朱启波 张红梅
贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000
【摘要】在化石燃料发电行业中，寻找有效的动力循环技术始终是工作的重点。在本文中，主要是针对超临界二氧化碳动力循环，即sCO2循环，分析了其使用具备的优势，并且分析了其发展的趋势和方向。
【关键词】超临界；二氧化碳；动力循环；现状；趋势
在最近几年中，超临界二氧化碳动力循环(sCO2循环)一直是热点，并且包含着各种应用的优势，如果突破当前的动力循环瓶颈，将会获得更大的发展前景。在最初时期，关于sCO2的循环研究是上世纪四十年代，之后在六七十年代，研究更是获得了显著的发展。到21世纪初，在美国又兴起了关于sCO2循环的相关研究，并且被其他的国家关注。二氧化碳具有稳定的化学性质，并且其成本低、密度高、结构紧凑，在应用中循环简单，在聚光型太阳能热发电(CSP)以及火力发电和地热发电中都有着广阔的使用前景，同时也能够取代天然气联合循环(NGCC)以及整体煤气化联合循环(IGCC)，保证更高的工作效率和更低的废气排放。
一、超临界二氧化碳动力循环的相关概述
（一）超临界二氧化碳动力循环方式和特点
在超临界二氧化碳动力循环中，包含了两个方式，分别是间接加热方式(闭式参考图1)以及直接加热方式(半闭式参考图2)。
图1闭式sCO2循环
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在闭式循环包含了发电机、压缩机(或泵)、透平、预冷器、热交换器以及回热器等等，参考图1。在工质一直在超临界状态下，闭式循环就是布雷顿循环，并且低温低压的工质到达压缩机中，上升到高压，之后经过回热器，将透平排出工质的热量吸收，然后再通过热交换器吸收热量，上升到最高温度，之后进入透平，进行做功来促进发电机工作，通过透平将工质排出，然后通过回热器来释放一些热量，最后通过预热器进行冷却，再次进入下一个循环。如果工质通过预冷器成为液态，就可以使用泵加压。
图2半闭式sCO2循环
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半闭式循环包含的发电机、压缩机、泵、水分离器、燃烧器、回热器、透平、冷却器和预冷器等等，参考图2。工质例如泵中上升至高压，然后通过回热器，将透平产生的工质热量吸收，之后通过燃烧器，将热量吸收并上升温度，然后把燃烧产物带入到透平膨胀做功，促进发电机的工作，透平将气态介质排出，通过回热器并保证能够释放一些热量，再一次经过冷却，让里边的水冷凝，同时分离开来，压缩机将介质压缩到临界压力之上，然后在利用预热器冷却，再次进行下一个循环，在燃烧中生成一些其他的二氧化碳，则利用管路排出。在半闭式循环中，使用直接燃烧加热，并且其透平的入口温度大约是1100℃，一般压力在20MPa左右，采用半闭式循环的热效率明显要高，甚至可以大于60%。
对比上述的两种循环方式可知，采用半闭式的循环就是在燃烧器中，利用燃气加热超临界二氧化碳直到高温，在水冷凝之后，就从循环回路中进行分离，在燃烧之后，生成的多余的二氧化碳能够利用管路进行直接捕集。在闭式循环中，通过换热器，超临界二氧化碳能够吸收一些热量，并且进行间接加热，工质不会和热源介质产生直接的接触，并且热源和动力循环都是各自独立的，在闭式循环中，其透平的入口温度显著要比半闭式循环低。采用这两个循环方式都是使用回热手段，在临界点位置压缩，减少做功，这也是提高效率的主要因素。
（二）超临界二氧化碳动力循环的优势及其应用
超临界二氧化碳动力循环和水、氮气以及一些低沸点的有机物的动力循环比起来，其优势主要包含：(1)循环效率高。(2)系统简便、设备十分紧凑、不需要大面积占地。(3)二氧化碳具有稳定的化学性质，并且无毒、密度高、成本低廉。(4)使用的范围广。这些优势主要是因为二氧化碳工质自身具备的特点决定的，这也就使得超临界二氧化碳动力循环在很多行业中都有着显著的应用优势，比如一些核能、太阳能和化石能源等等结合的电厂生产中。在相同的参数下，超临界二氧化碳动力循环的效率显著高于超超临界蒸汽朗肯循环效率，并且其使用的透平机械价格低、尺寸小，所以也能是用来代替蒸汽朗肯循环的高效设备。半闭式循环能够代替NGCC和IGCC，并且有着很高的发电效率，能够实现零排放，甚至也能够媲美于F级以及更为高端的燃气轮机。
二、超临界二氧化碳动力循环研发趋势
在美国研究中可知，在超临界二氧化碳动力循环技术发展中，和燃煤发电的有效结合是主要的发展趋势。在我国，燃煤发电是主要的电力来源，超临界二氧化碳动力循环的应用有着更高的市场价值，特别是和核能以及余热和地热等等方式比起来。在和煤炭发电的结合中，主要包含两种方式：一种是煤气化燃烧的半闭式循环方式，另一种是闭式循环和富氧燃烧循环流化床综合的方式。
图5闭式循环与富氧燃烧结合
采用直接燃烧循环的方式虽然有着很大的发展空间，然而其燃烧器需要的压力大，并且在透平入口处，其压力和温度都很高，该技术并不成熟。使用闭式循环和富氧燃烧循环流化床综合的方式能够将动力循环以及燃烧的过程进行隔离，让二者在不同温度状态和压力状态下工作，然而间接传热的方式也会出现大量热损失的现象。在该设计中，关键的系统技术已经十分成熟，但是闭式循环采用回热是主要的问题，导致中间换热器有着很高的入口温度，并且其入口和出口存在一定的温差，因此，在富氧燃烧系统设计中，依然需要进一步进行研究，不断提高其效率。在NETL研究中，针对富氧燃烧循环流化床以及蒸汽朗肯循环进行了综合分析，发现二者的基准电厂有着相似的效率，大约是33%(HHV)，并且在优化之后，超临界二氧化碳动力循环效率大大提高，大约是39%(HHV)。同时，SwRI也评价了这种方式，得到的电厂效率为37.9%(HHV)，其二氧化碳捕集为99%。
三、结束语
综上所述，超临界二氧化碳动力循环有着很多的用途，并且使用的效率高，能够分别选择半封闭式和闭式的两种，前者能够能够代替燃气轮机-蒸汽轮机联合循环，后者能够和其他的热源配套，代替蒸汽轮机动力循环的模式，其使用范围也很广。在我国，政府已经颁布了相关的文件鼓励超临界二氧化碳动力循环技术的应用，并且在很多单位中，也纷纷开始了研发。在我国的发电行业中，超临界二氧化碳动力循环技术是重要的发展方向，基于我国自身的技术发展状况，采用技术引进以及国际合作都是可行的方式。
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