超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
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与其他动力循环 （蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环）
收稿日期：2018-12-18 基金项目：中核集团自主研发项目 （2017-568） 第一作者简介：冯 岩，1988年生，男，河南民权人，2012年毕业 于北京理工大学机械制造及其自动化专业，工程师。
相比，S-CO2 循环具有如下特点：a) S-CO2 工质的特点。 当 CO2 的 压 力 达 到 7.377 MPa， 温 度 达 到 304.128 K 时，变为超临界状态，其临界温度和压力远低于水的临 界点 （22.064 MPa，647.096 K），易于达到；S-CO2 具
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2019 年第 2 期
2019 年 2 月
有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强， S-CO2 兼具气体特性，黏度小、流动性强、系统循环损 耗小 ，S-CO2 工质 在循环 中无 相 变 。S-CO2 还 具有 无 毒、不可燃、良好的化学稳定性、环境友好、成本低 廉等特征[4]；b) S-CO2 布雷顿循环效率高。当 S-CO2 温 度达到 550 ℃时，S-CO2 发电系统的热效率可达 45%。 随着温度升高接近 750 ℃时，其系统热效率可达 50%， 该参数比同等条件下氦气循环发电系统效率高；c) 设 备体积小、质量轻。在 S-CO2 布雷顿循环中，CO2 始终 处于超临界状态，密度大，动能大，不发生相变，所 需涡轮级数少，涡轮机轴向尺寸小，冷却器、管路附 件等尺寸相应减小[5]。
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熵s/(J·mol-1·K-1)
a) 热力循环T-S图
压缩机 1
5 涡轮机
发电机 2
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预
冷
热
器
回热器
源3
6 b) 循环简单结构图
1.压缩机入口；2.压缩机出口；3.回热器冷侧流体出口；4.涡轮机入 口；5.涡轮机出口；6.回热器热侧流体出口。 图 1 S-CO2 布雷顿循环的工作原理示意图
0 引言
超临界二氧化碳 （以下简称“S-CO2”） 布雷顿循 环是一种可实现高效热电转化的动力循环，它以 CO2 为工质，利用布雷顿循环完成能量转化，在整个循环 过程中始终保持 CO2 为超临界状态。该循环可利用的 热源温度范围广 （400 ℃～700 ℃）、效率高 （40%～ 50%），适用于太阳能、核能、分布式能源、船舶动力、 燃料电池等多个领域[1]，被认为是当前最具有发展前景 的能量转换系统之一[2]。
关键词： 超临界二氧化碳布雷顿循环；再压缩循环；部分冷却循环；循环效率
中图分类号： TK14
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2019)02-0097-04
Review of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle Research
FENG Yan, WANG Jide
2019 年第 2 期 （总第 161 期）
2019 年 2 月
技术研究
超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
冯 岩，王绩德
（中国中原对外工程有限公司，北京 100044）
摘 要： 超临界二氧化碳 （S-CO2） 布雷顿循环是当前最具有发展前景的能量转换系统之一，适用于核能、太阳能、分
布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域。阐述了S-CO2布雷顿循环原理及特点，综述可应用于核电领域的S-CO2简单 布雷顿循环典型结构布局、不同布局下循环性能参数以及优缺点，分析结果能够为相关发电领域S-CO2布雷顿循环系统 设计与应用提供参考。
(China Zhongyuan Engineering Corp., Beijing 100044, China)
Abstract: Supercritical carbon dioxide(S-CO2) Brayton cycle is one of the most promising energy conversion systems, suitable for nuclear energy, solar energy, distributed energy, marine power, fuel cells and other fields. This paper expounded the principle and characteristics of S-CO2 Brayton cycle and summarized the typical structure layout, cycle performance parameters under different layouts, advantages and disadvantages of S-CO2 Brayton cycle in nuclear power field. The analysis results can provide reference for the design and prototype experimental research of S-CO2 Brayton cycle system in related power generation fields. Key words: supercritical carbon dioxide Brayton cycle; recompression cycle; partial cooling cycle; cycle efficiency
1 S-CO2 布雷顿循环介绍
S-CO2 布雷顿循环的工作原理如图 1 所示，该循环 为典型的布雷顿循环，包括压缩过程、回热过程、加 热过程、膨胀过程、预冷过程五个热力过程，如图 1 a) 所示，其主要由压缩机、回热器、涡轮机、预冷器和 热源构成；如图 1 b)所示，其循 环过 程为：a) S-CO2 工质经压缩机升压后，利用换热器将 S-CO2 工质等压 加热到高温；b) 高压高温的 S-CO2 工质进入涡轮机， 推动涡轮做功并带动发电机发电；c) 工质进入冷却器 恢复到初始状态，在此进入压气机形成闭式循环， S-CO2 的压力和体积变化情况如图 1 a)中的 1-2-3-4-5 -6-1 循环[3]。
收稿日期：2018-12-18 基金项目：中核集团自主研发项目 （2017-568） 第一作者简介：冯 岩，1988年生，男，河南民权人，2012年毕业 于北京理工大学机械制造及其自动化专业，工程师。
相比，S-CO2 循环具有如下特点：a) S-CO2 工质的特点。 当 CO2 的 压 力 达 到 7.377 MPa， 温 度 达 到 304.128 K 时，变为超临界状态，其临界温度和压力远低于水的临 界点 （22.064 MPa，647.096 K），易于达到；S-CO2 具
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2019 年第 2 期
2019 年 2 月
有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强， S-CO2 兼具气体特性，黏度小、流动性强、系统循环损 耗小 ，S-CO2 工质 在循环 中无 相 变 。S-CO2 还 具有 无 毒、不可燃、良好的化学稳定性、环境友好、成本低 廉等特征[4]；b) S-CO2 布雷顿循环效率高。当 S-CO2 温 度达到 550 ℃时，S-CO2 发电系统的热效率可达 45%。 随着温度升高接近 750 ℃时，其系统热效率可达 50%， 该参数比同等条件下氦气循环发电系统效率高；c) 设 备体积小、质量轻。在 S-CO2 布雷顿循环中，CO2 始终 处于超临界状态，密度大，动能大，不发生相变，所 需涡轮级数少，涡轮机轴向尺寸小，冷却器、管路附 件等尺寸相应减小[5]。
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熵s/(J·mol-1·K-1)
a) 热力循环T-S图
压缩机 1
5 涡轮机
发电机 2
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器
回热器
源3
6 b) 循环简单结构图
1.压缩机入口；2.压缩机出口；3.回热器冷侧流体出口；4.涡轮机入 口；5.涡轮机出口；6.回热器热侧流体出口。 图 1 S-CO2 布雷顿循环的工作原理示意图
0 引言
超临界二氧化碳 （以下简称“S-CO2”） 布雷顿循 环是一种可实现高效热电转化的动力循环，它以 CO2 为工质，利用布雷顿循环完成能量转化，在整个循环 过程中始终保持 CO2 为超临界状态。该循环可利用的 热源温度范围广 （400 ℃～700 ℃）、效率高 （40%～ 50%），适用于太阳能、核能、分布式能源、船舶动力、 燃料电池等多个领域[1]，被认为是当前最具有发展前景 的能量转换系统之一[2]。
关键词： 超临界二氧化碳布雷顿循环；再压缩循环；部分冷却循环；循环效率
中图分类号： TK14
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2019)02-0097-04
Review of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle Research
FENG Yan, WANG Jide
2019 年第 2 期 （总第 161 期）
2019 年 2 月
技术研究
超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
冯 岩，王绩德
（中国中原对外工程有限公司，北京 100044）
摘 要： 超临界二氧化碳 （S-CO2） 布雷顿循环是当前最具有发展前景的能量转换系统之一，适用于核能、太阳能、分
布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域。阐述了S-CO2布雷顿循环原理及特点，综述可应用于核电领域的S-CO2简单 布雷顿循环典型结构布局、不同布局下循环性能参数以及优缺点，分析结果能够为相关发电领域S-CO2布雷顿循环系统 设计与应用提供参考。
(China Zhongyuan Engineering Corp., Beijing 100044, China)
Abstract: Supercritical carbon dioxide(S-CO2) Brayton cycle is one of the most promising energy conversion systems, suitable for nuclear energy, solar energy, distributed energy, marine power, fuel cells and other fields. This paper expounded the principle and characteristics of S-CO2 Brayton cycle and summarized the typical structure layout, cycle performance parameters under different layouts, advantages and disadvantages of S-CO2 Brayton cycle in nuclear power field. The analysis results can provide reference for the design and prototype experimental research of S-CO2 Brayton cycle system in related power generation fields. Key words: supercritical carbon dioxide Brayton cycle; recompression cycle; partial cooling cycle; cycle efficiency
1 S-CO2 布雷顿循环介绍
S-CO2 布雷顿循环的工作原理如图 1 所示，该循环 为典型的布雷顿循环，包括压缩过程、回热过程、加 热过程、膨胀过程、预冷过程五个热力过程，如图 1 a) 所示，其主要由压缩机、回热器、涡轮机、预冷器和 热源构成；如图 1 b)所示，其循 环过 程为：a) S-CO2 工质经压缩机升压后，利用换热器将 S-CO2 工质等压 加热到高温；b) 高压高温的 S-CO2 工质进入涡轮机， 推动涡轮做功并带动发电机发电；c) 工质进入冷却器 恢复到初始状态，在此进入压气机形成闭式循环， S-CO2 的压力和体积变化情况如图 1 a)中的 1-2-3-4-5 -6-1 循环[3]。