超临界二氧化碳循环分析

超临界二氧化碳动力循环

1.超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机

（1）美国桑迪亚国家实验室研发超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机

美国桑迪亚国家实验室研究人员研发出一种新的超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机，目前正在进行发电系统的示范阶段。这种新轮机可将热电转换效率提高多达50%，为核电站配备的蒸汽轮机可改善50%，或者一个单独的燃气轮机效率可提高40%。该系统十分紧凑，意味着资金成本会相对较低。

研究主要集中在超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环轮机，这种轮机通常是用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆。目标是最终取代蒸汽驱动的兰金循环轮机（效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍）。布雷顿循环每个组合可以产出20 MW的电力，占用空间只有四个立方米。

桑迪亚国家实验室目前有两个超临界二氧化碳测试循环。第一个发电循环位于科罗拉多州Arvada，从2010年3月开始运行，发展阶段的发电量大约为240 kW，现在正在进行升级。第二个循环位于Albuquerque桑迪亚国家实验室，用于研究临界点附近存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题。

桑迪亚国家实验室近期计划继续开发和运行小的测试循环以确定关键功能和技术。测试结果将说明概念容量（尤其是它的紧凑性）、效率和更大系统的可扩展性。未来计划是进行技术的商业化，先在10 MW的工业示范电厂开展。

桑迪亚还有一种采用氦作为工作流体的布雷顿循环，设计运行温度约为925℃，预计发电效率达43%-46%。相比之下，超临界二氧化碳布雷顿循环作为

氦布雷顿系统提供了同样的效率，但温度相对较低（250-300℃）。S-CO2设备比氦气循环紧凑（它又比传统蒸汽循环紧凑小巧）。

（2）东芝开发超临界二氧化碳循环火力发电系统

东芝公司日前针对正在开发的超临界二氧化碳循环火力发电系统，在达到目标压力的状态下，成功完成了燃气轮机燃烧器的燃烧试验。由此，向实现发电效率高、可回收二氧化碳、环境负荷低的系统迈进了一大步。这种系统具备与组合利用燃气和蒸汽的燃气联合循环发电同等水平的效率，同时无需另外设置分离及捕集设备就可回收高压二氧化碳。

图1-1 超临界二氧化碳循环火力发电系统示意图

超临界指的是气体和液体的界限消失、性质介于气体和液体之间的状态。二氧化碳在温度和压力超过31℃、74个大气压时会达到超临界状态。燃烧试验利

用了美国加利福尼亚州试验机构的设备，于1月开始，分阶段提高燃气轮机燃烧器的压力，对其燃烧特性进行评估。此次，成功实现了在300个大气压的目标压力下燃烧。

现有燃气轮机发电设备可在20个大气压左右的压力下燃烧，而超临界二氧化碳循环火力发电系统的目标是300个大气压，因此能在高温高压条件下工作的燃气轮机燃烧器成为课题。此次试验成功意味着完成了第1阶段的开发。在开发的系统以天然气为燃料，在燃烧时，使用氧替代空气，因此也不会产生氮氧化物（NOx）。

东芝与美国大型电力企业爱克斯龙电力公司（Exelon）、工程企业芝加哥桥梁及钢铁公司（Chicago Bridge and Iron Company）等于2012年6月达成合作协议，共同进行系统开发，主要负责重要部件高温高压涡轮机和燃烧器。今后，各家公司将于2015年在美国建设试验成套设备，实施实证试验，力争在2017年实现250兆瓦（25万千瓦）级设备的商用化。

2. 超临界二氧化碳在核反应堆中的应用

目前，在役的核电厂主要采用二代和二代改进型压水堆技术，随着第三代核电厂开始进入建设阶段，追求更高安全性和经济性、更少废物排放和可有效抑制核扩散的第四代先进核能系统的研究工作已逐渐成为世界各核电强国的研发热点。在实现第四代核能系统主要技术指标方面，采用气体冷却剂，避免了临界热流密度等热工安全限制，易于实现堆芯出口温度提升、系统结构简化以及快谱堆芯设计等，具有特殊的优势。

从物理化学稳定性的角度考虑，一般气冷堆采用氦气作为冷却剂。但氦气低

密度带来的压缩功耗过大问题降低了氦气冷堆的净效率，因此氦气冷却的反应堆要求堆芯出口温度较高（一般要求在800~1000℃）以保证其经济性，这对目前的材料及工业制造技术提出了挑战。

采用超临界流体作为堆芯冷却剂，利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将反应堆运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现气冷堆在中等堆芯出口温度下达到较高效率的目标。超临界流体的这一性质使其在作为核反应堆二回路能量转换工质时同样具有明显的优势。二氧化碳（CO2）由于其临界压力相对适中（7.38 MPa），具有较好的稳定性和核物理性质在反应堆堆芯冷却剂的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是核反应堆内最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳（S-CO2）在核反应堆运行参数范围内密度较大且无相变，因此以S-CO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，可降低核电厂的建造成本，实现模块化建造技术，缩短核电厂建造周期。（1）S-CO2布雷顿循环基本原理

S-CO2工质用于核反应堆一般采用布雷顿热力循环模式。布雷顿循环一般包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热4 个基本过程，其基本循环温熵图如图2- 1 所示。

对于核反应堆内的S-CO2布雷顿循环，其最简单、最基本的系统流程如图2-2 所示，主要由压缩机、回热器、气轮机、冷却器和热源构成。直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环下的热源是反应堆一、二回路之间的换热器。低温低压的气体经压缩机升压，再经回热器高温侧流体预热后进入热源，吸收热量后直

接进入气轮机做功，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近，使流体密度增大，流体压缩性较好，从而降低了压缩功耗，提高了热力系统净效率。

图2-1 基本布雷顿循环温熵图

图2-2 最简布雷顿循环流程图