二氧化碳發電

二氧化碳發電是一種新型發電技術。 自第一次工業革命以後，熱能的主要利用方式是將熱能通過動力系統轉化為機械能，為人類的活動提供動力。超臨界二氧化碳發電系統屬於動力系統的一種，是以超臨界狀態的二氧化碳作為工質，將熱源的熱量轉化為機械能，其熱源可來自核反應堆、太陽能、地熱能、工業廢熱、化石燃料燃燒等。超臨界二氧化碳工質的優良特性使得其系統具有良好的套用前景和研究價值。探討了該技術的套用前景及預期效果，介紹了國內外該技術的發展情況，最後提出了未來的工作重點及建議。

基本介紹

• 中文名：二氧化碳發電
• 外文名：Carbon dioxide generation
• 類型：發電技術
• 實例：超臨界二氧化碳發電系統
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

研究現狀

美國、英國、德國、日本、韓國、西班牙等國家均開展了超臨界二氧化碳發電技術的研究，部分國家己經開展了樣機製造和試驗。 美國的Bechtel Marine Propulsion Corpora-tion (BMPC)公司搭建了100 kW級的超臨界二氧化碳發電試驗系統，該系統是一種雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環系統，由一台可變速渦輪機驅動壓氣機，另一台恆速渦輪機帶動電動機。該系統驗證了方案的可行性，但由於其是縮比系統，所以總效率並不高。 世界上第一個兆瓦級的商用超臨界二氧化碳發電機組 EPS100性能參數見表1)建於美國紐約，它同樣採用的是雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環系統。該機組己經進入測試階段，初步的測試數據己經證實了兆瓦級超臨界二氧化碳發電機組的可行性，而且在偏離設計工況下的關鍵部件的性能與模型預測值一致，說明兆瓦級超臨界二氧化碳發電技術己被基本掌握。 NREI,(美國能源部能源效率及可再生能源辦公室下屬的國家試驗室)於2012年提出以EPS100系統為基礎的SunShot試驗計畫，開發10 MW超臨界二氧化碳渦輪機，總預算1 600萬美元，計畫分三個階段完成:2013年設計、2014年製造、2015年運行。超臨界二氧化碳渦輪機功率可達10 MW,溫度達700℃，整個試驗系統包括EPS100系統、高溫渦輪機、高溫換熱器、改裝的壓氣機、700℃熱源和乾式冷卻系統等。 麻省理工學院提出了再壓縮超臨界二氧化碳冷卻核反應堆的總體方案(見圖1)，並進行了熱動力設計，反應堆額定熱功率為2 400 MW,渦輪機入口溫度和壓力分別為920 K和20 MPa，系統熱效率為51多，淨效率為47多。

圖1

美國海軍堆項目組下屬諾爾斯原子能實驗室與貝蒂斯實驗室，正在探索超臨界二氧化碳布雷頓循環技術在船舶動力系統領域的套用。2010年，他們己建成一座100 kW電功率的整體試驗系統，1 000~3 000 kW電功率的超臨界二氧化碳試驗的前期工作也在進行中。 美國Echogen公司針對餘熱發電研製出了超臨界二氧化碳發電系統。該系統可以通過對閥的調節滿足不同餘熱溫度的運行條件，並且保證餘熱發電效率達到30多。該系統可用於艦船發動機餘熱發電系統，將柴油機排出的中、高溫煙氣的熱量加以利用，降低了能量的浪費，可使整個系統效率提高30多。同時，還可用於燃氣輪機聯合循環發電，用超臨界二氧化碳取代傳統的蒸汽循環，不僅能增加發電功率，還能減少安裝成本。

歐盟、日本、韓國也先後開展了超臨界二氧化碳動力裝置的研究。歐盟於1997年就開展了基於超臨界二氧化碳循環的新一代反應堆的論證;日本東京工業大學完成了用於核反應堆的超臨界二氧化碳循環系統設計(見圖2)。該設計中採用了多級壓縮中間冷卻技術，額定功率為600 MW,渦輪機入口溫度為920 K，反應堆出口運行壓力約為7 MPa，系統效率為45. 8多;該大學還完成了用於太陽能發電的超臨界二氧化碳循環系統設計，系統效率高達48.2多;韓國原子能研究院分析了超臨界二氧化碳循環與鈉冷快中子堆結合的可行性。 另外，國外許多學者針對超臨界二氧化碳發電技術進行了相關研究。在二氧化碳物性方而，Allan等人提出了二氧化碳傳輸特性理論計算的改進方法;Brandon則對超臨界二氧化碳的熱力特性進行了測試;Ladislav對超臨界二氧化碳循環迴路中的夾點位移效果進行了分析;Jacob等人測試了相關材料在高溫超臨界二氧化碳環境下的腐蝕性能。

圖2

而熱交換器也不乏研究，現行超臨界二氧化碳試驗環路的熱交換大多使用印製電路板熱交換器(PCHE)，它適用於高工作溫度和高工作壓力，並具有良好的擴展能力;有學者對印製電路板熱交換器(PCHE)進行了數值分析，並對高效換熱器的設計提出了指導意見;Timothy對不同熱傳輸表而的換熱器進行了對比研究，結果表明線網熱傳輸表而具有進一步開發的可行性。

渦輪機是影響機組效率的核心部件，同樣有許多學者以提高渦輪機效率為目標。Timothy對超臨界二氧化碳渦輪的1級葉片進行了空氣動力分析，並得出了相應結論;Aaron則測試了壓力葉封(PALS)的性能，肯定了其商用價值;Haomin研究了不同形狀下的迷宮密封的泄漏率，得到了指導性意見;Jekyoung研究了在臨界點附近的超臨界二氧化碳壓縮機的性能測量的不確定性，其研究表明超臨界二氧化碳壓縮機的性能測量具有較大難度;Noah對比測試了小尺寸和全尺寸的超臨界二氧化碳壓縮系統，其研究表明全尺寸壓縮效率大大高於縮比壓縮效率。

基本原理

超臨界二氧化碳發電系統是一種以超臨界狀態的二氧化碳為工質的布雷頓循環系統，其循環過程是:首先，超臨界二氧化碳經過壓縮機升壓;然後，利用換熱器將工質等壓加熱;其次，工質進入渦輪機，推動渦輪做功，渦輪帶動電機發電;最後，工質進入冷卻器，恢復到初始狀態，再進入壓氣機形成閉式循環，工質的壓力和體積的變化情況如1-2-3-4-1循環。

為了提高換熱效率，通常會採用中間回熱的方式，利用渦輪出口工質的餘溫預熱壓縮機出口的工質。循環還可採用多級壓縮中間冷卻技術進一步提高效率。

發電系統簡介

1.超臨界二氧化碳的特點。當二氧化碳的溫度達到31. 10C，壓力達到7. 38 MPa時將變為超臨界狀態，其氣體粘性小和液體密度大的特殊物理特性，使其具有流動性好、傳熱效率高、可壓縮}h}小等典型優勢，適合用於熱力循環。相比其他同類型熱力循環的工質具有以下特點:①二氧化碳臨界溫度和壓力遠低於水的臨界點，容易達到超臨界狀態，有利於工程套用;②超臨界二氧化碳是一種非常稠密的流體，具有液體特性，密度大、傳熱效率高、做功能力強;③兼具氣體特性，粘性小，流動性強，系統循環損耗小;①是超臨界二氧化碳循環無相變，壓縮過程中壓縮功有效減小，只占渦輪輸出功的30多，而常規氦氣循環要占到45多左右，燃氣輪機則更高，要占到50多到60多。

2.超臨界二氧化碳發電系統的特點。由於超臨界二氧化碳的特殊優勢，採用此工質的發電系統的優越性主要表現在以下幾個方而。

一是效率高。根據國外研究圖表分析可知，超臨界二氧化碳溫度達550℃時，超臨界二氧化碳發電系統熱能轉化為輸出電能的效率一般可達45多左右。隨著溫度的升高，效率也升高3。可以看出超臨界二氧化碳循環發電系統效率比同條件下的氦氣循環發電系統高。

二是體積小、重量輕。超臨界二氧化碳發電系統的體積和重量約為傳統蒸汽發電系統的50多。超臨界二氧化碳發電系統中的循環介質為二氧化碳，在全循環過程中，二氧化碳均處於超臨界狀態，不發生相變，密度大，動能大，冷卻器、管路附屬檔案尺寸小。據國外資料介紹，通過對不同工質的典型渦輪機產品尺寸的調查可知，超臨界二氧化碳由於密度大、動能大，所需渦輪級數少，渦輪機軸向尺寸降低，冷卻器、管路附屬檔案尺寸相應減小;當渦輪機進氣壓力為15 ^- 20 MPa、轉速在100 000 r/min左右時，相比傳統蒸汽發電系統，其體積小50多以上。

三是噪聲低。對於旋轉類機械設備，通常其振動特徵頻率主要集中在軸頻以上。超臨界二氧化碳發電系統一般採用高速渦輪機發電機組，轉速高，以高頻振動線譜為主，有利於隔振降噪。

關鍵技術

超臨界二氧化碳發電是未來能源綜合利用的一個發展方向，要全而掌握和利用該技術，重點需要在以下幾個方而開展研究。

1.超臨界二氧化碳物性、換熱規律複雜，需要系統性研究。超臨界流體不同於常規液體或氣體，在熱力學變化過程中會偏離理想氣體，特別是在近臨界區和跨臨界點時，熱力參數呈非線性變化，其獨特物性帶來的流體流動和換熱規律的特殊性，會使系統變工況運行和負荷調節控制難度變大，因此需要全而掌握超臨界二氧化碳物性、換熱規律。

2.超臨界二氧化碳發電系統運行狀態控制難度大，需要開展控制研究。系統循環的高效率是建立在冷凝器出口即壓氣機吸入口(循環起點)的二氧化碳仍處於32 0C,7.4 MPa超臨界狀態的臨界點上，當系統輸出需求發生變化時，整個系統的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發電機、高速壓氣機的轉速均要做相應調整，需要精確調節控制，確保系統仍處於超臨界狀態以上，才能使系統效率達到最優。

3.需要突破超臨界二氧化碳高速渦輪發電機組設計製造技術，提高發電效率。渦輪發電機組的效率和可靠性是確保超臨界二氧化碳發電技術優勢發揮的關鍵，確保渦輪發電機高轉速是設備減少體積、降低重量、提高效率的重要途徑。渦輪發電機組在設計過程中，在確保高轉速的前提下，既要兼顧高速精密軸承、轉子運行穩定性，同時要充分考慮超臨界二氧化碳工質溫度、壓力、密度等參數，以及發電機電磁、溫升等參數的影響問題，因此高速渦輪發電機組的設計與製造是系統高效率的保證。

4.高效換熱器是超臨界發電系統工程套用的基礎。超臨界二氧化碳布雷頓循環要求壓縮機參數處於近臨界點，降低換熱端差，同時對於臨界點附近的換熱性能突變充分考慮運行裕量，實現這些目標要求有緊湊、高效和可靠的換熱器進行快速的熱量交換，實現低溫差高效換熱。

5.系統材料耐壓、耐高溫、耐腐蝕要求高，需要研究高性能材料。為實現高效率，必須提高系統熱力循環的溫度、壓力，要求超臨界二氧化碳熱力循環壓力達15^-32 MPa}溫度達550℃以上。為了滿足高溫高壓參數要求，加熱器、渦輪機、發電機的材料都必須具有高強度、耐高溫、耐腐蝕性的特點，設備的加工、生產、熱處理、檢驗探傷等工藝則需要技術突破。

套用前景

超臨界二氧化碳布雷頓循環由於效率高、系統體積小、噪聲低等優點，在很多領域具有很好的套用前景，主要可用於以下幾個方而。

1.用於核反應堆川。國外對超臨界氧化碳布雷頓循環的研究以核反應堆為主要套用對象，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界二氧化碳布雷頓循環除了效率高、體積小等優勢外，在安全性上與採用蒸汽系統相比有了極大改善。根據美國能源部的規劃，超臨界二氧化碳發電可能將在未來10年內實現。

2.用於太陽能發電。美國能源部認為，超臨界二氧化碳布雷頓循環可用於太陽能發電，並且能使太陽能光熱式發電效率提高8多，使太陽能光熱發電成本大幅降低，提高其競爭力。

3.用於工業廢熱發電。儘管工業廢熱是一種低品位的能源，但其儲藏量巨大，即便是一小部分得以利用，也是很可觀的。超臨界二氧化碳發電系統在較低溫度下的效率相比同類熱電系統高，並且體積小，便於安裝。

4.用於艦船。由於艦船內部空間有限，對船內設備體積限制要求嚴格，而超臨界二氧化碳發電系統效率高、體積小，對於提高發電效率，節省能源，減小發電系統體積和重量等諸多方而均有優勢。所以，該系統在艦船上具有極大的套用價值。表2所示為其對不同熱源的適用參數。

未來研究方向

超臨界二氧化碳發電技術的特點決定了其在很多領域都有很好的套用前景，建議未來的工作重點放在以下幾個方而:①超臨界二氧化碳流體特性的基礎研究，如超臨界二氧化碳密度、熱容、粘度、導熱係數等熱物理特性試驗測試和研究;②超臨界二氧化碳發電系統運行控制策略研究。包括熱源控制、熱力循環控制、整流調壓控制、系統安全保護等;③高速渦輪、高速發電機的設計研究。主要針對高轉速下的軸承和密封問題開展研究;①高效換熱器的設計製造。一方而，要保證換熱器的效率;另一方而，還需考慮材料的耐腐蝕性問題;⑤系統關鍵部件及管路的材料研究。選取的材料不僅要達到系統的要求，還要充分研究其在高溫、高壓下的壽命周期，確保機組安全可靠。