界二氧化碳試驗的前期工作也在進(jìn)行中。 美國Echogen公司針對余熱發(fā)電研制出了超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過對閥的調(diào)節(jié)滿足不同余熱溫度的運行條件，并且保證余熱發(fā)電效率達(dá)到30多。該系統(tǒng)可用于艦船發(fā)動機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)，將柴油機(jī)排出的中、高溫?zé)煔獾臒崃考右岳?，降低了能量的浪費，可使整個系統(tǒng)效率提高30多。同時，還可用于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，用超臨界二氧化碳取代傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)，不僅能增加發(fā)電功率，還能減少安裝成本2。

歐盟、日本、韓國也先后開展了超臨界二氧化碳動力裝置的研究。歐盟于1997年就開展了基于超臨界二氧化碳循環(huán)的新一代反應(yīng)堆的論證;日本東京工業(yè)大學(xué)完成了用于核反應(yīng)堆的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(見圖2)。該設(shè)計中采用了多級壓縮中間冷卻技術(shù)，額定功率為600 MW,渦輪機(jī)入口溫度為920 K，反應(yīng)堆出口運行壓力約為7 MPa，系統(tǒng)效率為45. 8多;該大學(xué)還完成了用于太陽能發(fā)電的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)效率高達(dá)48.2多;韓國原子能研究院分析了超臨界二氧化碳循環(huán)與鈉冷快中子堆結(jié)合的可行性。 另外，國外許多學(xué)者針對超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。在二氧化碳物性方而，Allan等人提出了二氧化碳傳輸特性理論計算的改進(jìn)方法;Brandon則對超臨界二氧化碳的熱力特性進(jìn)行了測試;Ladislav對超臨界二氧化碳循環(huán)回路中的夾點位移效果進(jìn)行了分析;Jacob等人測試了相關(guān)材料在高溫超臨界二氧化碳環(huán)境下的腐蝕性能。

而熱交換器也不乏研究，現(xiàn)行超臨界二氧化碳試驗環(huán)路的熱交換大多使用印制電路板熱交換器(PCHE)，它適用于高工作溫度和高工作壓力，并具有良好的擴(kuò)展能力;有學(xué)者對印制電路板熱交換器(PCHE)進(jìn)行了數(shù)值分析，并對高效換熱器的設(shè)計提出了指導(dǎo)意見;Timothy對不同熱傳輸表而的換熱器進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明線網(wǎng)熱傳輸表而具有進(jìn)一步開發(fā)的可行性。

渦輪機(jī)是影響機(jī)組效率的核心部件，同樣有許多學(xué)者以提高渦輪機(jī)效率為目標(biāo)。Timothy對超臨界二氧化碳渦輪的1級葉片進(jìn)行了空氣動力分析，并得出了相應(yīng)結(jié)論;Aaron則測試了壓力葉封(PALS)的性能，肯定了其商用價值;Haomin研究了不同形狀下的迷宮密封的泄漏率，得到了指導(dǎo)性意見;Jekyoung研究了在臨界點附近的超臨界二氧化碳壓縮機(jī)的性能測量的不確定性，其研究表明超臨界二氧化碳壓縮機(jī)的性能測量具有較大難度;Noah對比測試了小尺寸和全尺寸的超臨界二氧化碳壓縮系統(tǒng)，其研究表明全尺寸壓縮效率大大高于縮比壓縮效率。

基本原理超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)是一種以超臨界狀態(tài)的二氧化碳為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，其循環(huán)過程是:首先，超臨界二氧化碳經(jīng)過壓縮機(jī)升壓;然后，利用換熱器將工質(zhì)等壓加熱;其次，工質(zhì)進(jìn)入渦輪機(jī)，推動渦輪做功，渦輪帶動電機(jī)發(fā)電;最后，工質(zhì)進(jìn)入冷卻器，恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進(jìn)入壓氣機(jī)形成閉式循環(huán)，工質(zhì)的壓力和體積的變化情況如圖中點1-2-3-4-1循環(huán)3。

為了提高換熱效率，通常會采用中間回?zé)岬姆绞?，利用渦輪出口工質(zhì)的余溫預(yù)熱壓縮機(jī)出口的工質(zhì)。循環(huán)還可采用多級壓縮中間冷卻技術(shù)進(jìn)一步提高效率。

發(fā)電系統(tǒng)簡介1.超臨界二氧化碳的特點。當(dāng)二氧化碳的溫度達(dá)到31. 10C，壓力達(dá)到7. 38 MPa時將變?yōu)槌R界狀態(tài)，其氣體粘性小和液體密度大的特殊物理特性，使其具有流動性好、傳熱效率高、可壓縮}h}小等典型優(yōu)勢，適合用于熱力循環(huán)。相比其他同類型熱力循環(huán)的工質(zhì)具有以下特點:①二氧化碳臨界溫度和壓力遠(yuǎn)低于水的臨界點，容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，有利于工程應(yīng)用;②超臨界二氧化碳是一種非常稠密的流體，具有液體特性，密度大、傳熱效率高、做功能力強(qiáng);③兼具氣體特性，粘性小，流動性強(qiáng)，系統(tǒng)循環(huán)損耗小;①是超臨界二氧化碳循環(huán)無相變，壓縮過程中壓縮功有效減小，只占渦輪輸出功的30多，而常規(guī)氦氣循環(huán)要占到45多左右，燃?xì)廨啓C(jī)則更高，要占到50多到60多。

2.超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的特點。由于超臨界二氧化碳的特殊優(yōu)勢，采用此工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方而。

一是效率高。根據(jù)國外研究圖表分析可知，超臨界二氧化碳溫度達(dá)550℃時，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化為輸出電能的效率一般可達(dá)45多左右。隨著溫度的升高，效率也升高3?？梢钥闯龀R界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率比同條件下的氦氣循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)高。

二是體積小、重量輕。超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的體積和重量約為傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的50多。超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為二氧化碳，在全循環(huán)過程中，二氧化碳均處于超臨界狀態(tài)，不發(fā)生相變，密度大，動能大，冷卻器、管路附件尺寸小。據(jù)國外資料介紹，通過對不同工質(zhì)的典型渦輪機(jī)產(chǎn)品尺寸的調(diào)查可知，超臨界二氧化碳由于密度大、動能大，所需渦輪級數(shù)少，渦輪機(jī)軸向尺寸降低，冷卻器、管路附件尺寸相應(yīng)減小;當(dāng)渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力為15 ^- 20 MPa、轉(zhuǎn)速在100 000 r/min左右時，相比傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，其體積小50多以上。圖7為不同類型機(jī)組的尺寸與功率的對比。

三是噪聲低。對于旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備，通常其振動特征頻率主要集中在軸頻以上。超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)一般采用高速渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)速高，以高頻振動線譜為主，有利于隔振降噪4。

關(guān)鍵技術(shù)超臨界二氧化碳發(fā)電是未來能源綜合利用的一個發(fā)展方向，要全而掌握和利用該技術(shù)，重點需要在以下幾個方而開展研究5。

1.超臨界二氧化碳物性、換熱規(guī)律復(fù)雜，需要系統(tǒng)性研究。超臨界流體不同于常規(guī)液體或氣體，在熱力學(xué)變化過程中會偏離理想氣體，特別是在近臨界區(qū)和跨臨界點時，熱力參數(shù)呈非線性變化，其獨特物性帶來的流體流動和換熱規(guī)律的特殊性，會使系統(tǒng)變工況運行和負(fù)荷調(diào)節(jié)控制難度變大，因此需要全而掌握超臨界二氧化碳物性、換熱規(guī)律。

2.超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)控制難度大，需要開展控制研究。系統(tǒng)循環(huán)的高效率是建立在冷凝器出口即壓氣機(jī)吸入口(循環(huán)起點)的二氧化碳仍處于32 0C,7.4 MPa超臨界狀態(tài)的臨界點上，當(dāng)系統(tǒng)輸出需求發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發(fā)電機(jī)、高速壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速均要做相應(yīng)調(diào)整，需要精確調(diào)節(jié)控制，確保系統(tǒng)仍處于超臨界狀態(tài)以上，才能使系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。

3.需要突破超臨界二氧化碳高速渦輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計制造技術(shù)，提高發(fā)電效率。渦輪發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性是確保超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮的關(guān)鍵，確保渦輪發(fā)電機(jī)高轉(zhuǎn)速是設(shè)備減少體積、降低重量、提高效率的重要途徑。渦輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計過程中，在確保高轉(zhuǎn)速的前提下，既要兼顧高速精密軸承、轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性，同時要充分考慮超臨界二氧化碳工質(zhì)溫度、壓力、密度等參數(shù)，以及發(fā)電機(jī)電磁、溫升等參數(shù)的影響問題，因此高速渦輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計與制造是系統(tǒng)高效率的保證。

4.高效換熱器是超臨界發(fā)電系統(tǒng)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)要求壓縮機(jī)參數(shù)處于近臨界點，降低換熱端差，同時對于臨界點附近的換熱性能突變充分考慮運行裕量，實現(xiàn)這些目標(biāo)要求有緊湊、高效和可靠的換熱器進(jìn)行快速的熱量交換，實現(xiàn)低溫差高效換熱。

5.系統(tǒng)材料耐壓、耐高溫、耐腐蝕要求高，需要研究高性能材料。為實現(xiàn)高效率，必須提高系統(tǒng)熱力循環(huán)的溫度、壓力，要求超臨界二氧化碳熱力循環(huán)壓力達(dá)15^-32 MPa}溫度達(dá)550℃以上。為了滿足高溫高壓參數(shù)要求，加熱器、渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的材料都必須具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性的特點，設(shè)備的加工、生產(chǎn)、熱處理、檢驗探傷等工藝則需要技術(shù)突破。

應(yīng)用前景超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)由于效率高、系統(tǒng)體積小、噪聲低等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，主要可用于以下幾個方而。

1.用于核反應(yīng)堆川。目前，國外對超臨界氧化碳布雷頓循環(huán)的研究以核反應(yīng)堆為主要應(yīng)用對象，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)除了效率高、體積小等優(yōu)勢外，在安全性上與采用蒸汽系統(tǒng)相比有了極大改善。根據(jù)美國能源部的規(guī)劃，超臨界二氧化碳發(fā)電可能將在未來10年內(nèi)實現(xiàn)。

2.用于太陽能發(fā)電。美國能源部認(rèn)為，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可用于太陽能發(fā)電，并且能使太陽能光熱式發(fā)電效率提高8多，使太陽能光熱發(fā)電成本大幅降低，提高其競爭力。

3.用于工業(yè)廢熱發(fā)電。盡管工業(yè)廢熱是一種低品位的能源，但其儲藏量巨大，即便是一小部分得以利用，也是很可觀的。超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)在較低溫度下的效率相比同類熱電系統(tǒng)高，并且體積小，便于安裝。

4.用于艦船。由于艦船內(nèi)部空間有限，對船內(nèi)設(shè)備體積限制要求嚴(yán)格，而超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)效率高、體積小，對于提高發(fā)電效率，節(jié)省能源，減小發(fā)電系統(tǒng)體積和重量等諸多方而均有優(yōu)勢。所以，該系統(tǒng)在艦船上具有極大的應(yīng)用價值。表2所示為其對不同熱源的適用參數(shù)。

未來研究方向超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的特點決定了其在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，建議未來的工作重點放在以下幾個方而:①超臨界二氧化碳流體特性的基礎(chǔ)研究，如超臨界二氧化碳密度、熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理特性試驗測試和研究;②超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)運行控制策略研究。包括熱源控制、熱力循環(huán)控制、整流調(diào)壓控制、系統(tǒng)安全保護(hù)等;③高速渦輪、高速發(fā)電機(jī)的設(shè)計研究。主要針對高轉(zhuǎn)速下的軸承和密封問題開展研究;①高效換熱器的設(shè)計制造。一方而，要保證換熱器的效率;另一方而，還需考慮材料的耐腐蝕性問題;⑤系統(tǒng)關(guān)鍵部件及管路的材料研究。選取的材料不僅要達(dá)到系統(tǒng)的要求，還要充分研究其在高溫、高壓下的壽命周期，確保機(jī)組安全可靠。