第49卷第10期Vol.49No.102020年10月THERMALPOWERGENERATIONOct.2020收稿日期：2020-04-22基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB0601801)Supportedby：NationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(2017YFB0601801)第一作者简介：徐进良(1966)，男，博士，教授，博导，主要研究方向为多尺度传热、低品位能源利用及热功转换、超临界二氧化碳先进动力循环，xjl@ncepu.edu.cn。超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望徐进良1,2，刘超2，孙恩慧2，朱兵国2，谢剑1,2（1.华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京102206；2.华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室，北京102206）［摘要］超临界二氧化碳（S-CO2）动力循环具有效率高、系统紧凑及灵活性高等优点，未来可取代或部分取代水蒸气朗肯循环，实现高效热功转换。本文从能量传递转换机理、关键部件研发以及系统设计等角度，总结了国内外研究进展。已有研究表明，目前已成功展示小型径流式透平S-CO2循环系统，但CO2泄漏等导致系统性能降低，大型轴流式透平系统可能不会出现小型系统类似问题。综述了我国在S-CO2循环方面的研究进展。围绕大型S-CO2燃煤发电系统能量传递转换机理及系统概念设计，提出了锅炉模块化设计，将锅炉压降降低到与水蒸气锅炉相当甚至更低的水平；提出了顶/底复合循环，彻底解决了锅炉烟气热量全温区吸收问题。建立了高温高压CO2传热实验系统，获得了宽广参数范围内的实验数据，引入超临界类沸腾概念并提出超临界沸腾数及K数，获得了高精度预测超临界传热恶化及传热系数的广义关联式，提出了控制壁温的S-CO2锅炉概念设计等。在此基础上，提出了需加强的研究方向，包括适合不同热源（核能、太阳能、化石能源）的S-CO2循环构建，回热器、压气机及透平等关键部件设计及制造技术，关键部件及全系统的控制运行技术，以及不同功率等级的S-CO2循环的示范系统等，为S-CO2发电的商业应用奠定理论和技术基础。［关键词］超临界二氧化碳循环；热功转换；回热器；透平；控制运行［中图分类号］TK121［文献标识码］A［DOI编号］10.19666/j.rlfd.202004089［引用本文格式］徐进良,刘超,孙恩慧,等.超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望[J].热力发电,2020,49(10):1-10.XUJinliang,LIUChao,SUNEnhui,etal.Reviewandperspectiveofsupercriticalcarbondioxidepowercycles[J].ThermalPowerGeneration,2020,49(10):1-10.ReviewandperspectiveofsupercriticalcarbondioxidepowercyclesXUJinliang1,2,LIUChao2,SUNEnhui2,ZHUBingguo2,XIEJian1,2(1.KeyLaboratoryofPowerStationEnergyTransferConversionandSystem(NorthChinaElectricPowerUniversity),MinistryofEducation,Beijing102206,China;2.TheBeijingKeyLaboratoryofMultiphaseFlowandHeatTransferforLowGradeEnergyUtilization(NorthChinaElectricPowerUniversity),Beijing102206,China)Abstract:Withtheadvantagesofhighefficiency,compactsystemandhighflexibility,supercriticalcarbondioxide(S-CO2)powercyclecanreplaceorpartiallyreplacethesteamRankinecycletoachieveefficientthermalpowerconversioninthefuture.Thepresentpapersummarizestheresearchprogressathomeandabroadfromtheperspectiveofenergytransfer/conversionmechanisms,keycomponentsdevelopmentandsystemdesignandanalysis.Thesmall-scaleradialflowturbinesystemshavebeensuccessfullydemonstrated,buttheperformanceisdeterioratedbytheCO2leakage.Problemscausedbysmall-scaleradialflowturbomachinesmaynotoccurforlarge-scaleaxialflowturbomachines.ThedomesticresearchprogressofS-CO2cycleinChinaisreviewed.Focusingontheenergytransfer/conversionmechanismsandsystemdesignoflarge-scaleS-CO2coal-firedpowerplant,themoduledesignoftheboilerisproposedtoreducethepressuredropevenlowerthanthatofthewatersteamboiler.Theconnected-top-bottom-cycleisproposedtorecoverthefluegasheatinthewholetemperaturerange.Theexperimentalsystemofhightemperature/highpressureCO2heattransferisestablished,obtainingexperimentaldatawithawiderangeofparameters.Theconceptofsupercriticalpseudo-boilingisintroduced,andthesupercritical“boiling”number,Knumberandthehigh-accuracygeneralcorrelationpredictingtheheattransferdeteriorationandheattransferareproposed,andtheconceptualdesignofS-CO2boilerforcontrollingwalltemperatureisstudied.Basedonthereview,perspectivesareproposed,includingtheoptimizationofS-CO2cycleadaptingtodifferentheatsources(nuclearenergy,22020年http://www.rlfd.com.cnsolarenergy,fossilenergy),thedesignandmanufacturingtechnologyofthekeycomponentssuchasrecuperators,compressorsandturbines,thecontrolandoperationtechnologyofkeycomponentsandthewholesystem,aswellasthedemonstrationS-CO2powersystemindifferentpowerscales,whichlayafoundationforthecommercialapplicationofS-CO2powersystemtheoreticallyandtechnically.Keywords:supercriticalcarbondoixidepowercycle,thermal-powerconversion,recuperator,turbomachine,controlandoperation水蒸气朗肯循环广泛应用于化石能源、核能和太阳能热发电。水蒸气发电具有一定局限性，提高主蒸气温度、压力参数（温压参数）可提高发电效率，但受金属材料耐温极限制约，当主蒸气温度达到近700℃时，材料腐蚀严重[1]。另外，蒸发器和汽轮机入口为超临界压力，汽轮机末端和凝汽器在真空负压状态下运行，由于工质密度低，质量通流能力弱，设备庞大。二氧化碳（CO2）是无毒、不可燃、无色无味的自然工质。在以CO2为工质的超临界循环中，CO2吸收热源热量，产生蒸气驱动透平，然后通过回热、冷却及压缩，完成热功转换全流程。将超临界二氧化碳循环简称为S-CO2循环，其具有以下优点[2-3]：1）临界参数低（304.13K/7.377MPa），容易达到超临界态；2）CO2与金属材料化学反应速率小于水蒸气，为提高主蒸气温压参数奠定了基础；3）S-CO2循环系统紧凑，为发电系统深度调峰提供了理论依据。S-CO2循环在20世纪50~60年代提出[4]。一般认为，当主蒸气温度高于550℃时，S-CO2循环效率高于水蒸气朗肯循环[5]。S-CO2循环在最初提出时并未受到太大关注，近10年来，许多国家投入了较大人力、物力研发S-CO2循环，使其成为研究热点。这一发展趋势与人类高效灵活利用各种能源并降低环境污染有关[6]。首先，高温下S-CO2循环效率较高，将来可替代或部分替代水蒸气朗肯循环。其次，S-CO2循环适合于分布式能源系统，并在特殊场合（如军用潜艇动力）具有独特优势。再次，现代电网按多能源互补形式运行，S-CO2循环灵活性高，为解决可再生能源并网引起的“弃风弃光”问题提供了新的解决思路，可缓解多能源互补对于大规模储能的压力[7]。1S-CO2循环国内外研究进展1.1S-CO2循环国际研究进展1.1.1循环构建方面S-CO2循环可由核能、太阳能、化石能源和余热驱动。直接S-CO2循环以CO2为冷却剂吸收热源能量，间接S-CO2循环则通过中间换热器吸收热源能量。自21世纪初以来，许多国家都尝试发展第4代核反应堆，以提高效率和减少排放。美国阿贡（Argonne）国家实验室和西班牙科米拉斯天主教大学（ComillasPontificalUniversity）集中研究了核能S-CO2循环[8-9]，将S-CO2循环与氦气和水蒸气循环进行了比较，发现当堆芯出口温度高于550℃时，再压缩S-CO2循环是合适的。由于热源温度范围较窄，S-CO2循环易于优化和控制[5]。2013年，美国国家可再生能源实验室（NREL）对S-CO2循环应用于塔式太阳能电站进行了研究[10-11]。对于集中式太阳能光热发电（CSP）的应用，直接式S-CO2循环具有更高的全局效率，但蓄热成本增加；间接式S-CO2循环由于存在各种热损失，效率较低。太阳能的波动性对精细控制和系统运行提出了挑战。S-CO2循环在化石能源领域的应用分为空气燃烧系统和氧气燃烧系统。法国电力公司（EDF）[12-13]、美国电力研究所（EPRI）[14]和中国正在开发空气燃烧系统。氧气燃烧系统包括直接氧燃料燃烧系统和间接氧燃料燃烧系统[14-15]。在间接氧燃料燃烧系统中，锅炉燃烧侧和工质侧的2种CO2流体被冷却管壁面分隔。法国电力公司在2013年提出了S-CO2循环燃煤发电与碳捕捉耦合的概念设计，锅炉选用塔式煤粉炉，热力系统采用再热再压缩循环布置[12]。S-CO2循环可用于回收燃气轮机余热，余热温度在500~600℃，Echogen（美国）建造了7.3MWe余热发电厂[16]。1.1.2S-CO2传热方面国外研究机构，如韩国原子能研究所[17]、加拿大渥太华大学[18]、俄罗斯高温联合研究所[19]、英国曼彻斯特大学[20]等，对S-CO2传热开展了实验研究。现有S-CO2传热理论和实验研究不足以支撑工程设计，主要体现在实验参数范围较窄，特别在压力方面，CO2临界压力为7.377MPa，目前实验数据主要集中在近临界压力区，与机组实际运行压力20~30MPa相差较大。第10期徐进良等超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望3http://www.rlfd.com.cn另外，现有理论框架建立在S-CO2为单相流体的假设上，强调物性变化及浮升力和加速效应对传热的影响。近年来多篇综述论文均指出，以单相流体为理论框架并不能很好地拟合关联现有实验数据[21-22]。此外，近年来国际上在印刷电路板换热器（PCHE）方面进行了较多的实验和数值计算工作[23-26]。1.1.3S-CO2压气机及透平方面国外在S-CO2透平机械的气动性能、部件设计及机理分析方面均有理论研究，并进行了实验研究。轴承、密封和转子动力学稳定性一直受到高度重视。韩国原子能研究所（KIER）的实验结果表明，CO2泄漏是实现S-CO2循环高性能的关键挑战之一[27]。美国桑迪亚（Sandia）国家实验室测试了125kWS-CO2透平及压气机的性能[28]，认为小功率透平和压气机的动静间隙存在严重泄漏、鼓风损失、动静摩擦和气流激振等问题，小机组存在的问题在大机组上可得到缓解[29]。美国西南研究院（SwRI）和美国通用电气公司（GE）完成了10MWe轴流式透平的设计并在1MWe循环上进行了测试[30]。除了S-CO2透平的设计制造及运行中出现的泄漏密封等问题，S-CO2旋转机械的理论问题也未得到根本解决，特别是对于S-CO2压气机，由于现有设计是在基于理想气体假设的前提下进行的，而压气机中存在强烈的实际气体效应[31-32]，导致实际运行的效率明显低于设计值。总之，国外开展S-CO2循环的研究早于我国，特别在核能和太阳能驱动的S-CO2循环的基础研究方面，对热力学构建、传热、旋转机械等均有涉及，对于Allam燃煤循环正在研究中。另外，国外在小型S-CO2装置的研发及展示方面，投入了较多研究经费。美国GE、Sandia国家实验室、SwRI及日本和韩国等[27-29,33]建立了小容量S-CO2实验设施，取得以下经验：1）S-CO2循环已成功试验，大部分采用了小型径流式透平机械（10kWe~1MWe）；2）小型实验回路效率较低，输出参数低于设计值；3）CO2泄漏严重，降低了系统性能；4）大型轴流式透平机械可能不会出现小型径流式透平机械类似的问题。1.2S-CO2循环国内研究进展我国近年来在国家自然科学基金、科技部重点专项及企业的支持下，在S-CO2动力循环研究方面取得了快速发展，个别方面已取得并跑或领跑的成绩。西安交通大学何雅玲院士主持国家自然科学基金重点项目，对太阳能和核能S-CO2循环构建、优化及经济性评价进行了较为系统的研究[34-35]。中国核动力研究设计院已完成核能S-CO2循环国防973项目。西安热工研究院有限公司正在建设5MWe燃气驱动S-CO2循环实验设施[36]。中国科学院电工研究所王志峰研究员已主持并启动太阳能S-CO2循环的研究。清华大学姜培学教授团队对于S-CO2传热进行了多年研究，特别在微小尺度管内S-CO2对流传热方面，取得了丰富的研究成果[37-38]。美国提出Allam循环，燃料在燃烧室内超高压燃烧，燃气直接驱动燃气轮机，高压燃烧带来材料耐温等难以克服的技术瓶颈。我国另辟蹊径，采用了与美国完全不同的技术路线，发展间接式S-CO2燃煤发电系统，华北电力大学徐进良教授主持科技部重点专项研究，与西安交通大学、华中科技大学、东南大学、浙江大学和中国科学院工程热物理研究所等合作，针对S-CO2燃煤发电系统，梳理出以下关键难题：1）S-CO2循环流量比水蒸气朗肯循环大6~8倍，大循环流量引起大锅炉压降，造成工质堵塞；2）一般认为S-CO2循环适合中高温热源，锅炉烟气温度要跨越约1600℃到120℃的宽温区，如何实现烟气热量全温区吸收；3）锅内CO2传热引起的锅炉受热面温度变化对燃烧及污染物生成的影响机理及调控方法；4）透平-压气机以及回热器的设计、制造及运行问题。重点专项于2017年启动，已通过中期验收，主要进展描述如下。1.2.1提出1/8减阻原理及锅炉模块化设计突破传统热力学分析局限性，通过工程热物理学科内部交叉，综合进行热力学、流体力学及传热学分析，对S-CO2锅炉和循环的耦合机理进行了深入研究。对再压缩、间冷及再热循环的分析表明，增加间冷及再热能够提高机组效率，但管内工质压降会降低机组发电效率，发现存在压降惩罚效应。在热力循环要求下，S-CO2循环流量是水蒸气机组的6~8倍，导致S-CO2锅炉压降大到堵塞循环的程度。因此，提出了1/8减阻原理及锅炉模块化设计：将受热面长度L、流量m及吸热量Q的全流模式转换成2个受热面，每个受热面长度均为0.5L，流量为42020年http://www.rlfd.com.cn0.5m，而2个受热面总长度、总流量与总吸热量与全流模式相等。图1给出了分流设计的基本原理。a)全流模式b)分流模式图1全流模式和分流模式的比较Fig.1Thetotalflowmodeandpartialflowmode根据流体力学基本关系式，分流模式将锅炉压降减小为全流模式的1/8，产生锅炉模块化设计。基于这一原理，编制了S-CO2燃煤机组耦合锅炉热负荷分布、流动传热特性的热力循环分析计算软件。计算表明，1/8减阻原理及锅炉模块化设计将S-CO2锅炉压降减小到比水蒸气锅炉更低的水平，彻底解决了锅炉的大压降问题。图2给出了S-CO2锅炉模块化设计下工质压降情况。图2S-CO2锅炉模块化设计下工质压降情况[39]Fig.2ThepressuredropofS-CO2inmoduleboiler[39]1.2.2顶/底复合循环实现锅炉烟气热量全温区吸收为解决锅炉烟气热量全温区吸收问题，提出了顶/底复合循环[40]：顶循环吸收锅炉550℃以上的高温烟气热量，底循环吸收380~550℃的烟气热量，380℃以下的低温烟气热量由空气预热器（空预器）吸收。图3给出了锅炉热源与S-CO2循环耦合的能量梯级利用原理。图3S-CO2顶/底复合循环吸收锅炉烟气热量示意[40]Fig.3SchematicdiagramofS-CO2connected-top-bottom-cyclerecoveringthefluegasheat[40]提出了新的底循环分流加热循环（SHC），可在宽温区范围内具有更高效率。提出的顶/底复合循环在35MPa/630℃主蒸气参数下，发电效率为49.73%，明显高于现有超超临界水蒸气燃煤发电机组。图4给出了所构建的1000MWS-CO2燃煤发电系统流程[41]。发现在锅炉模块化设计及顶/底复合循环创新模式下，S-CO2燃煤机组能量分布与超临界水蒸气机组明显不同，主要表现为S-CO2机组内部回热量是机组发电功率的3倍以上，对于回热器设计运行提出了新的要求。另外，在保证1000MW净发电量的条件下，透平实际做功在1300MW以上，压气机要消耗300MW以上的功率。即S-CO2机组高回热量及高压气机功耗是不同于水蒸气朗肯循环的特点。1.2.3S-CO2类沸腾换热机理国际上将超临界和亚临界传热进行了实验现象的定性对比。在一定温压参数范围内，超临界传热可呈现核态及膜态传热，与亚临界沸腾类似。然而，未见报道两者之间的定量类比。近年来，本文作者及团队率先尝试了两者的定量类比，提出了制约类气膜厚度的超临界沸腾数SBO及K数[42-44]。图5给出了亚临界与超临界传热类比的物理模型。图5a)—d)表示亚临界气泡生长及脱离，图5e)—h)表示超临界类气膜生长。第10期徐进良等超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望5http://www.rlfd.com.cn图41000MWS-CO2燃煤发电系统流程[41]Fig.4Theflowchartof1000MWS-CO2coal-firedpowergenerationsystem[41]图5亚临界与超临界传热类比的物理模型[42]Fig.5Thephysicalmodelsofanalogybetweenthesubcriticalandsupercriticalheattransfer[42]62020年http://www.rlfd.com.cn亚临界条件下，在热流密度qw作用下，t时刻气泡体积为V，t+t时刻体积为V+V。气泡生长，周围液体由于气泡膨胀挤压，受到动量力FM'I作用。根据反作用力原理，气泡则受到作用力FM'V，称为蒸发动量力，由气液界面质量交换引起，将气泡黏附在壁面。另一方面，质量流速G对气泡施加惯性力FI'，使气泡脱离壁面。以上2个力的竞争决定气泡能否脱离壁面。FM'V占优势时，气泡难以脱离，聚合形成气膜，降低传热系数；FI'占优势时，气泡容易脱离，加热面不断被新鲜液体冲刷，维持核态沸腾。无量纲参数K表示蒸发动量力与惯性力的比值，制约气泡脱离壁面的难易程度，K越大，气泡越难脱离壁面。其表达式为22M'VffI'fgggFqKBoFGi(1)式中：q为热流密度；G为质量流速；ifg为汽化潜热；Bo为沸腾数，反映q、G及热物性的综合影响。本文作者的研究表明，Bo可确定微通道核态传热和对流蒸发传热间的转换[42]。引入类沸腾概念处理超临界对流传热。近壁区为类气膜相，管中心为类液相，用类临界温度Tpc划分气液界面。气膜增长引起蒸发动量力，G引起惯性效应，定义超临界K数为2TTqKGi(2)式中，i是超临界相变焓，T和T分别表示类液相密度和类气相密度。为避免确定超临界相变焓i带来的困难，定义k=Δi/ipc。对于S-CO2，k在0.235~0.707，表明i和ipc在同一数量级。主流温度Tb定义类液相密度，管壁温度Tw定义类气相密度。由此，定义超临界沸腾数SBO和K数为：pcSBOqGi(3)2bwwqKGi(4)引入K数研究超临界传热，反映管壁类气膜相对传热的影响。K越大，气膜越厚，传热弱化。1.2.4S-CO2传热恶化临界判据本文作者及团队进行了宽广参数范围S-CO2垂直上升管定热流密度边界条件的传热实验，圆管内径di=10mm，结合文献中其他作者实验数据（di=2~10mm），发现临界SBO=5.126×10–4决定正常传热和传热恶化间的转换：SBO值小于临界值时正常传热，大于临界值时壁温飞升，飞升值最高可达156℃[42]。SBO值决定了超临界传热的突变，如图6所示。图6临界SBO值决定S-CO2垂直管内强制对流正常传热和传热恶化间的转换[42]Fig.6ThecriticalSBOvaluedeterminestheconversionbetweennormalheattransferandheattransferdeteriorationofforcedconvectioninS-CO2verticaltubes[42]1.2.54种工质超临界传热恶化临界判据将SBO推广到其他工质，得到类似结论，唯一区别是不同工质具有不同临界SBO值。对于超临界水、R134a和R22，SBO临界值分别为2.018×10–4、1.653×10–4和1.358×10–4[43]。1.2.6超临界传热系数的广义拟合采用5560个SCF传热数据点（其中2028个S-CO2数据点来源于申请人团队，3532个数据点来源于18篇文献），拟合S-CO2、水和R134a在垂直第10期徐进良等超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望7http://www.rlfd.com.cn上升管内定热流密度边界条件下的传热系数，获得传热关联式0.94840.7180.0313bb0.0012NuRePrK，其误差远小于文献中广泛的引用公式，且适用于不同工质、管径、正常传热和传热恶化[44]。K数的指数为–0.0313，表明K数对SCF传热具有抑制作用，符合物理机理。该关联式还成功解释了压力对超临界传热的影响，压力越大，ipc越大，界面质量传递减弱，K减小，传热改善。1.2.7关键部件概念设计提出了S-CO2“锅”和“炉”耦合机理及调控策略。根据火焰温度和金属壁面温度间辐射换热基本规律，得到了受热面热负荷主要取决于燃烧侧，锅内CO2传热对热负荷无影响的结论，这一结论直接获得了研究S-CO2锅炉的解耦策略。进入锅炉的CO2属于类气态工质，锅炉概念设计的重心在于确保受热面安全，即保证受热面处在合理的耐温极限内，提出“锅”和“炉”的综合调控策略。在锅侧，需优化冷却壁结构尺寸及CO2流动状况，包括采用新的CO2强化传热手段等。在炉侧，合理设计燃烧器及优化过量空气系数，降低受热面最大热负荷，并使热负荷沿炉膛高度方向均匀。在大容量透平概念设计方面，围绕透平材料选择、轴系稳定性及密封等关键难点，初步完成了1000MW级机组主透平设计，提出了采用分流设计方案平衡透平轴向推力，及高性能迷宫碳环或干气密封系统，数值模拟验证了密封系统的可靠性。采用等根径透平设计及三维叶型型线，以及级间匹配实现93%透平效率。1.2.8建成若干实验设施国际上S-CO2传热集中在8MPa、小于10mm的管径以及全周均匀加热。华北电力大学建立了均匀加热和半周非均匀加热条件下S-CO2传热大型实验装置。与国际上其他实验台相比，本实验台可进行超高压（如26MPa）、大管径（如10mm内径）以及全周或半周加热实验，弥补了现有实验设施的不足。本实验设施的建成，可满足高温高压S-CO2数据获取、机理研究及工程设计所需的数据支持[42]。中国科学院工程热物理研究所建成了S-CO2换热器综合试验测试平台，可进行S-CO2印刷电路板换热器性能测试，最高设计压力32MPa、温度823K，自主研制的高效紧凑式回热器效率高达98%，压降不超过50kPa[45]。西安交通大学和华中科技大学等合作建立了S-CO2锅炉研究设施，西安交通大学等正在建设S-CO2透平仿真及测试平台。西安热工研究院有限公司正在建设5MW燃气驱动S-CO2发电系统[36]。2S-CO2循环研究展望2.1S-CO2与金属材料相容性问题CO2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最高主蒸气温压参数，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，但所获取的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[46-48]：1）采用高纯度CO2测试，与机组实际运行工况有偏离；2）测试时间不够长；3）采用增重法表征化学反应速率，建议采用减重法更有价值。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。2.2S-CO2循环的选择当S-CO2循环与不同热源耦合时，难以找到一个固定循环以适合不同热源（太阳能、核能、化石能源及余热）。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循环采用其他工质，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。在进行循环研究时，现有文献主要关注S-CO2循环本身，对热源和S-CO2循环的耦合关注不够。S-CO2循环效率高并不代表整个系统效率高。2.3S-CO2换热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。S-CO2循环加热器担负吸收热源热量的重任。第4代先进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，但限于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82020年http://www.rlfd.com.cn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气锅炉高，例如520℃，导致锅炉受热面整体温度上升；其次，S-CO2传热系数一般在3~5kW/(m2·K)，在200~300kW/m2热负荷下，CO2与管内壁温差可达40~100℃。印刷电路板换热器最初由英国Heatric公司提出，由于功率密度高和体积小而备受青睐。S-CO2循环具有非常大的系统内部回热，回热量可达净输出功的3~4倍，减小回热器尺寸对于整个系统的紧凑化和提高负荷响应速率非常重要。已证明PCHE在小规模S-CO2循环中有效。美国NETPower公司将PCHE集成到一个50MWth的天然气示范电厂的设计中[15]。Zigzag是PCHE通道的传统结构。近期的进展包括发展新的通道结构（如S型和翼型[23-24]）、减少PCHE阻力、提升PCHE综合传热性能。亟待开展大容量机组（>100MW级）采用PCHE的可行性研究，包括设计加工方法和成本估算。目前，认为PCHE有较好的传热性能，但成本昂贵，如何降低成本很重要。从运行角度，发展弯曲窄缝通道清除杂质的新方法也具有重要意义。2.4S-CO2旋转机械S-CO2旋转机械表现出新的特点：1）高运行压力和低压比；2）大轴向推力，轴承、密封和转子动力学问题严重；3）超高功率密度和超高转速。径流式和轴流式旋转机械分别适用于小容量和大容量机组。现有大型旋转机械主要基于理想气体假设，但理想气体假设用于S-CO2旋转机械设计时，实际运行特性参数与设计值产生明显偏离。S-CO2透平运行远离临界压力，但S-CO2压气机运行可跨越临界压力，产生明显的实际气体效应。现有商业软件数值模拟难以捕捉实际气体效应，导致参数偏移。应发展新的数值模拟方法，考虑实际气体效应，提高S-CO2旋转机械数值模拟的精度、收敛性及计算速度，彻底明晰S-CO2旋转机械热功转换机理。2.5S-CO2循环变工况和瞬态运行各种换热器都会受到换热器两侧的质量流量变化或温差变化的影响，从而改变整个循环的传热速率和压力/温度参数，进而改变压缩机和透平的压比，使发电量和循环效率偏离设计值。压缩机和回热换热器由于具有较强的实际气体效应，应引起重视。变工况运行甚至可使超临界循环转换为跨临界循环。对于核反应堆或化石能源发电厂，变工况运行应考虑不同的冷却器温度。研究表明，当冷却器温度从21℃提高到40℃时，由于实际气体效应引起压比下降，导致发电量和效率下降。为了在冷源温度升高时获得恒定的热功率和效率，压缩机有必要具有一定的自由度[49]。对于太阳能S-CO2循环，应考虑太阳辐射热通量和冷却器温度的变化。应耦合这2个因素进行变工况性能的分析。变工况研究的展望是：1）多个团队正在开发部件和系统的模型。对不同热源驱动的S-CO2循环，期待建立能考虑实际气体效应的数学模型。2）目前变工况可用实验数据来自美国Argonne和Sandia国家实验室[49-50]。需要扩充数据库，验证所建立模型的正确性。3）S-CO2循环瞬态分析和控制的目的是确保在扰动条件下系统能够安全运行并维持超临界压力。美国Argonne国家实验室开发了瞬态分析软件[8]。2.6S-CO2动力循环示范系统的建立目前，非常迫切建立并完善不同热源驱动的S-CO2动力循环示范系统，取得第一手的实验测试数据，对部件概念设计进行机理验证，积累运行经验，对电厂设计提出改进措施等。在发展大型化的S-CO2动力循环时，至少要经历10MW，100MW及1000MW这3个功率等级的发展历程。热源不同，这些示范系统的设计有可能不完全相同，但存在若干共性关键技术。3结论与展望1）核能和太阳驱动的S-CO2循环分为直接式和间接式2种。前者发电效率高，但吸热器安全问题严重；后者通过中间换热器吸收热源热量。由于热源与循环耦合的温区较窄，建议采用再压缩循环。S-CO2燃煤发电系统较为复杂，需解决烟气热量宽温区吸收等问题。第10期徐进良等超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望9http://www.rlfd.com.cn2）已有S-CO2传热实验集中在近临界压力区，与机组实际运行参数有较大差别；现有超临界传热建立在单相流体变物性引起的浮升力和加速效应，难以实现超临界传热的精确预测。近年来对印刷电路板换热器进行了较多的实验和数值研究。3）目前主要对径流式S-CO2旋转机械进行了研发，采用理想气体假设，导致实际效率低于设计值，小型系统存在泄漏等问题。未来需重点关注轴承、密封和转子动力学稳定性等问题，大型轴流式透平是未来发展的重要方向。4）围绕大型S-CO2燃煤发电系统，我国在锅炉热源与循环耦合机理方面取得重要进展：提出了锅炉模块化设计，解决了锅炉压降对效率的惩罚效应；提出了顶/底复合循环，解决了锅炉烟气热量全温区吸收问题。5）我国建成并投入使用高温高压S-CO2传热实验系统及印刷电路板回热器实验系统等，引入超临界类沸腾概念，建立了新的超临界传热无量纲参数，给出了高精度预测传热恶化及传热系数的广义关联式等。6）建议未来在高温高压CO2与金属材料的相容性、不同热源驱动的S-CO2循环构建、关键部件（如热源设备、印刷电路板回热器）、CO2透平设计及制造、系统偏离设计工况、瞬态工况以及控制运行方面加大研发力度。在S-CO2循环商业化运行之前，建立不同容量等级的S-CO2发电的示范系统非常必要。［参考文献］［1］VISWANATHANR,SARVERJ,TANZOSHJM.Boilermaterialsforultra-supercriticalcoalpowerplants:steamsideoxidation[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2006,15(3):255-274.［2］XUJL,LIUC,SUNEH,etal.PerspectiveofS-CO2powercycles[J].Energy,2019,186:115831.［3］HOLCOMBGR,CARNEYC,DOGANON.OxidationofalloysforenergyapplicationsinsupercriticalCO2andH2O[J].CorrosionScience,2016,109:22-35.［4］LIMJ,ZHUHH,GUOJQ,etal.ThedevelopmenttechnologyandapplicationsofsupercriticalCO2powercycleinnuclearenergy,solarenergyandotherenergyindustries[J].AppliedThermalEngineering,2017,126:255-275.［5］DOSTALV,HEIZLARP,DRISCOLLMJ.Thesupercri-ticalcarbondioxidepowercycle:comparisontootheradvancedpowercycles[J].NuclearTechnology,2017,154(3):283-301.［6］VERDOLINIE,VONAF,POPPD.Bridgingthegap:dofast-react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