超临界二氧化碳动力循环系统压缩机展望

超临界二氧化碳是什么？

超临界二氧化碳是二氧化碳的超临界状态，也就是二氧化碳随着温度和压力的变化，超出了二氧化碳气液的临界温度，临界压力，临界容积状态的二氧化碳。

二氧人碳的密度和黏度，会随着压力的增加而变大，随着温度的升高而减小，压缩因子会随着温度，压力而变化，地质封存和促进油气开采条件下二氧化碳的密度大体在200-800kg/立方米之间，小于地下水的密度，所以把二氧化碳注入到地下含水层以后，二氧化碳在浮力的作用下会向上迁移而聚集于构造高点。

当温度高于31.1摄氏度，压力高于7.38Mpa时，二氧化碳便进入到了超临界状态，在二氧化碳地质储存中，大多数储层的温度和压力均达到了临界点以上，二氧化碳常常是以超临界状态储存于地质体中。

超临界二氧化碳是一种高密度注体，在物理特性上兼有了气体和液体的双重特性，密度是气体的几百倍，近于液体，这也让超临界二氧化碳有很强的溶剂化能力，具有常规液态溶剂的强度，在临界温度以下，气体被不断的压缩会有液相出现，然而，超临界流体被压缩只是增加其密度，不会形成液相，超临界流体的密度和温度与压力密切相关，超临界二氧化碳的密度随着压力升高而增大，随着温度升高而减小，在临界点附近，密度对于压力和温度十分的敏感，很小的温压变化就会导致密度的急剧变化。

扩散系数和黏度是衡量超临界流体传质能力的重要参数，超临界流体黏度比液体小两个数量级，与气体相似，流动性远大于液体，二氧化碳的黏度在压力比较低的时候基本保持不变，而当压力升高时，黏度随着增大，在临界点附近随着压力升高而急剧增大，之后又相对平缓，超临界二氧化碳流体具有比较好的传质性能，超临界二氧化碳的密度，黏度和扩散系数等性能可以随着温度和压力的变化而改变。

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S-CO2循环，采用CO2实现热功转换。S-CO2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，S-CO2循环效率高于水蒸汽朗肯循环；再次，S-CO2循环系统高压运行，系统紧凑。

近20年来，由于面临能源和环境的双重压力，S-CO2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，S-CO2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。

1.S-CO2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主蒸汽温压参数，与机组发电效率密切相关。目前，已对S-CO2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S-CO2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S-CO2机组的设计和运行。

2.S-CO2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S-CO2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S-CO2燃煤动力系统，由于S-CO2循环主要适合中高温热源，全温区吸收烟气热量是很大的挑战。

当S-CO2循环用于不同热源时，存在直接式S-CO2循环和间接式S-CO2循环之分。在直接式S-CO2循环中，S-CO2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S-CO2循环，太阳能吸热器温度高，热应力大，安全问题严重。间接式S-CO2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S-CO2循环回路采用中间换热器进行耦合。

3.1S-CO2传热基础理论

S-CO2传热发生在S-CO2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S-CO2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/m2。

3.2直接/间接S-CO2循环加热器

S-CO2循环加热器担负吸收热源热量的重任。第四代核电站概念设计采用直接或间接式S-CO2循环。对于间接S-CO2循环，中间换热器是耦合反应堆一回路和S-CO2循环二回路的纽带，应加强气冷堆高温气体和S-CO2耦合传热研究，加强液态金属堆中池式液态金属和S-CO2耦合传热研究。有专家提出直接式S-CO2核能系统，限于S-CO2冷却堆芯的能力，难度较大。

太阳能聚焦热发电（CSP）S-CO2循环也分为直接和间接循环。在直接循环中，S-CO2在太阳能吸热器(solarreceiver)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S-CO2循环设计和运行提供支撑。在间接S-CO2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S-CO2电站，S-CO2流经S-CO2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520oC,导致锅炉受热面整体温度的上升；其次，S-CO2传热系数一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/m2热负荷下，CO2与管内壁温差可达40-100K。

对于化石能源S-CO2电站，S-CO2流经S-CO2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520oC,导致锅炉受热面整体温度的上升；其次，S-CO2传热系数一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/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S-CO2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。

近年来，采用超临界二氧化碳（S-CO2）作为工质的动力循环在全球范围内逐渐成为研究热点，其特性对节能减排和新能源产业（尤其是太阳能热发电和核能）具有颠覆性的意义，应用前景十分广阔。

针对约550℃的高温热源，分析和比较了在几种不同的压缩机-涡轮及回热器的匹配形式下，整个系统的运行效率、结构特性、成本及调控规律，进行了发电系统的参数优化设计。

　　在高温热源系统前期工作基础之上，200℃-400℃中低温热源的S-CO2动力循环系统。系统循环效率可达18%-29%。综合考虑整个系统的运行效率、建设成本及系统稳定性因素后，对中低温热源的S-CO2动力循环系统完成了系统参数优化，并完成了叶轮机械及换热器等核心部件的初步技术评估。