不再“烧开水”？简说超临界二氧化碳循环发电

电力行业是国民经济发展的基石。长期以来，电力生产被网友们戏称为“花式烧开水”，主要原因是发电的过程可简单地看作用不同的热源（火力、核能、太阳能）将工质（水）加热成水蒸气，然后通过汽轮机将水蒸气的能量转化为机械能，驱动发电机发电。

水蒸气朗肯循环是目前最为可靠的技术，它在火力发电、核能发电和太阳能热发电等领域的热功转换过程中得到广泛应用。经过百余年的发展，目前已投运的高参数水蒸气循环机组的循环热效率最高已超过50%，全厂发电热效率最高达49%以上，效率已趋近极限。

在这样的背景下，以其他物质作为工质，代替水蒸气驱动汽轮机的动力循环开始受到研究人员关注，以超临界二氧化碳（sCO2）作为工质的布雷顿循环就是其中之一。

一、 sCO2循环简介

CO2 是一种无色无味、不可燃、无毒、稳定的气体，当其处于临界条件（临界温度31.05 ℃，临界压力7.38 MPa）以上时，CO2 呈现气态和液态并存的状态。这种状态下CO2的密度和压缩性近似于液体，但黏度近似于气体，且导热系数和比热容比气体大，具有高密度、低粘度和低压缩系数的特点。

sCO2为循环工质的sCO2布雷顿循环具有以下优势：

1. 效率高。sCO2黏性低，且在临界点附近几乎是不可压缩的。当压缩机运行在临界点附近时，能减小压缩功耗，提高循环效率。AHNY等人发现 sCO2 循环效 率比传统的蒸汽朗肯循环提高约5%。

2. 系统体积小，且结构紧凑。sCO2密度大、黏度小、能量密度高，使得循环系统的涡轮和压缩机等关键部件的尺寸显著减小，在相同发电功率下，超临界二氧化碳和水蒸气所需的涡轮机组体积之比约为1：20。

3. 适用热源温度范围广。CO2的临界温度为 31 ℃，接近于环境温度，使得sCO2布雷顿循环在运行工况中容易达到超临界状态，因而能够利用从低品位（比如工业余热等）到高品位（比如聚光型光热发电、核反应堆等）的大部分热源，涵盖了200～800℃的温度范围。

4. 环境友好。一方面，CO2是一种对环境友好的天然工质，价格低廉；另一方面，sCO2 布雷顿循环发电系统可以采用空冷，不需要水处理设备和排污设备，尤其适用于聚光式太阳能发电和水资源短缺地区。

二、不同热源下sCO2与蒸汽工质对比

sCO2 机组的循环效率比传统的蒸汽循环效率高3%～10%，但是平均成本也会高出5%～8%。从经济上来讲，与目前燃煤发电的方式相比较，sCO2机组的循环效率其实并没有显著提高。由于其需要大量的回热器，参照当前国际上的价格，版型回热器一般为500元/kWth～600元/kWth，如果折算为单位装机容量，差不多为2500元/kWe～3000 元/kWe。虽然有着循环效率高和其他方面的优势，但是经济性方面稍有不足。如果能够降低所需的成本，那么对于sCO2的推广必然有着很大的帮助。

sCO2与高温气冷堆，钠冷快堆等的组合都相对较好，兼具设备紧凑，规模小和循环热效率高的优势，在小规模堆型中有着很好的应用前景。

太阳能发电的一个问题是效率不高，虽然SCO2的使用可以使得发电效率有所提升，但是与传统的火力发电相比较效率还是较低，而且会受到天气与环境的影响。

三、现有sCO2布雷顿循环示范系统

由于超临界二氧化碳布雷顿循环技术尚不成熟，现有项目均为示范系统，主要用于获取设备设计制造经验、计算模型并验证等实验数据。

作为一种新兴的动力循环技术，超临界二氧化碳布雷顿循环有着显著的优势和巨大的发展潜力。但sCO2循环的关键部件和循环系统均有别于蒸气工质循环，因此热源设备、动力设备、回热设备、冷却设备等都需要重新设计优化。该技术从测试平台，到广泛应用还有很长的路要走。