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摘要：超临界二氧化碳（S-CO2）应用布雷顿循环能够使系统结构紧凑、效率高具有良好的工程应用前景。本文首先介绍了超临界二氧化碳工质的特点及布雷顿循环的优势，总结了近年来国内外针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统及其关键部件的研究进展和相应成果，最后对超临界二氧化碳布雷顿循环在能源领域的潜在应用前景进行了说明。
关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；关键部件
引言
当二氧化碳达到临界条件时（温度31.1℃，压力7.38MPa），处于超临界状态。将超临界二氧化碳用于布雷顿循环，具有以下优势：S-CO2工质黏性小，S-CO2布雷顿循环比其他常用的循环在较高的运行温度下具有相对更高的效率优势；S-CO2工质密度大，S-CO2布雷顿循环的系统结构紧凑，循环设备占用空间小；CO2极易获取，设备体积相对较小，且运行时损耗小，保证了设备的使用寿命，使得S-CO2布雷顿循环的成本相对较小。
1 S-CO2布雷顿循环研究进展
1.1国外研究
美国、日本、韩国、捷克等国家均开展了超临界二氧化碳布雷顿循环的系统设计及实验研究。美国具有多家研究机构较长时间的研究基础，其在超临界二氧化碳布雷顿循环的研究上处于世界领先地位。美国桑迪亚国家实验室是最早开展 S-CO2布雷顿循环的机构之一，其搭建了发电功率为124KW的简单布雷顿循环系统。美国桑迪亚国家实验室正致力于研发兆瓦级超临界二氧化碳布雷顿循环，进一步增大循环效率并增强实用性。美国西南研究院（SWRI）进行了1MW 级的超临界二氧化碳布雷顿循环设计研究，采用天然气燃烧作为热源，完成了实验系统的制造运行。近年来，美国能源部资助科研项目的投入不断加大、加快，并在 2016 年投入巨资建设10 MW试验装置，表明美国整体技术成熟度水平已达到较高级别，距离商业化为期不远。
韩国能源研究所（KIER）自2103年起，先后搭建了两种不同的S-CO2布雷顿循环实验平台，并进行了相关研究。韩国先进科学技术研究所（KAIST）开发了一种以超临界二氧化碳作为工质的小型核反应堆动力循环。韩国原子能研究所（KAERI）在此基础上建立了一套完整的超临界二氧化碳布雷顿循环实验系统。
东京工业大学10KW级S-CO2简单布雷顿循环发电系统进行了设计研究并成功完成了初步的实验验证。日本东京大学拥有一个小型的简单循环试验系统，在此进行了钠快冷堆的能量转换系统设计，并进行了超临界二氧化碳循环的热工水力试验。
1.2国内研究
目前，国内对超临界二氧化碳布雷顿循环的研究正处于起步阶段。清华大学核能与系能源技术研究院对超临界二氧化碳的热力特性进行了分析，并将其与氦气布雷顿循环进行了对比。厦门大学对超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环进行了建模技术成熟度分析分析及参数优化。中科院工程热物理研究所已经建成了利用LNG冷能的半闭式超临界二氧化碳循环系统。西安热工院600℃-5MWe的超临界二氧化碳闭式布雷顿循环系统正在建设中，分析了工质的适应性与循环运行的可靠性。
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2 关键部件研究进展
S-CO2布雷顿循环的关键部件主要包括动力部件和热交换器，其中动力部件主要是指压缩机和透平。
2.1动力部件
S-CO2布雷顿循环系统与传统工质的布雷顿循环及朗肯循环的动力部件相比，在相同的功率等级下透平及压缩机的尺寸更小，转速也更高，对压缩机来说，同样有类似的结论。
美国桑迪亚国家实验室研制的252KW S-CO2动力循环实验装置，其转速高达75000r/min，其设计的压缩机和透平的尺寸较小，叶轮外径分别为37.36mm 和30.86mm，且为径流式结构。另外，桑迪亚实验室根据不同系统功率等级给出了S-CO2布雷顿循环动力部件的结构形式，系统功率越小，其叶轮机械直径就越小，转速也就越高，当装置输出功率在10KW以下时，压缩机和透平采用单级径流式结构，而超过10KW时，则采用多级径流式或者多级轴流式结构。
2.2热交换器部件
热交换器的研发是研究 S-CO2布雷顿循环的重点项目之一，现行 S-CO2布雷顿循环试验回路的热交换大多采用印制电路板热交换器PCHE（Printed Circuit Heat Exchanger），它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，属于高效换热器。Kruizenga A开展了S-CO2在微型通道内的传热和压降特性的实验，使S-CO2在不同进口温度、压力和流量范围内进行换热，并根据测量的壁面温度和计算出的局部体温度，得出临界点附近的局部和平均传热系数。Nascimento I P等对比研究了不同热传输表面的换热器，结果表明线网热传输表面的热交换器换热效率更高。
3 S-CO2布雷顿循环应用前景
随着国内外S-CO2布雷顿循环系统及关键部件研究工作的深入，S-CO2布雷顿循环系统技术日益成熟，在能源领域中更具潜在的工程应用前景。
燃煤联合应用
1) 提高传统化石能源的利用效率一直是学者们研究的重点课题。将超临界二氧化碳布雷顿循环与燃煤发电循环结合仍将是未来研究的热门方向，联合循环主要有两种方式：一是使用煤直接气化作为燃烧工质的不封闭循环系统，二是将煤通过流化床的方式在富氧环境中进行燃烧的封闭式循环。
核反应堆应用
2) 传统的水冷核反应堆运行温度约为300°C，而新开发的第四代反应堆的堆型温度达到500°C到900°C。目前广泛使用氦气布雷顿循环作为高温度反应堆冷却循环，然而氦气循环需要在很高的循环热源温度（堆芯温度）才能达到比较高的循环效率，同时，由于运行温度高，对于反应堆的材料及设计要求很高，氦气密度低、压缩性小的物理特性使得氦气布雷顿循环中的透平机械设计难度增加。而在相同的热源温度下，S-CO2布雷顿循环的效率明显高于氮气布雷顿循环，可以降低对透平机械和反应堆的设计难度。S-CO2布雷顿循环在钠冷快堆、铅冷快堆系统、气冷快堆上具有极大的应用潜力。
太阳能联合应用
3) 聚式太阳能技术主要通过太阳能定日镜场，太阳能接收器，蓄热器和电力循环组成。现有的研究主要集中在提高太阳能的吸收利用率和电力循环部分的效率。其中，使用S-CO2布雷顿循环与聚式太阳能联合是提高整体效率的一个方向。S-CO2即作为换热工质又作为电力循环工质，提高了在太阳能吸收部分的热利用率，同时引入了一种高效环保的电力循环机制，具有极大的研究前景。
除此之外，S-CO2布雷顿循环与其他可再生能源和余热废热研究相结合，如地热、燃料废热等也具有一定的发展潜力。
4 结论
由于S-CO2布雷顿循环自身的特点，使其具有较高的循环效率、紧凑的热力系统设备、较低的经济投入等优势。本文总结分析了国内外S-CO2布雷顿循环系统试验平台及试验设备研究进展，并重点介绍了其中关键设备的研究现状。基于目前S-CO2布雷顿循环技术的发展状况，S-CO2布雷顿循环在燃煤、核反应堆、太阳能等总多领域具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]纪军，刘涛等．热力循环及总能系统学科发展战略思考[J]．中国科学基金，2007，21（6）：327-332
[2]谢永慧，王雨琦等.超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械研究进展[J].中国电机工程学报，2018，（05），7276-7286.
[3]黄彦平，王俊峰．超临界二氧化碳在核反应堆系统中的应用[J]．核动力工程，2012，33（3）：21-27
论文作者:冯建闯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/7
标签：超临界论文; 工质论文; 二氧化论文; 循环系统论文; 热交换器论文; 部件论文; 美国论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;