循环电加热器(新技术 ‖ 超临界CO₂布雷顿循环)

Posted 2023-05-26

篇首语：聪明出于勤奋，天才在于积累本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了循环电加热器(新技术 ‖ 超临界CO₂布雷顿循环)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

循环电加热器(新技术 ‖ 超临界CO₂布雷顿循环)

【能源人都在看，点击右上角加“关注”】

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

S-CO₂循环的发展前景

S-CO₂循环技术的兴起源于美国，随后英国、法国、捷克、日本、韩国和中国等多个国家和地区都相继发展该技术。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。经过近二十年的发展，至今已接近商业化应用的成熟度水平。

美国是S-CO₂循环技术发展的风向标，代表了当今最先进的技术水平。美国能源部Sunshot计划支持下，西南研究院(SwRI)联合通用电气(GE)、Thar等公司完成了关键部件透平机械和微通道换热器的试验验证。美国能源部STEP项目位于德克萨斯州圣安东尼奥的示范电站于2018年10月破土动工，该项目由西南研究院(SwRI)，气体技术研究所(GTI)、通用电气(GE)共同参与。该示范电站耗资1.19亿美金，采用10MWe超临界CO2循环，预计2022年完工。美国NET Power公司与东芝公司合作建设完成50MWth 的直燃加热S-CO₂循环（Allam循环）试验装置，选址在德州La Porte，直接资金投入1.4亿美元，该系统于2018年5月30日点火，并于2019年上半年完成测试。

法国电力公司开展了适合S-CO₂的材料研究、聚光太阳能发电(CSP)动态模拟、S-CO₂换热系统设计；PCHE初步设计完成。在2013年提出二次再热燃煤S-CO₂循环系统概念设计，计算效率达50%。

日本东京工业大学完成了面向核反应堆的S-CO₂布雷顿循环系统设计，采用多级压缩-间冷技术路线，功率600MW，发电效率为45.8%；还设计了用于太阳能光热发电的S-CO₂布雷顿循环发电系统，发电效率达48.2%。

韩国原子能研究院分析了S-CO₂循环与钠冷快中子堆结合的可行性，推出了示范快堆电站KALIMEＲ－600，与美国阿贡国家实验室设计的电站相比，省去了中间回路，S-CO₂和堆芯出来的高温钠直接换热，减少了设备。

西南研究院(SwRI) S-CO₂循环试验装置

STEP项目S-CO₂循环示范电站布置

NET Power公司基于Allam循环原理的S-CO₂电站机组

我国在2012年左右开始基础技术的分析和设计的研究。2016年6月《中国制造2025——能源装备实施方案》中将S-CO₂循环发电列入清洁高效燃煤发电装备。近年来发展迅速，包括西安热工院、中国核动力研究院、中科院等科研单位针对循环系统开展了研究，其中西安热工院正在开展5MWe试验回路建设。华能开展燃煤S-CO₂发电技术研发，目标是实现600MW等级以上的大型S-CO₂火力发电系统及关键部件的工程方案。目前已完成5MW试验系统的设计，该系统最高压力21.5MPa，最高温度600℃，工质流量308t/h，整个系统由锅炉燃烧系统、涡轮发电系统、压缩机、回热器、循环冷却水系统、工质充排系统和热工基础试验系统等组成。另外还进行了300MW S-CO₂发电机组概念设计，其中锅炉的一次工质压力和二次工质压力分别为32MPa和18.4MPa，一次工质温度602℃，工质流量为7150.2 t/h，锅炉热效率达94.3%。

西安热工院S-CO₂循环装置

华能300MW S-CO₂概念设计

国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项2017年立项项目《超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究》，华北电力大学牵头，研究解决超高参数二氧化碳燃煤系统能量梯级利用、热力学循环及热学优化理论，以及关键部件能质转换与传递机理的关键科学问题，突破锅炉燃烧及污染物控制、换热器、透平及一体化系统设计等关键技术，研制锅炉、回热器及透平原理样机,最终完成发电效率51%的1000MW级系统概念设计，为逐步推进大容量S-CO₂燃煤发电系统示范及应用奠定理论与技术基础，实施周期4年，资助经费2842万元。

国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项2018年立项项目《超临界CO₂太阳能热发电关键基础问题研究》，中国科学院电工研究所牵头，拟解决的关键科学问题主要有：高温高效吸热器设计理论与方法，储热放热模式对系统性能的影响机理，S-CO₂与透平热功转换过程的相互作用机制。该项目拟建立基于采用太阳能聚光集热的S-CO₂太阳能热发电系统，研制发电功率不低于200kW的S-CO₂太阳能热发电实证平台，实施周期4年，资助经费3267万元。

2018年5月，中国电机工程学会发布《能源动力领域十项重大工程技术难题》，S-CO₂太阳能热发电技术被列为其中之一。2018年9月和11月，中科院完成了国内首座大型S-CO₂压缩机实验平台和双回路全温全压S-CO₂换热器综合试验测试平台的建设工作，填补了国内相关试验测试平台的空白。

S-CO₂循环应用前景

S-CO₂循环的内在优势主要有：（1）可与多种热源结合，循环效率高；（2）系统简单、设备紧凑、占地面积小；（3）CO₂化学性质稳定、密度高、成本低；（4）可以空冷、适用地区广。这些优势使得S-CO₂循环在各个发电领域具有很大的应用潜力。

S-CO₂布雷顿循环发电技术潜在应用领域

火力发电

对于间接加热的S-CO₂循环，其应用于火力发电的优势可通过与蒸汽循环的比较来体现。研究表明：（1）在效率方面，S-CO₂循环具有优于蒸汽循环的潜质。S-CO₂循环电厂在相同等级的运行参数下，其循环效率可比超超临界蒸汽循环电厂高5个百分点，并且这种优势随着温度等级向700℃以上发展时更趋明显。另一方面，相比水蒸气，二氧化碳对金属材料的氧化作用较小，所以在S-CO₂循环中高温氧化对材料许用温度的限制较小；（2）在设备成本方面，由于S-CO₂循环的最高压力在35MPa以内，最低压力在临界压力附近，压比非常小，所以二氧化碳透平尺寸小（约为蒸汽透平的1/10），透平制造成本势必成倍下降。此外，S-CO₂循环的系统布置非常简单、结构紧凑、辅助设备少、维护工作量小，也有利于提高电厂的综合效益。因此，S-CO₂循环具有替代蒸汽循环的潜在优势。

对于直燃加热的S-CO₂循环，即Allam循环，其用于火力发电，可与F级及更先进的燃气轮机—蒸汽轮机联合循环带碳捕捉（CCS）装置的电厂相媲美，也就是说，可替代IGCC和NGCC，并实现高发电效率和零排放。Allam循环技术，包括天然气Allam循环和煤气化Allam循环，均采用纯氧直燃加热的技术，使其在本质上具备清洁和高效两方面特性，S-CO₂循环还具有整合低品位热量的天然优势，可将空分设备的排热回收用于CO₂工质在低温大比热区的加热，大幅节省了空分的能耗。类似地，Allam循环也兼具S-CO₂循环所共有的系统简单、结构紧凑、维护方便等优势

我国的能源结构以煤为主，天然气资源比较短缺，发展基于燃煤和煤气化的火力发电技术更加适合我国的能源国情，所以间接加热的S-CO₂循环宜结合燃煤锅炉开展研发，而直燃加热的S-CO₂循环宜结合煤气化系统开展研发。

燃机余热和工业废热发电

S-CO₂循环热效率高，并且具有系统简单、结构紧凑、运行灵活等潜在优势，可与燃气轮机组成新型的燃气-S-CO₂联合循环。燃气-S-CO₂联合循环系统包括燃气轮机、余热锅炉和S-CO₂循环，另外，配置余热利用装置，可用于供热、制冷或者也可以进一步进行余热发电。系统总的运行过程为：燃气轮机运行发电，产生的高温排气进入余热锅炉，余热锅炉内布置三段加热器来加热S-CO₂循环工质，S-CO₂循环运行发电，并提供热量给余热利用装置。燃气-S-CO₂联合循环发电系统具有较高的热效率，并且保留部分较高品位的余热，可进一步用于电厂运行。

尽管工业废热是一种低品位的能源，但其储藏量巨大，即便是一小部分得以利用，也是很可观的。S-CO₂发电系统在较低温度下的效率相比同类热电系统高，体积小，便于安装。

1-预冷器，2-低压压缩机，3-间冷器，4-高压压缩机，5-回热器Ⅰ，6-回热器Ⅱ，7-回热器Ⅲ，8-回热器Ⅳ，9-高压透平，10-低压透平，11-加热器Ⅰ，12-加热器Ⅱ，13-加热器Ⅲ

燃气-S-CO₂联合循环布置

小型模块化压水堆核能发电

小型模块化压水堆（小型堆）核电站由于温度参数低，其发电效率不到30%，为了提高小型堆的核能利用效率，可将小型堆与可再生能源组合，并以先进的S-CO₂循环作为热能转换为电能的装置。基于简单回热模式的S-CO₂循环，并在此基础上增加一次间冷和一次再热，将小型堆与可再生能源集成为新型混合发电系统。S-CO₂循环发电系统以小型堆（二回路）和可再生能源作为热源，其中前者加热温度较低，作为低温段热源，后者加热温度较高，作为高温段热源。小型堆和可再生能源的热功率按照工程上常用设计，两者大小相互匹配。小型堆的热功率大多在50～300 MWt，可选配聚光太阳能集热器或生物质直燃锅炉与小型堆相结合。此外，CO₂本身是具备核安全属性的工质，并且S-CO₂循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统，确保在严重事故工况下，反应堆持续排出衰变热。集成小型堆和可再生能源的S-CO₂循环发电系统具备良好的发电效率和核安全性。

目前，国外对S-CO₂布雷顿循环的研究以核反应堆为主要应用对象，包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。根据美国能源部的规划，S-CO₂发电可能将在未来10年内实现。

1-主压缩机，2-低温回热器，3-二回路换热器，4-高温回热器，5-可再生能源加热器，6-高压透平，7-可再生能源再热器，8-低压透平，9-发电机，10-预冷器，11-预压缩机，12-间冷器，13-小型堆，14-可再生能源

基于小型堆和可再生能源的S-CO₂循环布置

太阳能发电

美国能源部认为，S-CO₂布雷顿循环可用于太阳能发电，并且能使太阳能光热式发电效率提高8%，使太阳能光热发电成本大幅降低。光热发电是利用太阳能的辐射能，通过聚光器和吸热器，将工质加热，再通过热机发电。S-CO₂布雷顿循环发电技术是目前最前沿的光热发电技术之一，2018年5月25日，中国电机工程学会发布了《能源动力领域十项重大工程技术难题》，S-CO₂太阳能热发电技术被列为其中之一。S-CO₂布雷顿循环仅需外界提供500~800摄氏度的温度，这是应用现有太阳能聚光器和吸热器技术即可很容易达到的的温度。

我国航空工业，机械工业都有布雷顿循环燃气轮机的研发和制造能力，尤其航空工业能生产各种功率等级，大量的布雷顿循环航空发动机产品。如能充分利用航空技术基础和设备条件，开展S-CO₂布雷顿循环的机组研发生产，则既可装备使用清洁能源的基本负荷电厂，也可装备中小电厂就地供电。在太阳能充分，当地无水的地区，更可发挥优势。由于太阳热发电系统能建成可储能，可以将不稳定的电变成为可调度的电，使电网能容纳更多不稳定的电源（如可再生能源的风电等）。从而为实现国家节能减排，应对气候变暖做出重大贡献，又为航空工业企业开发了巨大市场。

舰船发电及推进系统

由于舰船内部空间有限，对船内设备体积限制要求严格，而S-CO₂发电系统效率高、体积小，对于提高发电效率，节省能源，减小发电系统体积和重量等诸多方面均有优势。

目前国内95%民用船舶动力是柴油机，热效率在50%左右，其中排气损失热能量为25%，温度在250～350℃之间。其排气余热只有很少的热能被利用，大多数热量被排掉。

军用舰艇上的动力绝大多数是用燃气轮机，动力效率在40%以内，排气能量更大、温度更高，配用S-CO₂热机，将会节约更多的燃油。

结语和展望

S-CO₂循环发电技术是国内外发电行业广泛关注的热点，近年来S-CO₂循环发电技术也取得长足进步，处于由工程示范走向商业化应用的阶段。从总体来看，S-CO₂循环发电技术仍属于前沿技术，在S-CO₂循环发电系统中，总体循环架构的设计、工质品质、关键设备、控制技术以及高温材料的开发等方面均面临诸多挑战。当今世界正处于能源革命和转型发展的重要机遇期，S-CO₂循环作为传统蒸汽循环的替代技术，有望在未来多元化的能源体系中发挥独特作用。

郑开云

⏬ 郑开云

1980-，男，浙江宁波人，高级工程师，博士，主要从事动力工程技术研究工作。《南方能源建设》特约专家，先后在《南方能源建设》上发表论文《超临界二氧化碳循环应用于火力发电的研究现状》（2017年03期），《超临界工质布雷顿循环热力学分析》（2018年03期），《集成小型堆和可再生能源的超临界CO₂循环发电系统》（2019年02期），《燃气-超临界CO₂联合循环发电系统》（2019年03期）。

编辑发布：《南方能源建设》编辑部郑文棠

期刊网站：http://energy.gedi.com.cn/

以上内容为专家个人学术观点，其中部分图文引自网络，所发内容不代表本平台立场。未经允许不得擅改、套用或已其他方式使用，转载文章请联系告知并标明出处。《南方能源建设》（CN44-1715/TK，ISSN 2095-8676）为南方电网传媒有限公司主管，中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司主办的能源行业科技期刊，2014年12月创刊，目前为全国电力优秀期刊、广东省特色科技期刊、中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊、国家科技学术期刊开放平台收录期刊。

期刊微信号：EnergyGEDI

加关注

免责声明：以上内容转载自南方能源建设，所发内容不代表本平台立场。

全国能源信息平台联系电话：010-65367827，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社