摘要：由于化石能源的消耗以及环境的恶化，各国都开始寻找新型发电技术。SCO2布雷顿循环身为新兴的技术，具有临界参数易达到、体积小、重量轻、循环效率高等优点。将布雷顿循环工质进行比较，得到SCO2是最适合布雷顿循环的。之后将SCO2布雷顿循环与朗肯循环进行比较，得到SCO2布雷顿循环与光热发电相结合的效率更高。基于光热发电系统，对SCO2布雷顿循环结构进行了分析比较，得到再压缩循环既简单又高效，适合光热发电系统。接着在光热发电系统中对布雷顿循环关键参数进行优化，从而使循环效率达到最佳。最后研究了SCO2布雷顿循环的设备，包括向心透平、离心式压缩机和印刷电路板式换热器，其中印刷电路板式换热器作为一种新型换热器，因为它的紧凑高效性等特点常被用于SCO2布雷顿循环。

01

前言

近年来，随着环境的污染以及化石能源的消耗，各国都在努力寻找更加节能高效的新能源。其中二氧化碳(CO2)极为突出，它具有临界参数易达到(临界温度30.98℃,临界压力7.38MPa)、安全无毒、比热容大、能量密度高、储量丰富、易获取等优点。而以超临界二氧化碳(SCO2)作为介质的布雷顿循环，具有占地面积小、设备简单重量轻、循环热效率高等优点，受到了大家广泛研究。SCO2布雷顿循环与太阳能热发电相结合，可以提高太阳能转化效率，所以目前来说，光热发电与SCO2布雷顿循环相结合必将成为未来的发展趋势。

本文将从以下5部分进行介绍。第1部分将应用于布雷顿循环的介质进行比较，得到SCO2是最适合布雷顿循环的介质；第2部分基于光热发电系统比较了SCO2布雷顿循环和水蒸气朗肯循环、SCO2朗肯循环，得到光热发电与SCO2布雷顿循环结合效率更高；第3部分基于光热发电系统对SCO2布雷顿循环结构进行比较，得到再压缩循环、中冷再压缩循环和中冷再热再压缩循环效率较高，是比较适合光热发电系统的；第4部分对基于光热发电系统的SCO2布雷顿循环的关键参数进行了优化；第5部分对SCO2布雷顿循环的设备进行研究，主要包括透平、压缩机和换热器。

02

布雷顿循环介质

图1简单循环

布雷顿循环是一种以气体为工质的循环，如图1所示，经过定熵压缩、定压加热、定熵膨胀、定压放热等4个过程来实现能量的高效转化。

常见的布雷顿循环有：SCO2布雷顿循环、He布雷顿循环和空气布雷顿循环。与后两者相比，SCO2布雷顿循环的优势在于SCO2在650℃就可以达到He在850℃的效率，并提供了选择材料的灵活性[1],与空气布雷顿循环相比大大减少了压缩功，且循环效率可达到60%,比空气布雷顿循环提高了10%[2]。布雷顿循环作为一种以气体为工质的循环，一般用于制冷剂的气体可以用做布雷顿循环的工质，为此也有选择一些惰性气体来进行布雷顿循环效率的比较。Uusitalo等人[3]选用了CO2、C2H6、C2H4、R116等气体来进行布雷顿循环模拟，选择它们主要是基于流体的临界温度略低于或接近压缩机入口温度，以确保超临界流体能贯穿整个循环，最后得到以CO2流体为工质的中冷再压缩循环具有最优效率。Coco-Enríquez L等人[4]选择了CO2、N2、Xe、CH4、C2H6等5种气体进行效率比较，得到N2的循环效率最高，CO2次之，但在提高透平入口压力时只有CO2可使循环效率升高，其它工质均无变化。

通过在布雷顿循环中对这些工质进行效率比较，得到与大部分气体工质相比，CO2循环效率最高，且它是一种绿色安全无毒的气体，是其它气体无法比拟的，所以目前布雷顿循环的工质还是CO2最佳，基于此兴起了对SCO2布雷顿循环的研究。

03

光热发电中的SCO布雷顿循环与朗肯循环比较

随着SCO2布雷顿循环的兴起，人们不免将它与之前的循环进行比较。其中最突出的就是朗肯循环，如图2所示，由锅炉开始进行了定压吸热、定熵膨胀、定压放热和定熵压缩等4个过程的简单动力循环。

图2朗肯循环

光热电站目前大部分都是采用的水蒸气朗肯循环，与之相比，SCO2布雷顿循环不仅可以产生更高的循环热效率，重量体积还会更小[5],与现有的水蒸气朗肯循环相比较，不仅发电效率提高了6.2%～7.4%,电力成本还降低了7.8%～13.6%[6]。Hanak等人[7]得到SCO2布雷顿循环在透平入口温度593.3℃,入口压力24.23MPa下的净效率损失比传统水蒸气朗肯循环少1%HHV,若进一步提高温度和压力则净效率损失会更少，且成本低27%。曹春辉[8]建立了SCO2再压缩布雷顿循环塔式光热发电系统模型，得到再压缩循环的发电系统热效率和总热效率分别为43.69%、25.95%,而使用水蒸气朗肯循环时的两个效率分别为37.85%、22.89%,可以明显看出光热发电系统使用再压缩循环的效率要高。如表1,吴毅[9]和杨雪[10]也都将SCO2再压缩布雷顿循环与水蒸气朗肯循环进行了比较，最终得到SCO2布雷顿循环与光热电站相结合的效率更高。

表1水蒸气循环和SCO 2循环效率比较

前面得到SCO2作为一种优秀工质，同样可以用于朗肯循环，为了得到更适合光热电站的循环，同样将SCO2朗肯循环和SCO2布雷顿循环的循环效率进行比较。已知SCO2布雷顿循环，当透平入口温度在700℃的简单循环效率大于44%,而更先进的再压缩循环效率可达到51%[11]。而以SCO2为工质的太阳能朗肯循环系统的电能效率和热效率为11.4%和36.2%[12],在最优配置下的最大循环热效率才能达到40%[13]。张玉伟[14]搭建了SCO2太阳能朗肯循环系统，得到朗肯循环效率会随着时间产生较大的波动，在中午时循环效率最高，可达到21.6%,在整个时间段的平均循环效率可达到约14%。向冲[15]同样搭建了SCO2太阳能朗肯循环系统，得到在典型工况下(透平压力从10MPa降到6.5MPa,加热温度为100℃)的循环总效率为20.58%。从上述数据中均可以明显看出，SCO2布雷顿循环的效率明显高于SCO2朗肯循环。

将SCO2布雷顿循环与水蒸气朗肯循环和SCO2朗肯循环均进行了比较，都证明了SCO2布雷顿循环效率更高，所以SCO2布雷顿循环与光热发电系统相结合存在优势，既可以提高太阳能转化效率，又能提高发电效率，是一种较优的循环。

04

基于光热发电系统的SCO布雷顿循环结构

随着SCO2布雷顿循环的兴起，简单循环由于换热不均会造成回热器的“夹点”问题，从而影响循环效率，为解决这一问题开始增加回热器的数量，以此引出来一系列改良的循环布局。而与光热发电相结合，也需要将各种循环结构进行比较，从而选出最合适的。

其中已知再压缩循环不仅能产生最高的循环效率，而且同时保持结构简单[16]。为了证明再压缩循环最适合光热电站，基于光热发电系统将简单循环、再热循环、预压缩循环、再压缩循环和部分冷却循环进行比较，得到再压缩循环效率最高[17,18],单独使用该循环最大热效率可以达到52%,光热电站系统效率可以达到40%[18]。

而后随着布雷顿循环结构的一步步优化改良，出现了中冷再热再压缩循环结构，它在再压缩循环的基础上增加了压缩机和冷却器各一台，虽然成本有所增加，但是循环效率也随之增大。基于光热发电系统将简单循环、再压缩循环、部分冷却循环和中冷再压缩循环进行比较，得到中冷再压缩循环循环热效率最高[19,20],在透平入口温度850℃时达到55.2%[19],将透平入口温度优化到730℃,并将循环和接收器效率之间达到最佳时太阳能发电效率为17.5%[20]。Wang等人[21]将再压缩、中冷再压缩、部分冷却这3种循环集成到光热发电系统中，比较它们的性能，得到循环效率从大到小依次是中冷再压缩循环、部分冷却循环、再压缩循环，尤其是当压缩机入口温度较高时，中冷再压缩循环和部分冷却循环的优势会更加明显。王雅倩[22]建立了基于塔式光热系统的SCO2布雷顿循环的模型，分别取各个循环的最高效率点进行比较，得到从大到小依次为：中冷再压缩循环、再压缩循环、部分冷却循环、预压缩循环、简单循环。李佩蔚[23]则建立了简单、预压缩、再压缩、部分冷却、中冷再压缩这5种不同形式的SCO2布雷顿循环热力学模型，得到中冷再压缩是最适合于塔式太阳能系统的一种循环形式。袁晓旭和张小波[24]设置了透平入口温度550℃、透平入口压力20MPa、主压缩机入口温度35℃的情况下比较了简单、再压缩、中冷再压缩3种基于光热发电的循环效率，由表2可以看出中冷再压缩循环的供电效率最高。

表2基于光热发电系统的3种循环比较

之后又出现了中冷再热再压缩循环结构，与中冷再压缩循环相比，增加了一台再热透平，循环结构如图3所示，虽然成本有所增加，但是循环效率也随之增大。基于光热发电系统将简单循环、再压缩循环、再热再压缩循环和中冷再压缩循环进行比较，得到中冷再热再压缩循环热效率最高，既能够适应干冷又能达到50%以上的发电效率[25]。Mohagheghi等人[26]研究了基于光热发电的SCO2布雷顿循环采用简单循环、再压缩循环、再热再压缩循环和中冷再热再压缩循环等不同结构，以循环效率最大为目标函数，对各个循环的热力学性能进行优化，得到中冷再热再压缩循环不仅显著降低了排热的■损失，而且提高了复热性能，表3为各个循环的关键参数取值以及循环效率，可以看出中冷再热再压缩循环效率最高。

图3中冷再热再压缩循环

虽然中冷再热再压缩循环效率最高，但系统相对更加复杂，成本更高，而再压缩相对来说效率较高且系统简单，所以应用前景广泛[27]。所以综合分析再压缩循环既简单又高效，是最适合光热发电系统的，后续对于关键参数研究也都是基于此循环。

05

基于光热发电的SCO布雷顿循环关键参数优化

针对各种循环结构进行优化时，关键参数是其中重要的一项研究，从上节可以得到再压缩循环既可以达到很高的效率又能保持系统相对简单，所以关键参数进行优化大部分都是采用的再压缩循环结构。

SCO2布雷顿循环的关键参数有：透平入口温度和压力、压缩机入口温度和压力、分流比等。通过对关键参数进行优化，可以使循环效率达到最大。Iverson等人[28]得到透平入口温度高于600℃时SCO2布雷顿循环在光热发电系统中有明显优势。周昊等人[29]则得到透平入口温度达到750℃左右全厂效率最大。陈建生等人[30]建立了基于塔式光热电站与SCO2再压缩布雷顿循环集成的数学模型，得到当透平入口温度为901K时基于塔式光热电站的SCO2再压缩布雷顿循环系统热效率可以达到28.4%。Abid等人[31]分析得到当透平入口温度从823K升高到1023K时，循环效率从44.55%升高到了49%。Grag等人[32]得到循环效率随着透平入口温度的增大而增大，随着透平入口压力的增大先增大后减小，当温度873K、压力8.5MPa时循环效率最大，约32%。何欣欣等人[33]分析了循环关键参数对全厂热效率的影响，得到全厂热效率与透平入口温度和循环压比均呈先增大后减小的趋势，采用遗传算法以全厂热效率为优化目标，得到在透平入口温度787.8℃、透平入口压力35MPa、循环压比4.573时全厂热效率为35.244%。韩中合等人[34]建立了SCO2再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统模型，采用遗传算法对系统的关键参数进行优化，得到在透平入口温度784℃～841℃、主压缩机入口压力7.68MPa～10MPa、最佳分流系数0.25～0.32的取值范围内系统总■损率可以达到70.72%～76.87%。王智等人[35]建立了基于塔式光热系统的SCO2再压缩布雷顿循环，得到循环效率与透平入口温度和分流比呈先增大后减小的趋势，在750℃、0.7左右达到最大；而不同循环压比对应不同的最佳透平入口温度和分流比，用遗传算法进行优化，结果见表4。

表3几种循环的效率比较

表4参数优化后的循环效率

沈涵孜等人[36]建立了SCO2再压缩布雷顿循环，通过软件模拟来分析系统参数对循环效率的影响，如图4、图5所示。由图4、图5可以看出，循环净效率随透平入口温度升高而升高，随透平入口压力升高而先增大后减小；最后基于塔式光热系统对关键参数的优化，得到当透平入口温度和压力为550℃、24MPa,主压缩机入口温度35℃,分流比0.65时可以使循环效率达到43.8%。

图4透平入口温度与循环效率关系

图5透平入口压力与循环效率关系

通过对关键参数的优化会发现，这些参数不是单一影响循环效率的，它们之间存在着耦合关系，所以为了使循环效率达到最佳，最好还是采用算法对参数进行优化，使各个参数都达到最佳，从而得到最优的循环效率。

06

SCO布雷顿循环设备

在得到SCO2布雷顿循环的循环结构和关键参数后，对于循环所需的设备也是一个重要的研究方向。设备主要就分两种：旋转机械和换热器。

5.1旋转机械

旋转机械是SCO2循环热功转换的关键部件。主要有两种：透平和压缩机。

SCO2透平有径流(向心)透平和轴流透平两种，国内外对于透平的研究主要就分为这两种。径流式适宜较小规模应用，最大适用于50MW级别，而轴流式更适于较大规模的应用[37]。Moore等人[38,39]为SCO2再压缩布雷顿循环设计了一种新型高温透平，这种透平既可以应用在传统热源也能应用在太阳能发电系统，让SCO2循环达到接近50%的热效率，目前此透平已经可以在温度550℃、压力18MPa时转子转速达到21 000r/min的要求，并将继续提高要求进行试验。Lee等人[40]提出了一种SCO2布雷顿循环透平的改进设计方法，此方法可以同时得到某一工况下轴向和径向两种透平的设计方案，从而方便在相同设计条件下选择最有效的透平类型。Schmitt等人[41]对100MW的SCO2透平的参数进行了设计，设定为6级的透平且入口温度为1035K,并设计了详细的流场计算气动损失系数，经过验证均满足要求。刘长春等人[42]综合了国内外的各种数据，将Ni基合金、奥氏体钢和铁素体钢进行对比得到了SCO2透平选材建议，若考虑制造成本应选择奥氏体钢或铁素体钢，若考虑抗腐蚀应选择Ni基合金。张少锋等人[43]将干气密封装置安装在主轴靠近透平的位置，既实现了对透平的密封，又可以达到对密封的降温作用，保证了SCO2布雷顿系统的运行。王鹏亮等人[44]将压缩机和透平采用同轴同缸的布置，将透平高温高压密封的难题变成了低温密封，实现了这一系统应用。目前关于向心透平的研究较多，Cho等人[45]设计了一种10KW级的SCO2循环，采用径向透平和离心压缩机，并设计了带有迷宫密封的径向透平和离心压缩机的叶轮的冠状结构，以克服SNL报道的推力平衡问题。Odabaee等人[46]采用ANSYS对SCO2向心透平进行了CFD分析，该透平在光热条件下可达到入口温度560℃、压比2.2、功率100KW,比较了SCO2气体属性方程和从NIST中生成的RGP表两种方法的计算结果和耗时，发现结果基本一致。周奥铮等人[47]则提出了一种采用一维向心透平预测的SCO2再压缩循环模型，将它与固定透平进行对比，结果发现这种模型更加适合变工况情况。王春阳[48]对一个70MW级SCO2布雷顿循环的向心透平进行了改进，得到透平的参数为：最佳进口叶片角30°,最佳叶片出口角82°,叶轮叶片数在10、11、12均可，最佳叶根倒角半径在3mm。王巧珍[49]对7.5MW的SCO2向心透平进行了气动设计，通过数值模拟得到最优方案功率为7.47MW,效率85.38%。吕国川等人[50]采用CFD对MW级的SCO2向心透平进行数值模拟，得到透平设计点效率达到88.45%,满足要求。赵攀等人[51]设计了1MW的SCO2向心透平，使用RANS得到在设计工况下透平气动效率达到83.53%,与设计值偏差为1.54%,验证了设计方法的可靠性。

除透平外，另一种旋转机械就是压缩机了，压缩机的种类有很多，但目前应用在SCO2布雷顿循环中最多的还是离心式压缩机，如图6所示。

图6离心压缩机结构简图

Utamura等人[52]设计的离心压缩机和径向透平由发电机驱动、高速逆变器控制，在转速1.15kHz,质量流量1.1kg/s,压缩机7.5MPa、304.6K,透平10.6MPa、533K工况下，可以实现110W的发电运行。Rinaldi等人[53]利用RANS模拟计算了SCO2离心压缩机的性能图，考虑了45、50、55等3种不同转速，并将数值结果与SNL的实验数据进行比较，证明了该方法的潜力。Behafarid等人[54]利用可压缩和不可压缩的SCO2模型，以及可压缩理想气体模型对离心压缩机进行一维分析，之后采用了新的建模方法用于SCO2压缩机的三维数值模拟，得到不可压缩模型可对SCO2压缩机进行完整详细的多维模型仿真，且该模型具有数值稳定性、计算效率和物理精度等优点。Shao等人[55]引入了“凝结裕量”对SCO2离心压缩机进行了详细的设计探讨，以低流量系数SCO2离心压缩机的初步设计结果为例进行了CFD模拟，得到的结果与勘探结果一致。Du等人[56]采用遗传算法对SCO2离心压缩机进行优化设计，得到压缩机最佳扬程系数为0.53,最大循环效率为24.4%。刘朝阳等人[57]研究了叶顶间隙对SCO2离心压缩机气动性能的影响，得到叶顶间隙的增大会降低SCO2离心压缩机的效率和压比。朱玉铭等人[58]设计开发了SCO2两级离心压缩机，得到实验最大总压比超过2.69,最大质量流量接近16kg/s,并将此压缩机与多个型号单级离心式压缩机进行对比，提出降低转速是提高SCO2离心压缩机性能的方法之一。曹润等人[59]研究了增加盘腔和密封结构的150kW SCO2离心压缩机，得到在设计工况下气动效率为72.1%,压比为2.19,最大轴向推力为1635kN,离心叶轮的表面等效应力最大值为109.95MPa,满足设计材料304钢的强度需求。尚鹏旭等人[60]对10MW级SCO2离心压缩机不同进口条件进行分析，得到进口温度越低或进口压力越高时，压缩机的性能越高。

5.2换热器

在SCO2循环中换热设备主要分为回热器、冷却器以及加热器3类。目前的换热器有板式、管壳式和印刷电路板式，其中印刷电路板式换热器(PCHE)相比管壳式和板式换热器具有非常突出的优点，主要体现在：(1)换热效率高；(2)耐高温和耐高压能力强；(3)在同等功率的条件下，PCHE的体积和重量是管壳式换热器的1/5[61]。由于流体之间的巨大压力差以及它们的紧凑性[62],PCHE被认为是SCO2布雷顿循环换热器的最佳选择之一，大部分循环都是采用的此种换热器，图7所示为PCHE的结构示意图[63]。

图7印刷电路板式换热器示意图

图8 PCHE通道类型

可以看到许多文献都是采用的此种换热器，如Nikitin等人[63]通过实验和数值方法研究了SCO2布雷顿循环中PCHE的传热和压降特性，得到局部换热系数和压降系数的经验关系式。Saeed等人[64]研究了PCHE的不同设计对SCO2循环性能的影响，采用了直型、Z型、C型、S型和翼型5种不同翅片构型，如图8所示，得到C型通道和Z型通道分别对应循环效率的最大值和换热器的最小尺寸。Ngo等人[65]提出了一种新型S型PCHE,并将它与Z型对比，得到它可在保持传热性能的同时降低6～7倍的压降。Kruizenga等人[66,67]分析了PCHE内SCO2的传热，采用了316型不锈钢、九通道、半圆形试验段的结构。Mohammed等人[69]提出冷却器是阻碍实现SCO2循环高热效率的主要原因之一，所以必须从冷却器中回收热量，以提高SCO2系统的整体能源利用效率，研究得到具有锯齿形和波浪形通道的PCHE适合于SCO2循环，在通道中插入S型或翼型翅片可提高换热能力。李磊等人[70]通过数值模拟方法对Z型的PCHE传热通道的传热和阻力特性进行了研究，得到层流模型对于Z型的PCHE的传热和阻力效果更好，当只改变两侧流体的质量流量时传热效率会变小，而当只改变热侧通道的入口温度时传热效率会变大。李净松等人[71]基于PCHE分析了换热器尺寸对SCO2再压缩布雷顿循环性能的影响，得到循环热效率与换热长度和面积成正比，但当换热器长度大于1.5m,高温回热器截面积大于12m2、低温回热器截面积大于9m2时循环效率提升不再明显。高毅超等人[72]建立了Z型PCHE模型，分析了管径和转折角对其换热的影响，得到在2mm～3mm、20°～45°时换热性能最好。徐婷婷等人[73]采用分段设计的方法对PCHE进行建模，将结果与实验数据进行对比，见表5,可以看出误差不大，证明了分段设计方法的可靠性。范世望等人[74]采用流体-固体强耦合传热模型对SCO2再压缩布雷顿循环中的PCHE在稳态和非稳态工况下运行的换热能力进行研究，得到在稳态工况下模拟符合工况，在非稳态工况下由于冷热通道换热不均匀可能会导致部分流体偏离超临界状态，尤其是边缘和出口附近，所以设计时需要考虑好PCHE内部传热不均的问题。史阳等人[75]采用PCHE作为SCO2布雷顿循环的回热器和冷却器，对此进行了测试以及费用分析，以1MW换热器为例，发现投资费用远高于运行费用，且随着SCO2质量流量的增加，回热器总体费用也随之增加，而冷却器的总体费用则呈现先下降后上升的趋势。刘凯等人[76]采用数值模拟方法探究SCO2在PCHE中的换热特性，发现当保持压力和流量一定时改变冷侧入口温度对PCHE热功率的影响比热侧大，而若要改变热通道的压力或流量对PCHE热功率的影响比改变冷通道的大。吴家荣等人[77]利用有限元方法对PCHE的应力进行分析，得到由于压力和温度的共同作用使芯体受到应力，可通过增大半圆截面尖角通道的圆弧半径来减小应力。丁源等人[78]设计了1MW SCO2光热发电系统的换热器，主要比较了直型和翼型两种翅片，得到在换热量、水力直径、通道数量均相同时，翼型比直型换热器的性能都要好。

表5分段设计结果和实验结果对比

07

总结

SCO2布雷顿循环作为一种新兴的发电循环受到了广泛研究，主要包括以下几部分：

(1)将用于布雷顿循环的工质进行比较，得到SCO2与布雷顿循环最合适，不仅效率高且安全绿色无毒。

(2)基于光热发电系统比较了SCO2布雷顿循环与水蒸气朗肯循环和SCO2朗肯循环的效率，得到SCO2布雷顿循环与光热发电结合更具有优势。

(3)基于光热发电系统比较了SCO2布雷顿循环的结构，得到再压缩循环既简单又高效，更适合光热发电系统。

(4)对基于光热发电系统的SCO2布雷顿循环的关键参数进行了优化，发现参数之间存在耦合关系，需要均达到最优才可使循环效率达到最佳。

(5)对SCO2布雷顿循环的设备进行了研究，有透平、压缩机和换热器，其中PCHE作为一种新型的换热器值得多关注。但目前看来结合光热发电系统对SCO2布雷顿循环设备分析的较少，后续可多研究。

本文作者 | 李光霁 付亚男

来源 | 汽轮机技术

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