摘要：針對太陽能光熱電站采用超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統，以常規50 MW等級光熱電站邊界條件為基準，分析了不同循環系統循環效率，選取了間冷式再壓縮循環作為研究對象，對循環參數進行了分析和優化。結果表明：透平入口溫度及壓氣機入口溫度對循環效率影響較為明顯，透平排氣壓力存在最優點，透平進氣壓力需綜合考慮選取，再熱對循環效率提升效果較為顯著，實際工程應用時，采用一次再熱時綜合收益最高。

引入：太陽能被認為是取之不盡用之不竭的能源，利用太陽能作為能源是最為經濟環保、安全可靠的手段，同時太陽能不會造成任何環境污染，勢必成為未來發展的主流。利用太陽能進行發電目前主要有兩種形式，即太陽能光伏發電及太陽能光熱發電。前者是利用太陽光照射半導體材料，通過光電效應產生出電流，其技術成熟，使用方便，現在用的多，但光伏發電難大規模儲能，而且煉硅能耗很大。

太陽熱發電是利用太陽能的輻射能，通過集熱器和聚熱接收器，再通過熱機發電，光熱發電規模較大，可以直接并網運行，國內發展速度迅猛。發展太陽能光熱發電，我國具有優越的自然資源優勢。我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一，年日照時數大于1 700 h的地區面積約占全國總面積的三分之二以上。有條件發展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30萬平方千米[1]。其中：青海、西藏、甘肅、新疆、內蒙等西北地區的光熱資源條件較好，我國光熱資源分布如圖1所示。

圖1：中國太陽能分布[1]

目前光熱電站主要利用的是蒸汽輪機進行發電，對水資源要求較高，但是我國光熱資源主要分布在缺水的西部地區，因此不可避免的會出現水資源短缺等問題。超臨界CO2（以下簡稱S-CO2）的布雷頓循環正好為其提供了一種途徑，S-CO2布雷頓循環利用超臨界CO2作為工質，發電循環為閉式布雷頓循環，整個系統不需水資源。并且其具有較高的熱電轉換效率，對太陽能熱發電極具吸引力。它的工質無毒無害，而其體積小效率高的優勢，有取代傳統蒸汽輪機的趨勢。光熱電站如采取S-CO2布雷頓循環替代水蒸氣朗肯循環，能夠最大化發揮光熱發電的優勢。

本文基于常規50 MW光熱電站邊界條件，對光熱電站采用的S-CO2布雷頓循環進行循環分析和參數優化論證。

1、S-CO2布雷頓循環研究現狀

S-CO2循環發電技術于上世紀60年代由Angelino[2]和Feher[3]率先提出，但當時由于工業技術和高性能換熱器的限制而沒有發展起來。21世紀初，由于發展新一代核電的需要，S-CO2作為高溫氣冷堆的備選介質受到普遍關注，其應用研究已經從核電領域擴展到了化石發電廠、船舶推進系統、聚光太陽能、燃料電池、工業余熱回收等其他領域。

目前，至少有美國、日本、法國、韓國等13個國家的實驗室和研究所開展S-CO2相關技術研究[4-8]，并取得了大量有指導意義的研究成果。

國內相關機構[9-12]也逐漸開始了這方面的研究。2018年2月，由中國科學院工程熱物理研究所研制的國內首臺MW級超臨界二氧化碳壓縮機，成功交付工程熱物理研究所衡水基地；2018年6月15日，首航節能與法國電力在北京舉行S-CO2循環光熱發電技術研發項目啟動儀式；2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺在衡水基地正式建成；2018年11月，我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗測試平臺”在中國科學院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成[13]。S-CO2布雷頓循環在國內火速發展，已經逐步開始從實驗成果走向商業應用。

2、循環系統簡介

目前，國內外主流的S-CO2布雷頓循環包括：簡單布雷頓循環，再壓縮布雷頓循環和間冷再壓縮式布雷頓循環等。

2.1簡單布雷頓循環

簡單布雷頓循環是S-CO2循環的基礎，系統主要部件包括熱源、透平及發電機組、壓縮機、冷凝器、回熱器等，系統簡單但整體循環效率相對較低。簡單S-CO2布雷頓循環具有結構簡單、設

備體積小及投入成本低等優勢，但是在循環過程中，可能會發生回熱器“夾點”問題[4]。導致回熱性能惡化，從而降低簡單循環效率。簡單布雷頓循環示意圖如圖2所示。

圖2：簡單 S-CO2 布雷頓循環系統圖

2.2再壓縮式布雷頓循環

為避免上述“夾點”問題發生，MIT在簡單循環的基礎上提出S-CO2再壓縮式布雷頓循環[6]，在循環中分別設置高溫和低溫回熱器，并增加再壓壓縮機方案，以解決回熱器“夾點”問題。同時，此方案減小了冷卻器帶走的熱量，使得循環效率提高。再壓縮式布雷頓循環示意圖如圖3所示。

圖3：再壓縮式 S-CO2 布雷頓循環系統圖

2.3間冷再壓縮式布雷頓循環

壓氣機是閉式布雷頓循環中最主要的耗功單元，如能降低壓氣機耗功將大大提高循環效率。為此，在再壓縮式布雷頓循環的基礎上發展了間冷再壓縮式布雷頓循環。與普通再壓縮式布雷頓

循環相比，增加一臺預壓縮機，并在主壓縮機及預壓縮機設置一臺間冷器。間冷器可有效減少主壓縮機耗功，從而增加系統凈出力，提高S-CO2發電系統效率。間冷再壓縮式布雷頓循環示意圖如圖4所示。

圖4：間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統圖

2.4循環系統計算與優化

根據目前50 MW等級光熱電站實際運行參數，選取S-CO2透平進口參數為20 MPa/550℃，主壓縮機入口壓力≥7.7 MPa，入口溫度35℃，為了便于控制，所有壓氣機均采用電動機驅動。同時，每經過一個換熱器設備，按壓損0.1 MPa考慮，換熱器“夾點”端差為10℃。透平效率取90%，壓縮機效率取85%，發電機效率取98.5%，電動機效率取97%。分別計算3種S-CO2布雷頓循環，計算結果匯總見表1。

根據計算結果可以看出，簡單布雷頓循環系統簡單，但效率不高；間冷式再壓縮循環系統雖復雜，但效率比其他循環明顯提高，且收益可觀。實際上，光熱電站投資主要費用集中在集熱島和儲熱島，動力島部分相對投資較小，動力循環效率的提升意味著如果發出同樣功率的電力，所需的熱源熱量更少。因此，采用間冷再壓縮式循環，雖然系統成本會增加，但集熱島和儲熱島的投資將會減小，遠大于動力島系統增加的投資。同時冷源需帶走的熱量也在減少，因此冷源投資也會減小。基于以上分析，選取間冷式再壓縮循環作為研究對象，對循環系統參數進行優化論證。

3、循環系統參數優化論證

3.1循環參數對循環效率影響

上文對不同循環系統進行了分析及初步核算，并選取了間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統作為最終的研究對象，下面對此循環進行循環參數

的優化選取。圖5所示為間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環效率隨壓氣機入口溫度、透平入口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力變化的曲線。壓氣機入口壓力與透平出口壓力為對應關系，不需單獨計算。

圖5：間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統參數優化

由圖5可知：（1）循環效率隨主壓縮機入口溫度的升高逐漸降低。這是因為隨著主壓縮機入口溫度的升高，主壓縮機功率增大，透平輸出功率變化不大，循環輸出凈功率減小，工質吸熱功率也減少，但其減幅較循環輸出凈功率更大，導致循環效率下降。

（2）隨著透平入口溫度的升高，循環效率近似線性提高，壓縮機總功率逐漸減小，透平輸出功率逐漸增大。因此循環輸出凈功率逐漸增大，其增幅與工質吸熱功率的增幅相差不大．這使得循環效率逐漸提高。

（3）隨著透平入口壓力的升高，循環效率逐漸提高，但透平入口壓力越高，循環效率提高的幅度越小。

（4）透平排氣壓力存在一個效率最優點，且對于不同初參數，對應的效率最優點不同，排氣壓力最優點一般是使得壓氣機入口壓力略高于臨界壓力。

3.2透平入口參數優化

透平入口溫度對循環效率影響較大，考慮到光熱電站實際情況，基準方案透平入口溫度為550℃，高效率方案透平入口溫度為620℃，透平入口壓力分別為20 MPa和25 MPa，壓氣機入口溫度

越低越有利于循環效率，但工質在接近臨界溫度（31.1℃）時，物性變化劇烈，同時由于局部冷卻可能在壓氣機中發生冷凝，因此壓氣機入口溫度均選為35℃，避免出現不利影響，透平排氣壓力根據系統參數進行優化。經過計算，間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統參數優化結果匯總見表2。

3.3系統再熱優化

以上結果均基于非再熱布雷頓循環系統，參考朗肯循環，系統設置再熱后相較非再熱循環效率明顯提升。因此，在非再熱間冷再壓縮式SCO2布雷頓循環系統基礎上，增加一次再熱并對系統效率進行尋優，原則性熱力系統圖如圖6所示。

圖6：再熱間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統

圖7所示為3種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環效率隨再熱壓力變化的曲線。可以看出，再熱壓力存在最佳點使得循環效率最高，因此將再熱壓力均選在最佳點，計算結果匯總見表3。

圖7：3種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環效率隨再熱壓力變化的曲線

由表3計算結果可知，一次再熱比無再熱循環效率能夠再提高1.3%左右。二次再熱相比一次再熱系統效率提升已經不明顯，更多次再熱時循環效率甚至變低，這是由于換熱器和管道壓損的存在，多次再熱的收益甚至不足以彌補壓損造成的損失。而且隨著再熱次數增加，系統復雜程度增加、可靠性降低、流動阻力增大。因此工程應用時，再熱循環推薦采用一次再熱方案。

4、結論

S-CO2簡單循環系統簡單，但效率不高；間冷式再壓縮循環系統雖較為復雜，但效率相比其他循環有明顯提高，且收益可觀。綜合考慮效率與系統投資成本，光熱電站如采用S-CO2布雷頓

循環推薦采用間冷式再壓縮循環；S-CO2循環參數對循環效率有較大影響，尤其是透平入口溫度及壓氣機入口溫度與循環效率近乎是線性關系。因此，降低壓氣機入口溫度、提高透平入口溫度有利于循環效率的提升；透平入口壓力的提高也能一定程度上提高循環效率，但系統壓力的提高對循環系統及部件的要求大大提高，增加了壓氣機、換熱器及相關部件的設計難度和制造成本。因此，透平入口壓力不宜過高。

再熱對S-CO2布雷頓循環效率也有較為可觀的提升。一次再熱以后系統循環效率相比無再熱時有1.3%左右的提升，兩次再熱及以上時，效率提升不明顯，且會大大增加系統復雜程度，因此，如系統采用再熱式S-CO2布雷頓循環，推薦采用一次再熱方案。

注：本文轉自《東方汽輪機》，聯合作者為東方電氣集團東方汽輪機有限公司袁曉旭、張小波。轉載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者與本網聯系。