二氧化碳发电

二氧化碳发电（Carbon dioxide generation）是一种新型发电技术^[1]。自第一次工业革命之后，热能的主要利用方式是将热源的热能通过动力系统转化为机械能（其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化石燃料燃烧等），为人类活动提供动力。超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质（实现热能和机械能相互转化的媒介物质），依靠工质在热机中的状态变化（如膨胀）才能作功，而作功通过工质才能传递热。超临界二氧化碳工质的优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。探讨了该技术的应用前景及预期效果，介绍了国内外该技术的发展情况，最后提出了未来的工作重点及建议。

二氧化碳发电研究现状

美国、英国、德国、日本、韩国、西班牙等国家均开展了超临界二氧化碳发电技术的研究，部分国家己经开展了样机制造和试验。 美国的Bechtel Marine Propulsion Corpora-tion (BMPC)公司搭建了100kW级的超临界二氧化碳发电试验系统，该系统是一种双轴带回热的闭式布雷顿循环系统，由一台可变速涡轮机驱动压气机，另一台恒速涡轮机带动电动机。该系统验证了方案的可行性，但由于其是缩比系统，所以总效率并不高。 世界上第一个兆瓦级的商用超临界二氧化碳发电机组 EPS100性能参数见表1)建于美国纽约，它同样采用的是双轴带回热的闭式布雷顿循环系统。该机组己经进入测试阶段，初步的测试数据己经证实了兆瓦级超临界二氧化碳发电机组的可行性，而且在偏离设计工况下的关键部件的性能与模型预测值一致，说明兆瓦级超临界二氧化碳发电技术己被基本掌握。 NREI,(美国能源部能源效率及可再生能源办公室下属的国家试验室)于2012年提出以EPS100系统为基础的SunShot试验计划，开发10 MW超临界二氧化碳涡轮机，总预算1600万美元，计划分三个阶段完成:2013年设计、2014年制造、2015年运行。超临界二氧化碳涡轮机功率可达10 MW,温度达700℃，整个试验系统包括EPS100系统、高温涡轮机、高温换热器、改装的压气机、700℃热源和干式冷却系统等。 麻省理工学院提出了再压缩超临界二氧化碳冷却核反应堆的总体方案(见图1)，并进行了热动力设计，反应堆额定热功率为2400MW,涡轮机入口温度和压力分别为647℃和20MPa，系统热效率为51%以上，净效率为47%以上。

美国海军堆项目组下属诺尔斯原子能实验室与贝蒂斯实验室，正在探索超临界二氧化碳布雷顿循环技术在船舶动力系统领域的应用。2010年，他们己建成一座100kW电功率的整体试验系统，1000-3000kW电功率的超临界二氧化碳试验的前期工作也在进行中。 美国Echogen公司针对余热发电研制出了超临界二氧化碳发电系统。该系统可以通过对阀的调节满足不同余热温度的运行条件，并且保证余热发电效率达到30%以上。该系统可用于舰船发动机余热发电系统，将柴油机排出的中、高温烟气的热量加以利用，降低了能量的浪费，可使整个系统效率提高30%以上。同时，还可用于燃气轮机联合循环发电，用超临界二氧化碳取代传统的蒸汽循环，不仅能增加发电功率，还能减少安装成本^[2]。

欧盟、日本、韩国也先后开展了超临界二氧化碳动力装置的研究。欧盟于1997年就开展了基于超临界二氧化碳循环的新一代反应堆的论证;日本东京工业大学完成了用于核反应堆的超临界二氧化碳循环系统设计(见图2)。该设计中采用了多级压缩中间冷却技术，额定功率为600MW,涡轮机入口温度647℃，反应堆出口运行压力约为7MPa，系统效率为45.8%以上;该大学还完成了用于太阳能发电的超临界二氧化碳循环系统设计，系统效率高达48.2%以上;韩国原子能研究院分析了超临界二氧化碳循环与钠冷快中子堆结合的可行性。另外，国外许多学者针对超临界二氧化碳发电技术进行了相关研究。在二氧化碳物性方而，Allan等人提出了二氧化碳传输特性理论计算的改进方法;Brandon则对超临界二氧化碳的热力特性进行了测试;Ladislav对超临界二氧化碳循环回路中的夹点位移效果进行了分析;Jacob等人测试了相关材料在高温超临界二氧化碳环境下的腐蚀性能。

而热交换器也不乏研究，现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器(PCHE)，它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力;有学者对印制电路板热交换器(PCHE)进行了数值分析，并对高效换热器的设计提出了指导意见;Timothy对不同热传输表而的换热器进行了对比研究，结果表明线网热传输表而具有进一步开发的可行性。

涡轮机是影响机组效率的核心部件，同样有许多学者以提高涡轮机效率为目标。Timothy对超临界二氧化碳涡轮的1级叶片进行了空气动力分析，并得出了相应结论;Aaron则测试了压力叶封(PALS)的性能，肯定了其商用价值;Haomin研究了不同形状下的迷宫密封的泄漏率，得到了指导性意见;Jekyoung研究了在临界点附近的超临界二氧化碳压缩机的性能测量的不确定性，其研究表明超临界二氧化碳压缩机的性能测量具有较大难度;Noah对比测试了小尺寸和全尺寸的超临界二氧化碳压缩系统，其研究表明全尺寸压缩效率大大高于缩比压缩效率。

二氧化碳发电基本原理

超临界二氧化碳发电系统是一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，其循环过程是:首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压;然后，利用换热器将工质等压加热;其次，工质进入涡轮机，推动涡轮做功，涡轮带动电机发电;最后，工质进入冷却器，恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环，工质的压力和体积的变化情况如1-2-3-4-1循环 ^[3]。

为了提高换热效率，通常会采用中间回热的方式，利用涡轮出口工质的余温预热压缩机出口的工质。循环还可采用多级压缩中间冷却技术进一步提高效率。

二氧化碳发电系统简介

1.超临界二氧化碳的特点。当二氧化碳的温度达到31℃,压力达到7.3MPa时将变为超临界状态，其气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、压缩功率小等典型优势，适合用于热力循环。相比其他同类型热力循环的工质具有以下特点:（1）二氧化碳临界温度和压力远低于水的临界点（临界温度374.1℃，临界压力21.8 MPa），容易达到超临界状态，有利于工程应用;（2）超临界二氧化碳是一种非常稠密的流体，具有密度大、传热效率高、做功能力强等流体特性;（3）兼具气体特性，粘性小，流动性强，系统循环损耗小;（4）超临界二氧化碳循环无相变，压缩过程中压缩功率减小，只占涡轮输出功率的30%以上，而常规氦气循环要占到45%左右，燃气轮机则更高，要占到50%到60%。

2.超临界二氧化碳发电系统的特点。由于超临界二氧化碳的特殊优势，采用此工质的发电系统的优越性主要表现在以下几个方而。

一是效率高。根据国外研究图表分析可知，超临界二氧化碳温度达550℃时，超临界二氧化碳发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45%左右。随着温度的升高，效率也升高3%。可以看出超临界二氧化碳循环发电系统效率比同条件下的氦气循环发电系统高。

二是体积小、重量轻。超临界二氧化碳发电系统的体积和重量约为传统蒸汽发电系统的50%以上。超临界二氧化碳发电系统中的循环介质为二氧化碳，在全循环过程中，二氧化碳均处于超临界状态，不发生相变，密度大，动能大，冷却器、管路附件尺寸小。据国外资料介绍，通过对不同工质的典型涡轮机产品尺寸的调查可知，超临界二氧化碳由于密度大、动能大，所需涡轮级数小，涡轮机轴向尺寸降低，冷却器、管路附件尺寸相应减小;当涡轮机进气压力为15^-20MPa、转速在100000r/min左右时，相比传统蒸汽发电系统，其体积减小50%以上。

三是噪声低。对于旋转类机械设备，通常其振动特征频率主要集中在轴频以上。超临界二氧化碳发电系统一般采用高速涡轮机发电机组，转速高，以高频振动线谱为主，有利于隔振降噪 ^[4]。

二氧化碳发电关键技术

超临界二氧化碳发电是未来能源综合利用的一个发展方向，要全而掌握和利用该技术，重点需要在以下几个方而开展研究 ^[5]。

1.超临界二氧化碳物性、换热规律复杂，需要系统性研究。超临界流体不同于常规液体或气体，在热力学变化过程中会偏离理想气体，特别是在近临界区和跨临界点时，热力学参数呈非线性变化，其独特物性带来的流体流动和换热规律的特殊性，会使系统变工况运行和负荷调节控制难度加大，因此需要全而掌握超临界二氧化碳物性、换热规律。

2.超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，需要开展控制研究。系统循环的高效率是建立在冷凝器出口即压气机吸入口(循环起点)的二氧化碳仍处于超临界状态的临界点（31℃,7.3MPa）上，当系统输出需求发生变化时，整个系统的热量获取、冷却量供给、高速涡轮发电机、高速压气机的转速均要做相应调整，需要精确调节控制，确保系统仍处于超临界状态以上，才能使系统效率达到最优。

3.需要突破超临界二氧化碳高速涡轮发电机组设计制造技术，提高发电效率。涡轮发电机组的效率和可靠性是确保超临界二氧化碳发电技术优势发挥的关键，确保涡轮发电机高转速是设备减少体积、降低重量、提高效率的重要途径。涡轮发电机组在设计过程中，在确保高转速的前提下，既要兼顾高速精密轴承、转子运行稳定性，同时要充分考虑超临界二氧化碳工质温度、压力、密度等参数，以及发电机电磁、温升等参数的影响问题，因此高速涡轮发电机组的设计与制造是系统高效率的保证。

4.高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数处于近临界点，降低换热端差，同时对于临界点附近的换热性能突变充分考虑运行裕量，实现这些目标要求有紧凑、高效和可靠的换热器进行快速的热量交换，实现低温差高效换热。

5.系统材料耐压、耐高温、耐腐蚀要求高，需要研究高性能材料。为实现高效率，必须提高系统热力循环的温度、压力，要求超临界二氧化碳热力循环压力15^-32MPa，温度达550℃以上。为了满足高温高压参数要求，加热器、涡轮机、发电机的材料都必须具有高强度、耐高温、耐腐蚀性的特点，设备的加工、生产、热处理、检验探伤等工艺则需要技术突破。

二氧化碳发电应用前景

超临界二氧化碳布雷顿循环由于效率高、系统体积小、噪声低等优点，在很多领域具有很好的应用前景，主要可用于以下几个方而。

1.用于核反应堆川。国外对超临界氧化碳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。超临界二氧化碳布雷顿循环除了效率高、体积小等优势外，在安全性上与采用蒸汽系统相比有了极大改善。根据美国能源部的规划，超临界二氧化碳发电可能将在未来10年内实现。

2.用于太阳能发电。美国能源部认为，超临界二氧化碳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%以上，使太阳能光热发电成本大幅降低，提高其竞争力。

3.用于工业废热发电。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。超临界二氧化碳发电系统在较低温度下的效率相比同类热电系统高，并且体积小，便于安装。

4.用于舰船。由于舰船内部空间有限，对船内设备体积限制要求严格，而超临界二氧化碳发电系统效率高、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而均有优势。所以，该系统在舰船上具有极大的应用价值。

二氧化碳发电未来研究方向

超临界二氧化碳发电技术的特点决定了其在很多领域都有很好的应用前景，建议未来的工作重点放在以下几个方面:（1）超临界二氧化碳流体特性的基础研究，如超临界二氧化碳密度、热容、粘度、导热系数等热物理特性试验测试和研究;（2）超临界二氧化碳发电系统运行控制策略研究。包括热源控制、热力循环控制、整流调压控制、系统安全保护等;（3）高速涡轮、高速发电机的设计研究。主要针对高转速下的轴承和密封问题开展研究;（4）高效换热器的设计制造。一方面，要保证换热器的效率;另一方面，还需考虑材料的耐腐蚀性问题;（5）系统关键部件及管路的材料研究。选取的材料不仅要达到系统的要求，还要充分研究其在高温、高压下的寿命周期，确保机组安全可靠。

参考资料

1.高峰, 孙嵘, 刘水根. 二氧化碳发电前沿技术发展简述[J]. 海军工程大学学报(综合版), 2015, 12(4):92-96.

2.中国科技网. 荷兰科学家开发出二氧化碳发电新技术[J]. 黑龙江科技信息, 2013(23):6-6.

3.Thomas Anderson. 利用二氧化碳发电[J]. 英语画刊:高级版, 2014(6).

4.卫荣平. 一种二氧化碳发电系统:, CN203640783U[P]. 2014.

5.廖吉香, 刘兴业, 郑群,等. 超临界CO2发电循环特性分析[J]. 热能动力工程, 2016, 31(5):40-46.

相关学术论文

董力.超临界二氧化碳发电技术概述． 《 中国环保产业 》 ， 2017

中国科技网 荷兰科学家开发出二氧化碳发电新技术． 《 浙江节能 》 ， 2013

张荻，王雨琦，谢永慧. 一种利用干热岩地热能的多性态二氧化碳发电系统及方法． 2019

刘广林，孙淑红，王丽 浅谈超临界二氧化碳发电系统． 《 cnki 》 ， 2018

高凌云. 利用二氧化碳发电．《 cnki 》，2017

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审阅专家 石季英

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