华北电力大学：超临界二氧化碳（sCO₂）动力循环展望

　　研究背景

　　水蒸汽朗肯循环热功转换是主流发电技术。目前大型燃煤发电机组主蒸汽温度已达630℃，进一步提升效率受到材料制约，700℃蒸汽温度下钢材腐蚀严重，限制了主蒸汽参数的提高。超临界二氧化碳动力循环，简称sCO₂循环，采用CO₂实现热功转换。sCO₂循环有三个优势。首先，CO₂化学性质稳定，高温下与金属材料反应弱，为进一步提高主蒸汽参数奠定了基础；其次，当主蒸汽温度超过550℃时，sCO₂循环效率高于水蒸汽朗肯循环；再次，sCO₂循环系统高压运行，系统紧凑。

　　20世纪60年代就提出了sCO₂循环，在其后的几十年内并未受到重视。近20年来，由于面临能源和环境的双重压力，sCO₂循环重新受到国际学术界和工业界关注，各国都投入了相当的人力物力研发该前沿能源技术。目前，sCO₂循环处于基础研究阶段，实验研究集中在关键部件及小容量机组测试上，人类要实现大规模CO₂循环发电，有许多研发工作要做。近日，华北电力大学徐进良教授团队及西安交通大学李明佳教授等在ENERGY上发表论文，综述了sCO₂循环研究进展，科学问题，技术瓶颈，解决对策及未来工作，为该领域的发展提供了专业的见解。

　　1. sCO₂与金属材料相容性问题

　　二氧化碳在高温高压环境下与金属材料的化学反应速率决定了循环所能采用的最高主蒸汽温压参数，与机组发电效率密切相关。目前，已对sCO₂与金属的相容性进行了一些实验，但数据还不能支撑大规模机组的设计和运行，体现在以下几个方面：(i) 采用高纯度CO₂测试，与机组实际运行工况有偏离；(ii) 测试时间不够长；(iii) 采用增重法表征化学反应速率，建议采用减重法更有价值。总之，建议测试并建立sCO₂与典型金属材料，包括合金钢的化学反应速率数据库，进行合理评估，以支撑sCO₂机组的设计和运行。

　　2. sCO₂循环的选择

　　再压缩（RC）、再压缩+中间冷却（RC+IC）与再压缩+再热（RC+RH）是基本的循环形式。已经证明，间冷能够降低压气机耗功，可适当提高机组效率，但再热对提升效率更加明显。当sCO₂循环与不同热源耦合时，难以找到一个固定循环，适合不同热源（太阳能、核能、化石能源及余热）。例如，再压缩循环与太阳能或核能耦合时，由于热源跨越温区较窄，比较适合，但再压缩循环不适合余热利用。对于大规模sCO₂燃煤动力系统，由于sCO₂循环主要适合中高温热源，全温区吸收烟气热量是最大挑战。近来，Xu等提出了S-CO₂循环的全温区吸收烟气热量方法，分别采用顶循环和底循环吸收高温和中温烟气热量，空气预热器吸收低温烟气热量，解决了这一难题。另外，现有文献分析循环时，大多没有和关键部件的热工水力特性进行耦合。sCO₂循环的特点是循环流量特别大，相同功率下，sCO₂循环流量是水蒸汽朗肯循环的~6倍以上，导致sCO₂在关键部件流动时产生明显的堵塞效应，即压降惩罚效应。鉴于此，Xu等提出1/8 减阻原理，由此产生sCO₂锅炉的模块化设计，解决了这一难题。

　　当sCO₂循环用于不同热源时，存在直接式sCO₂循环和间接式sCO₂循环之分。在直接式sCO₂循环中，sCO₂直接吸收热源热量，效率高，但存在严重的传热问题，例如，对于直接式太阳能sCO₂循环，太阳能吸热器温度高，热应力大，安全问题严重。间接式sCO₂循环采用其它工质，如熔融盐吸收太阳能热量，熔融盐回路和sCO₂循环回路采用中间换热器进行耦合。在进行循环研究时，现有文献主要关注sCO₂循环本身，对热源和sCO₂循环的耦合环节关注不够。sCO₂循环效率高并不代表整个系统效率高。因此，我们建议：(i)提出适合于不同热源特点的循环结构；(ii) 研究sCO₂循环与关键部件热工水力特性的耦合机理。 

　　循环分析的合理性取决于关键部件的效率。在现有文献中，压气机和透平效率均假设在0.9以上，缺少足够的实验数据支撑。压气机和透平分为径流式和轴流式，分别适合于小容量机组和大容量机组。小容量机组的透平效率很难达到0.9，大容量机组旋转机械效率亟需进行理论和实验研究。

　　sCO₂传热发生在sCO₂循环的多种设备中，如中间换热器、回热器和冷却器等。实验方面，现用sCO₂传热数据局限于小直径管道和较低温压参数，实验数据集中在~8MPa附近。实际运行时，压力至少大于20MPa，约为CO₂临界压力的3倍以上，热流密度远大于100kW/㎡。一些传热关联式仅适用于研究者自己的参数范围，难以扩展到参数范围之外。理论方面，已进行了较多的sCO₂传热数值模拟，但缺乏公认的湍流模型，在不同条件下都具有良好的预测精度。现有超临界传热理论框架基于单相均匀的物质结构，强调物性变化、浮生力和加速效应对sCO₂传热的影响。

　　超临界传热研究的目的是确保受热面安全，如何预测传热恶化是非常重要的问题，超临界传热恶化机理仍然是悬而未决的问题。鉴于单相流体理论框架不能很好解释及预测超临界传热危机，Zhu等引入Pseudo-boiling(类沸腾)处理sCO₂传热，核心思想是将加给超临界流体的热量分为两部分，一部分用于流体升温，另一部分用于“沸腾”相变。将亚临界压力的气泡生长和超临界压力的类汽膜生长进行类比，提出新的无量纲参数：超临界沸腾数SBO，以判断传热恶化的发生。在宽广实验参数范围内，发现存在确定的临界SBO数5.126×10-4，当SBO数大于该临界值时，发生传热恶化，佐证了超临界流体的异质结构(structure of gas-like fluid and liquid-likefluid)。sCO₂传热研究建议如下：(i) 进行更加宽广参数范围的实验研究；(ii) 提高超临界传热数值模拟的精度；(iii) 发展通用传热系数关联式；(iv) 研究超临界传热的类沸腾传热机理。

　　sCO₂循环加热器担负吸收热源热量的重任。第四代先进核电站概念设计采用直接或间接式sCO₂循环。对于间接sCO₂循环，中间换热器是耦合反应堆一回路和sCO₂循环二回路的纽带，应加强气冷堆高温气体和sCO₂耦合传热研究，加强液态金属堆中池式液态金属和sCO₂耦合传热研究。有专家提出直接式sCO₂核能系统，限于sCO₂冷却堆芯的能力，难度较大。

　　太阳能聚焦热发电（CSP）sCO₂循环也分为直接和间接循环。在直接循环中，sCO₂在太阳能吸热器 (solar receiver) 中直接吸收太阳能，系统效率较高，但由于热流密度的不均匀分布及热应力问题，严重威胁吸热器安全，应加强实验和理论研究，为太阳能sCO₂循环设计和运行提供支撑。在间接sCO₂循环中，熔盐可作为吸收太阳能的热载体，应解决熔盐腐蚀、泄漏、堵塞等技术难题。

　　对于化石能源sCO₂电站，sCO₂流sCO₂锅炉的各级受热面（冷却壁、再热器和过热器等），如何确保锅炉安全运行是重中之重。首先，应对循环要求，CO₂进入锅炉的温度比水蒸汽锅炉高，例如520℃, 导致锅炉受热面整体温度的上升；其次，sCO₂传热系数一般在3-5 kW/㎡K，在200-300 kW/m²热负荷下，CO₂与管内壁温差可达40-100K。近年来，我国在科技部重点专项支持下，围绕sCO₂锅炉壁温控制，提出了耦合锅侧和炉侧综合调控方法及炉型设计，在炉侧降低并改善热负荷分布，在锅侧采用内螺纹管，调整传热管倾角及管径等，取得较好效果。

　　PCHE最初由英国Heatric公司提出，可理解为一种更加紧凑的板式换热器。由于功率密度高和体积小而备受青睐。S-CO₂循环具有非常大的系统内部回热，回热量可达净输出功的3-4倍，减小回热器尺寸对于整个系统紧凑化和快的负荷响应速率非常重要。已证明PCHE在小规模sCO₂循环中有效。美国NET Power公司将PCHE集成到一个50MWth的天然气示范电厂的设计中。Zigzag是PCHE通道的传统结构。近期的进展包括发展新的通道结构，例如S型和翼型(aerofoil)，减少PCHE阻力，提升PCHE综合传热性能。亟待开展大容量机组(>100MW级)采用PCHE的可行性研究，包括设计加工方法和成本估算。目前认为PCHE有较好的传热性能，但成本昂贵，如何降低成本很重要。从运行角度，发展弯曲窄缝通道清除杂质的新方法也具有重要意义。

　　sCO₂旋转机械表现出新的特点：(i) 高运行压力和低压比；(ii) 大轴向推力，轴承、密封和转子动力学问题严重；(iii) 超高功率密度和超高转速。径流式和轴流式旋转机械分别适用于小容量和大容量机组。现有大型旋转机械主要基于理想气体假设，但理想气体假设用于sCO₂旋转机械设计时，实际运行特性参数与设计值产生明显偏离。sCO₂透平运行远偏离临界压力，但sCO₂压气机运行可跨越临界压力，产生明显的实际气体效应。现有商业软件数值模拟，难以捕捉实际气体效应，导致参数偏移。应发展新的数值模拟方法，考虑实际气体效应，提高sCO₂旋转机械数值模拟的精度、收敛性及计算速度，彻底明晰sCO₂旋转机械热功转换机理。

　　国际上（美国、韩国、中国等）已建立了小容量sCO₂实验系统，目前可得出如下结论：(i) 已建立的sCO₂实验系统主要针对小容量机组并采用径流式旋转机械；(ii) 小型实验系统效率偏低，关键输出参数低于设计值；(iii) 二氧化碳严重泄漏，降低了系统性能；(iv) 大型轴流式旋转机械可能不会出现小型径流式旋转机械的类似问题。建议的研究方向如下：(i) 发展充分反映实际气体效应的数值模型及计算方法，提高设计精度；(ii) 彻底解决轴承、密封、转子动力稳定性等技术问题；(iii) 提出sCO₂ 旋转机械一体化解决方案；(iv) 测试并提供sCO₂ 压气机和透平的可靠效率数据。

　　变工况运行是指由于换热器边界条件发生变化，引起换热器一侧或两侧的质量流量和温度发生变化，改变整个循环的传热速率和温压参数，从而改变压气机和透平压比，使发电量和循环效率偏离设计值。压气机和回热器由于存在实际气体效应，应引起重视。变工况运行甚至可使超临界循环转换为跨临界循环。Floyd等表明当冷源温度从21℃提高到40℃时，实际气体效应引起压比下降，导致发电量和效率下降。为了在冷源温度升高时获得恒定的功率和效率，压气机应具有一定的自由度。对于太阳能sCO₂循环，应考虑太阳辐射热负荷和冷源温度的变化。sCO₂循环瞬态分析和控制的目的是确保在各种扰动条件下，各部件能够安全运行并维持超临界压力运行。总体上说，sCO₂循环的变工况及瞬态分析目前还处于起步阶段，建议的研究方向为：(i) 发展适合于不同热源S-CO₂循环的变工况及瞬态分析计算程序；(ii) 建立sCO₂综合示范系统，对关键部件及整个系统进行机理验证。

　　sCO₂循环具有大规模商业运行的潜力，sCO₂循环的研发面临三个方面的问题：

　　(i) 缺乏稳态和非稳态运行的系统层面的设计和分析方法；

　　(ii) sCO₂能量传递和转换机理还未彻底明晰；

　　(iii) 关键部件存在密封、泄漏和转子动力学稳定性等难题。

　　解决这些问题的措施是：

　　(i) 提出适合于不同热源特点的sCO₂循环，以提高全局的系统效率；

　　(ii) 发展高精度数值模拟方法，进行实验验证，提高关键部件设计精度；

　　(iii) 针对关键部件技术瓶颈，提出一体化解决方案，并在实际运行系统中得到验证。

　　https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.161

　　华北电力大学能源动力与机械工程学院院长，全国首届黄大年式团队负责人，长江学者特聘教授，杰出青年基金获得者，科技部973项目首席科学家。现任工程热物理学会多相流分会副主任，低品位能源多相流与传热北京市重点实验室主任。主要研究方向为微纳传热、低品位能源利用、先进动力循环及太阳能利用等。在微通道沸腾传热方面，进行了较为系统的研究，获得教育部自然科学一等奖。攻克并形成了有机朗肯循环ORC工质选择、有机工质相变传热调控及系统集成一体化技术，发展了烟气余热驱动ORC的海水淡化及制氢模式。近年来主要研究sCO₂动力循环。连续5年获能源领域中国高被引学者。担任国际会议主席或共同主席4次，做国际会议大会报告或特邀报告40余次。团队建设有超高参数二氧化碳传热实验台、高温太阳能模拟器、有机朗肯循环发电试验平台、微纳尺度传热试验平台等。

　　团队网址：http://bjmfht.ncepu.edu.cn/。

　　中国工程院院士，教授/博导，新能源电力系统国家重点实验室主任，“973计划”项目首席科学家。兼任中国电机工程学会副理事长、公共安全科学技术学会副理事长、英国工程技术学会会士（FIET）、第十二届全国政协委员。长期致力于发电厂自动化技术研究，带领团队攻克了行业发展面临的多项关键技术难题，取得了具有开创性、系统性的研究成果。2004年研发成功我国第一套火电厂厂级监控信息系统；2011年主持研发成功我国最大容量1000MW超超临界机组自动化成套控制系统；2013年研发成功世界首台600MW超临界循环流化床机组自动化控制系统。获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，其他省部级及以上奖项7项。出版《新能源电力系统建模与控制》等学术著作5部，获授权发明专利20余项。

　　华北电力大学能源动力与机械工程学院教授、博导，国家杰出青年基金获得者，科技部973项目首席科学家，被授予全国优秀科技工作者荣誉称号。现任华北电力大学校长，国家火力发电工程技术研究中心主任，兼任国家能源专家咨询委员会委员，中国工程热物理学会副理事长，中国能源研究会常务理事等。长期从事火电厂热力系统及热力学理论、节能理论与方法、电站空冷技术、洁净煤发电、生物质利用、燃气轮机联合循环等方面的研究工作。从系统集成、能耗时空分布、关键节能减排技术等不同侧面，围绕大型火电机组节能减排开展应用基础研究，并积极推动研究成果的工程应用与实践。获得国家科技进步二等奖1项、教育部科技进步一等奖2项、省部级科技进步二等奖2项。

　　西安交通大学教授，本科毕业于University of Liverpool, U.K、硕士研究生毕业于University of Nottingham, U.K，博士是西安交通大学和Columbia University, U.S联合培养。长期从事能源高效利用的理论与技术、新型超临界二氧化碳循环以及微生物固碳等方向的研究。论文被SCI收录63篇，其中ESI全球TOP1%高被引论文8篇，ESI全球TOP0.1%热点论文2篇，6篇入选ESI库中研究前沿（Research Front）；获授权国家发明专利9项，软件著作权3项，并做国际会议特邀报告7次。获亚洲热科学青年科学家奖（AUTSE Young Scientist Award），全国博士后创新人才支持计划，陕西省首批青年杰出人才，吴仲华奖励基金优秀研究生奖等奖励。是国际著名期刊Energy（JCR TOP期刊）的客座编辑，美国ES Energy& Environment 期刊编委，Journal of Thermal Science 编委等。