摘要：由于化石能源的消耗以及環(huán)境的惡化，各國都開始尋找新型發(fā)電技術(shù)。SCO₂布雷頓循環(huán)身為新興的技術(shù)，具有臨界參數(shù)易達到、體積小、重量輕、循環(huán)效率高等優(yōu)點。將布雷頓循環(huán)工質(zhì)進行比較，得到SCO₂是zuì適合布雷頓循環(huán)的。之后將SCO₂布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)進行比較，得到SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電相結(jié)合的效率更高。基于光熱發(fā)電系統(tǒng)，對SCO₂布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)進行了分析比較，得到再壓縮循環(huán)既簡單又高 效，適合光熱發(fā)電系統(tǒng)。接著在光熱發(fā)電系統(tǒng)中對布雷頓循環(huán)關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，從而使循環(huán)效率達到zuì 佳。zuì 后研究了SCO₂布雷頓循環(huán)的設備，包括向心透平、離心式壓縮機和印刷電路板式換熱器，其中印刷電路板式換熱器作為一種新型換熱器，因為它的緊湊高 效性等特點常被用于SCO₂布雷頓循環(huán)。

01 前言

近年來，隨著環(huán)境的污染以及化石能源的消耗，各國都在努力尋找更加節(jié)能高 效的新能源。其中二氧化碳（CO₂）極為突出，它具有臨界參數(shù)易達到（臨界溫度30.98℃，臨界壓力7.38MPa）、安'全無 毒、比熱容大、能量密度高、儲量豐富、易獲取等優(yōu)點。而以超臨界二氧化碳（SCO₂）作為介質(zhì)的布雷頓循環(huán)，具有占地面積小、設備簡單重量輕、循環(huán)熱效率高等優(yōu)點，受到了大家廣泛研究。SCO₂布雷頓循環(huán)與太陽能熱發(fā)電相結(jié)合，可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，所以目前來說，光熱發(fā)電與SCO₂布雷頓循環(huán)相結(jié)合必將成為未來的發(fā)展趨勢。

本文將從以下5部分進行介紹。第1部分將應用于布雷頓循環(huán)的介質(zhì)進行比較，得到SCO₂是zuì 適合布雷頓循環(huán)的介質(zhì)；第2部分基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO₂布雷頓循環(huán)和水蒸氣朗肯循環(huán)、SCO₂朗肯循環(huán)，得到光熱發(fā)電與SCO₂布雷頓循環(huán)結(jié)合效率更高；第3部分基于光熱發(fā)電系統(tǒng)對SCO₂布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)進行比較，得到再壓縮循環(huán)、中冷再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)效率較高，是比較適合光熱發(fā)電系統(tǒng)的；第4部分對基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO₂布雷頓循環(huán)的關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化；第5部分對SCO₂布雷頓循環(huán)的設備進行研究，主要包括透平、壓縮機和換熱器。

02 布雷頓循環(huán)介質(zhì)

圖1 簡單循環(huán)

布雷頓循環(huán)是一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，如圖1所示，經(jīng)過定熵壓縮、定壓加熱、定熵膨脹、定壓放熱等4個過程來實現(xiàn)能量的高 效轉(zhuǎn)化。

常見的布雷頓循環(huán)有：SCO₂布雷頓循環(huán)、He布雷頓循環(huán)和空氣布雷頓循環(huán)。與后兩者相比，SCO₂布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢在于SCO₂在650℃就可以達到He在850℃的效率，并提供了選擇材料的靈活性，與空氣布雷頓循環(huán)相比大大減少了壓縮功，且循環(huán)效率可達到60%，比空氣布雷頓循環(huán)提高了10%。布雷頓循環(huán)作為一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，一般用于制冷劑的氣體可以用做布雷頓循環(huán)的工質(zhì)，為此也有選擇一些惰性氣體來進行布雷頓循環(huán)效率的比較。Uusitalo等人選用了CO₂、C₂H₆、C₂H₄、R116等氣體來進行布雷頓循環(huán)模擬，選擇它們主要是基于流體的臨界溫度略低于或接近壓縮機入口溫度，以確'保超臨界流體能貫穿整個循環(huán)，zuì 后得到以CO₂流體為工質(zhì)的中冷再壓縮循環(huán)具有zuì 優(yōu)效率。Coco-Enríquez L等人選擇了CO₂、N₂、Xe、CH₄、C₂H₆等5種氣體進行效率比較，得到N₂的循環(huán)效率zuì 高，CO₂次之，但在提高透平入口壓力時只有CO₂可使循環(huán)效率升高，其它工質(zhì)均無變化。

通過在布雷頓循環(huán)中對這些工質(zhì)進行效率比較，得到與大部分氣體工質(zhì)相比，CO₂循環(huán)效率zuì 高，且它是一種綠色安'全無 毒的氣體，是其它氣體無法比擬的，所以目前布雷頓循環(huán)的工質(zhì)還是CO₂zuì 佳，基于此興起了對SCO₂布雷頓循環(huán)的研究。

03 光熱發(fā)電中的SCO布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)比較

隨著SCO2布雷頓循環(huán)的興起，人們不免將它與之前的循環(huán)進行比較。其中zuì 突出的就是朗肯循環(huán)，如圖2所示，由鍋爐開始進行了定壓吸熱、定熵膨脹、定壓放熱和定熵壓縮等4個過程的簡單動力循環(huán)。

圖2 朗肯循環(huán)

光熱電站目前大部分都是采用的水蒸氣朗肯循環(huán)，與之相比，SCO2布雷頓循環(huán)不僅可以產(chǎn)生更高的循環(huán)熱效率，重量體積還會更小，與現(xiàn)有的水蒸氣朗肯循環(huán)相比較，不僅發(fā)電效率提高了6.2%～7.4%，電力成本還降低了7.8%～13.6%。Hanak等人得到SCO2布雷頓循環(huán)在透平入口溫度593.3℃，入口壓力24.23MPa下的凈效率損失比傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)少1%HHV，若進一步提高溫度和壓力則凈效率損失會更少，且成本低27%。曹春輝建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)模型，得到再壓縮循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)熱效率和總熱效率分別為43.69%、25.95%，而使用水蒸氣朗肯循環(huán)時的兩個效率分別為37.85%、22.89%，可以明顯看出光熱發(fā)電系統(tǒng)使用再壓縮循環(huán)的效率要高。如表1，吳毅和楊雪也都將SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)進行了比較，zuì 終得到SCO2布雷頓循環(huán)與光熱電站相結(jié)合的效率更高。

表 1  水蒸氣循環(huán)和 SCO 2 循環(huán)效率比較

前面得到SCO₂作為一種優(yōu)'秀工質(zhì)，同樣可以用于朗肯循環(huán)，為了得到更適合光熱電站的循環(huán)，同樣將SCO₂朗肯循環(huán)和SCO₂布雷頓循環(huán)的循環(huán)效率進行比較。已知SCO₂布雷頓循環(huán)，當透平入口溫度在700℃的簡單循環(huán)效率大于44%，而更先'進的再壓縮循環(huán)效率可達到51%。而以SCO₂為工質(zhì)的太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)的電能效率和熱效率為11.4%和36.2%，在zuì 優(yōu)配置下的zuì 大循環(huán)熱效率才能達到40%。張玉偉搭建了SCO₂太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，得到朗肯循環(huán)效率會隨著時間產(chǎn)生較大的波動，在中午時循環(huán)效率zuì 高，可達到21.6%，在整個時間段的平均循環(huán)效率可達到約14%。向沖同樣搭建了SCO₂太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，得到在典型工況下（透平壓力從10MPa降到6.5MPa， 加熱溫度為100℃）的循環(huán)總效率為20.58%。從上述數(shù)據(jù)中均可以明顯看出，SCO₂布雷頓循環(huán)的效率明顯高于SCO₂朗肯循環(huán)。

將SCO₂布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO₂朗肯循環(huán)均進行了比較，都證明了SCO₂布雷頓循環(huán)效率更高，所以SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合存在優(yōu)勢，既可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，又能提高發(fā)電效率，是一種較優(yōu)的循環(huán)。

04 基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)

隨著SCO₂布雷頓循環(huán)的興起，簡單循環(huán)由于換熱不均會造成回熱器的“夾點”問題，從而影響循環(huán)效率，為解決這一問題開始增加回熱器的數(shù)量，以此引出來一系列改良的循環(huán)布局。而與光熱發(fā)電相結(jié)合，也需要將各種循環(huán)結(jié)構(gòu)進行比較，從而選出zuì 合適的。

其中已知再壓縮循環(huán)不僅能產(chǎn)生zuì 高的循環(huán)效率，而且同時保持結(jié)構(gòu)簡單。為了證明再壓縮循環(huán)zuì 適合光熱電站，基于光熱發(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再熱循環(huán)、預壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)進行比較，得到再壓縮循環(huán)效率zuì 高，單獨使用該循環(huán)zuì 大熱效率可以達到52%，光熱電站系統(tǒng)效率可以達到40%。

而后隨著布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)的一步步優(yōu)化改良，出現(xiàn)了中冷再熱再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，它在再壓縮循環(huán)的基礎上增加了壓縮機和冷卻器各一臺，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大?；诠鉄岚l(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進行比較，得到中冷再壓縮循環(huán)循環(huán)熱效率zuì 高，在透平入口溫度850℃時達到55.2%，將透平入口溫度優(yōu)化到730℃，并將循環(huán)和接收器效率之間達到zuì 佳時太陽能發(fā)電效率為17.5%。Wang等人將再壓縮、中冷再壓縮、部分冷卻這3種循環(huán)集成到光熱發(fā)電系統(tǒng)中，比較它們的性能，得到循環(huán)效率從大到小依次是中冷再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、再壓縮循環(huán)，尤其是當壓縮機入口溫度較高時，中冷再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)的優(yōu)勢會更加明顯。王雅倩建立了基于塔式光熱系統(tǒng)的SCO₂布雷頓循環(huán)的模型，分別取各個循環(huán)的zuì 高 效率點進行比較，得到從大到小依次為：中冷再壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、預壓縮循環(huán)、簡單循環(huán)。李佩蔚則建立了簡單、預壓縮、再壓縮、部分冷卻、中冷再壓縮這5種不同形式的SCO₂布雷頓循環(huán)熱力學模型，得到中冷再壓縮是zuì 適合于塔式太陽能系統(tǒng)的一種循環(huán)形式。袁曉旭和張小波設置了透平入口溫度550℃、透平入口壓力20MPa、主壓縮機入口溫度35℃的情況下比較了簡單、再壓縮、中冷再壓縮3種基于光熱發(fā)電的循環(huán)效率，由表2可以看出中冷再壓縮循環(huán)的供電效率zuì 高。

表2 基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的3種循環(huán)比較

之后又出現(xiàn)了中冷再熱再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，與中冷再壓縮循環(huán)相比，增加了一臺再熱透平，循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大。基于光熱發(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進行比較，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)熱效率zuì 高，既能夠適應干冷又能達到50%以上的發(fā)電效率。Mohagheghi等人研究了基于光熱發(fā)電的SCO2布雷頓循環(huán)采用簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)等不同結(jié)構(gòu)，以循環(huán)效率zuì 大為目標函數(shù)，對各個循環(huán)的熱力學性能進行優(yōu)化，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)不僅顯著降低了排熱的損失，而且提高了復熱性能，表3為各個循環(huán)的關鍵參數(shù)取值以及循環(huán)效率，可以看出中冷再熱再壓縮循環(huán)效率zuì 高。

圖3 中冷再熱再壓縮循環(huán)

雖然中冷再熱再壓縮循環(huán)效率zuì 高，但系統(tǒng)相對更加復雜，成本更高，而再壓縮相對來說效率較高且系統(tǒng)簡單，所以應用前景廣泛。所以綜合分析再壓縮循環(huán)既簡單又高 效，是zuì 適合光熱發(fā)電系統(tǒng)的，后續(xù)對于關鍵參數(shù)研究也都是基于此循環(huán)。

05 基于光熱發(fā)電的SCO布雷頓循環(huán)關鍵參數(shù)優(yōu)化

針對各種循環(huán)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，關鍵參數(shù)是其中重要的一項研究，從上節(jié)可以得到再壓縮循環(huán)既可以達到很高的效率又能保持系統(tǒng)相對簡單，所以關鍵參數(shù)進行優(yōu)化大部分都是采用的再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)。

SCO₂布雷頓循環(huán)的關鍵參數(shù)有：透平入口溫度和壓力、壓縮機入口溫度和壓力、分流比等。通過對關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，可以使循環(huán)效率達到zuì 大。Iverson等人得到透平入口溫度高于600℃時SCO₂布雷頓循環(huán)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢。周昊等人則得到透平入口溫度達到750℃左右全廠效率zuì 大。陳建生等人建立了基于塔式光熱電站與SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)集成的數(shù)學模型，得到當透平入口溫度為901K時基于塔式光熱電站的SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)熱效率可以達到28.4%。Abid等人分析得到當透平入口溫度從823K升高到1023K時，循環(huán)效率從44.55%升高到了49%。Grag等人得到循環(huán)效率隨著透平入口溫度的增大而增大，隨著透平入口壓力的增大先增大后減小，當溫度873K、壓力8.5MPa時循環(huán)效率zuì 大，約32%。何欣欣等人分析了循環(huán)關鍵參數(shù)對全廠熱效率的影響，得到全廠熱效率與透平入口溫度和循環(huán)壓比均呈先增大后減小的趨勢，采用遺傳算法以全廠熱效率為優(yōu)化目標，得到在透平入口溫度787.8℃、透平入口壓力35MPa、循環(huán)壓比4.573時全廠熱效率為35.244%。韓中合等人建立了SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)的塔式太陽能光熱系統(tǒng)模型，采用遺傳算法對系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，得到在透平入口溫度784℃～841℃、主壓縮機入口壓力7.68MPa～10MPa、zuì 佳分流系數(shù)0.25～0.32的取值范圍內(nèi)系統(tǒng)總損率可以達到70.72%～76.87%。王智等人建立了基于塔式光熱系統(tǒng)的SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)，得到循環(huán)效率與透平入口溫度和分流比呈先增大后減小的趨勢，在750℃、0.7左右達到zuì 大；而不同循環(huán)壓比對應不同的zuì 佳透平入口溫度和分流比，用遺傳算法進行優(yōu)化，結(jié)果見表4。

表3  幾種循環(huán)的效率比較

表 4  參數(shù)優(yōu)化后的循環(huán)效率

沈涵孜等人建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，通過軟件模擬來分析系統(tǒng)參數(shù)對循環(huán)效率的影響，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，循環(huán)凈效率隨透平入口溫度升高而升高，隨透平入口壓力升高而先增大后減小；zuì 后基于塔式光熱系統(tǒng)對關鍵參數(shù)的優(yōu)化，得到當透平入口溫度和壓力為550℃、24MPa， 主壓縮機入口溫度35℃，分流比0.65時可以使循環(huán)效率達到43.8%。

圖4 透平入口溫度與循環(huán)效率關系

圖5 透平入口壓力與循環(huán)效率關系

沈涵孜等人建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，通過軟件模擬來分析系統(tǒng)參數(shù)對循環(huán)效率的影響，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，循環(huán)凈效率隨透平入口溫度升高而升高，隨透平入口壓力升高而先增大后減小；zuì 后基于塔式光熱系統(tǒng)對關鍵參數(shù)的優(yōu)化，得到當透平入口溫度和壓力為550℃、24MPa， 主壓縮機入口溫度35℃，分流比0.65時可以使循環(huán)效率達到43.8%。

通過對關鍵參數(shù)的優(yōu)化會發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)不是單一影響循環(huán)效率的，它們之間存在著耦合關系，所以為了使循環(huán)效率達到zuì 佳，zuì 好還是采用算法對參數(shù)進行優(yōu)化，使各個參數(shù)都達到zuì 佳，從而得到zuì 優(yōu)的循環(huán)效率。

06 SCO布雷頓循環(huán)設備

在得到SCO₂布雷頓循環(huán)的循環(huán)結(jié)構(gòu)和關鍵參數(shù)后，對于循環(huán)所需的設備也是一個重要的研究方向。設備主要就分兩種：旋轉(zhuǎn)機械和換熱器。

5.1旋轉(zhuǎn)機械

旋轉(zhuǎn)機械是SCO₂循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換的關鍵部件。主要有兩種：透平和壓縮機。

SCO₂透平有徑流（向心）透平和軸流透平兩種，國內(nèi)外對于透平的研究主要就分為這兩種。徑流式適宜較小規(guī)模應用，zuì 大適用于50MW級別，而軸流式更適于較大規(guī)模的應用。Moore等人為SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)設計了一種新型高溫透平，這種透平既可以應用在傳統(tǒng)熱源也能應用在太陽能發(fā)電系統(tǒng)，讓SCO₂循環(huán)達到接近50%的熱效率，目前此透平已經(jīng)可以在溫度550℃、壓力18MPa時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到21 000r/min的要求，并將繼續(xù)提高要求進行試驗。Lee等人提出了一種SCO₂布雷頓循環(huán)透平的改進設計方法，此方法可以同時得到某一工況下軸向和徑向兩種透平的設計方案，從而方便在相同設計條件下選擇zuì 有效的透平類型。Schmitt等人對100MW的SCO₂透平的參數(shù)進行了設計，設定為6級的透平且入口溫度為1035K，并設計了詳細的流場計算氣動損失系數(shù)，經(jīng)過驗證均滿足要求。劉長春等人綜合了國內(nèi)外的各種數(shù)據(jù)，將Ni基合金、奧氏體鋼和鐵素體鋼進行對比得到了SCO₂透平選材建議，若考慮制造成本應選擇奧氏體鋼或鐵素體鋼，若考慮抗腐蝕應選擇Ni基合金。張少鋒等人將干氣密封裝置安裝在主軸靠近透平的位置，既實現(xiàn)了對透平的密封，又可以達到對密封的降溫作用，保 證了SCO₂布雷頓系統(tǒng)的運行。王鵬亮等人將壓縮機和透平采用同軸同缸的布置，將透平高溫高壓密封的難題變成了低溫密封，實現(xiàn)了這一系統(tǒng)應用。目前關于向心透平的研究較多，Cho等人設計了一種10KW級的SCO₂循環(huán)，采用徑向透平和離心壓縮機，并設計了帶有迷宮密封的徑向透平和離心壓縮機的葉輪的冠狀結(jié)構(gòu)，以克服SNL報道的推力平衡問題。Odabaee等人采用ANSYS對SCO₂向心透平進行了CFD分析，該透平在光熱條件下可達到入口溫度560℃、壓比2.2、功率100KW，比較了SCO₂氣體屬性方程和從NIST中生成的RGP表兩種方法的計算結(jié)果和耗時，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致。周奧錚等人^]則提出了一種采用一維向心透平預測的SCO₂再壓縮循環(huán)模型，將它與固定透平進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種模型更加適合變工況情況。王春陽對一個70MW級SCO₂布雷頓循環(huán)的向心透平進行了改進，得到透平的參數(shù)為：zuì 佳進口葉片角30°，zuì 佳葉片出口角82°，葉輪葉片數(shù)在10、11、12均可，zuì 佳葉根倒角半徑在3mm。王巧珍對7.5MW的SCO₂向心透平進行了氣動設計，通過數(shù)值模擬得到zuì 優(yōu)方案功率為7.47MW，效率85.38%。呂國川等人采用CFD對MW級的SCO₂向心透平進行數(shù)值模擬，得到透平設計點效率達到88.45%，滿足要求。趙攀等人設計了1MW的SCO₂向心透平，使用RANS得到在設計工況下透平氣動效率達到83.53%，與設計值偏差為1.54%，驗證了設計方法的可靠性。

除透平外，另一種旋轉(zhuǎn)機械就是壓縮機了，壓縮機的種類有很多，但目前應用在SCO₂布雷頓循環(huán)中zuì 多的還是離心式壓縮機，如圖6所示。

圖6 離心壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖

Utamura等人設計的離心壓縮機和徑向透平由發(fā)電機驅(qū)動、高速逆變器控制，在轉(zhuǎn)速1.15kHz， 質(zhì)量流量1.1kg/s， 壓縮機7.5MPa、304.6K，透平10.6MPa、533K工況下，可以實現(xiàn)110W的發(fā)電運行。Rinaldi等人利用RANS模擬計算了SCO₂離心壓縮機的性能圖，考慮了45、50、55等3種不同轉(zhuǎn)速，并將數(shù)值結(jié)果與SNL的實驗數(shù)據(jù)進行比較，證明了該方法的潛力。Behafarid等人利用可壓縮和不可壓縮的SCO₂模型，以及可壓縮理想氣體模型對離心壓縮機進行一維分析，之后采用了新的建模方法用于SCO₂壓縮機的三維數(shù)值模擬，得到不可壓縮模型可對SCO₂壓縮機進行完整詳細的多維模型仿真，且該模型具有數(shù)值穩(wěn)定性、計算效率和物理精度等優(yōu)點。Shao等人引入了“凝結(jié)裕量”對SCO₂離心壓縮機進行了詳細的設計探討，以低流量系數(shù)SCO₂離心壓縮機的初步設計結(jié)果為例進行了CFD模擬，得到的結(jié)果與勘探結(jié)果一致。Du等人采用遺傳算法對SCO₂離心壓縮機進行優(yōu)化設計，得到壓縮機zuì 佳揚程系數(shù)為0.53，zuì 大循環(huán)效率為24.4%。劉朝陽等人研究了葉頂間隙對SCO₂離心壓縮機氣動性能的影響，得到葉頂間隙的增大會降低SCO₂離心壓縮機的效率和壓比。朱玉銘等人設計開發(fā)了SCO₂兩級離心壓縮機，得到實驗zuì 大總壓比超過2.69，zuì 大質(zhì)量流量接近16kg/s， 并將此壓縮機與多個型號單級離心式壓縮機進行對比，提出降低轉(zhuǎn)速是提高SCO₂離心壓縮機性能的方法之一。曹潤等人研究了增加盤腔和密封結(jié)構(gòu)的150kW SCO₂離心壓縮機，得到在設計工況下氣動效率為72.1%，壓比為2.19，zuì 大軸向推力為1635kN，離心葉輪的表面等效應力zuì 大值為109.95MPa， 滿足設計材料304鋼的強度需求。尚鵬旭等人對10MW級SCO₂離心壓縮機不同進口條件進行分析，得到進口溫度越低或進口壓力越高時，壓縮機的性能越高。

5.2換熱器

在SCO₂循環(huán)中換熱設備主要分為回熱器、冷卻器以及加熱器 3 類。目前的換熱器有板式、管殼式和印刷電路板式，其中印刷電路板式換熱器（PCHE）相比管殼式和板式換熱器具有非常突出的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在：（1）換熱效率高；（2）耐高溫和耐高壓能力強；（3）在同等功率的條件下，PCHE的體積和重量是管殼式換熱器的1/5。由于流體之間的巨大壓力差以及它們的緊湊性，PCHE被認為是SCO₂布雷頓循環(huán)換熱器的zuì 佳選擇之一，大部分循環(huán)都是采用的此種換熱器，圖7所示為PCHE的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 印刷電路板式換熱器示意圖

圖8 PCHE通道類型

可以看到許多文獻都是采用的此種換熱器，如Nikitin等人通過實驗和數(shù)值方法研究了SCO2布雷頓循環(huán)中PCHE的傳熱和壓降特性，得到局部換熱系數(shù)和壓降系數(shù)的經(jīng)驗關系式。Saeed 等人研究了PCHE的不同設計對SCO2循環(huán)性能的影響，采用了直型、Z型、C型、S型和翼型5種不同翅片構(gòu)型，如圖8所示，得到C型通道和Z型通道分別對應循環(huán)效率的zuì 大值和換熱器的zuì 小尺寸。Ngo等人提出了一種新型S型PCHE，并將它與Z型對比，得到它可在保持傳熱性能的同時降低6～7倍的壓降。Kruizenga等人分析了PCHE內(nèi)SCO2的傳熱，采用了316型不銹鋼、九通道、半圓形試驗段的結(jié)構(gòu)。Mohammed等人提出冷卻器是阻礙實現(xiàn)SCO2循環(huán)高熱效率的主要原因之一，所以必須從冷卻器中回收熱量，以提高SCO2系統(tǒng)的整體能源利用效率，研究得到具有鋸齒形和波浪形通道的PCHE適合于SCO2循環(huán)，在通道中插入S型或翼型翅片可提高換熱能力。李磊等人通過數(shù)值模擬方法對Z型的PCHE傳熱通道的傳熱和阻力特性進行了研究，得到層流模型對于Z型的PCHE的傳熱和阻力效果更好，當只改變兩側(cè)流體的質(zhì)量流量時傳熱效率會變小，而當只改變熱側(cè)通道的入口溫度時傳熱效率會變大。李凈松等人基于PCHE分析了換熱器尺寸對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)性能的影響，得到循環(huán)熱效率與換熱長度和面積成正比，但當換熱器長度大于1.5m， 高溫回熱器截面積大于12m2、低溫回熱器截面積大于9m2時循環(huán)效率提升不再明顯。高毅超等人建立了Z型PCHE模型，分析了管徑和轉(zhuǎn)折角對其換熱的影響，得到在2mm～3mm、20°～45°時換熱性能zuì 好。徐婷婷等人采用分段設計的方法對PCHE進行建模，將結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，見表5，可以看出誤差不大，證明了分段設計方法的可靠性。范世望等人采用流體-固體強耦合傳熱模型對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)中的PCHE在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下運行的換熱能力進行研究，得到在穩(wěn)態(tài)工況下模擬符合工況，在非穩(wěn)態(tài)工況下由于冷熱通道換熱不均勻可能會導致部分流體偏離超臨界狀態(tài)，尤其是邊緣和出口附近，所以設計時需要考慮好PCHE內(nèi)部傳熱不均的問題。史陽等人采用PCHE作為SCO2布雷頓循環(huán)的回熱器和冷卻器，對此進行了測試以及費用分析，以1MW換熱器為例，發(fā)現(xiàn)投資費用遠高于運行費用，且隨著SCO2質(zhì)量流量的增加，回熱器總體費用也隨之增加，而冷卻器的總體費用則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。劉凱等人采用數(shù)值模擬方法探究SCO2在PCHE中的換熱特性，發(fā)現(xiàn)當保持壓力和流量一定時改變冷側(cè)入口溫度對PCHE熱功率的影響比熱側(cè)大，而若要改變熱通道的壓力或流量對PCHE熱功率的影響比改變冷通道的大。吳家榮等人利用有限元方法對PCHE的應力進行分析，得到由于壓力和溫度的共同作用使芯體受到應力，可通過增大半圓截面尖角通道的圓弧半徑來減小應力。丁源等人設計了1MW SCO2光熱發(fā)電系統(tǒng)的換熱器，主要比較了直型和翼型兩種翅片，得到在換熱量、水力直徑、通道數(shù)量均相同時，翼型比直型換熱器的性能都要好。

07 總結(jié)

SCO₂布雷頓循環(huán)作為一種新興的發(fā)電循環(huán)受到了廣泛研究，主要包括以下幾部分：

（1）將用于布雷頓循環(huán)的工質(zhì)進行比較，得到SCO₂與布雷頓循環(huán)zuì 合適，不僅效率高且安'全綠色無'毒。

（2）基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO₂布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO₂朗肯循環(huán)的效率，得到SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電結(jié)合更具有優(yōu)勢。

（3）基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO₂布雷頓循環(huán)的結(jié)構(gòu)，得到再壓縮循環(huán)既簡單又高 效，更適合光熱發(fā)電系統(tǒng)。

（4）對基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO₂布雷頓循環(huán)的關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)參數(shù)之間存在耦合關系，需要均達到zuì 優(yōu)才可使循環(huán)效率達到zuì 佳。

（5）對SCO₂布雷頓循環(huán)的設備進行了研究，有透平、壓縮機和換熱器，其中PCHE作為一種新型的換熱器值得多關注。但目前看來結(jié)合光熱發(fā)電系統(tǒng)對SCO₂布雷頓循環(huán)設備分析的較少，后續(xù)可多研究。

作者|李光霽 付亞男

原題|SCO2布雷頓循環(huán)及其在光熱發(fā)電中的應用綜述

來源|汽輪機技術(shù)