超临界CO2布雷顿循环系统能否开创中国光热发电产业新未来?

所谓超临界二氧化碳布雷顿循环，就是用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环。但和一般的燃气轮机不同的是，这种燃气轮机的燃烧室不燃烧燃料，而是用于外部热源对二氧化碳进行加热。超临界状态的二氧化碳在经过压气机压缩后，进入燃烧室由外部热源加热，加热后的高温超临界二氧化碳驱动涡轮，由涡轮驱动压气机和对外输出功率，作功之后的二氧化碳再回到压气机再被压缩，如此循环往复。

不难看出，这在本质上，就是一个和斯特林发动机一样的外燃式闭循环热机。如果用太阳能光热系统作为这个系统的外部热源，就是一个不需要“烧开水”，也不需要消耗燃料的纯太阳能光热发电系统。

二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。

二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。

超临界二氧化碳布雷顿循环的相关研究，国际上早在20世纪六七十年代就开始了。由于其功率密度高，对轮盘和叶片的性能要求很高，当时的加工工艺难以满足。直到90年代以后，随着高精度数控机床的应用，相关制造工艺得以突破，相关的研制工作才开始进行。

本世纪以来，在能源、环保问题加剧的情况下，超临界二氧化碳布雷顿循环技术更是引起各国的关注。美国在这方面尤其积极，美国能源部(DOE)于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，由美国桑迪亚(Sandia)国家实验室-核能系统实验室(NESL)承担相关的实验研究。

经过测试证明，S-CO2作为工质的光热发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上。对于需要建设大规模镜场，因而投资巨大，需要高效率发电方式的光热发电来说，这显然是一个理想的选择。目前，美国、日本、印度都已经建成了相关的实验系统。

对于中国的超临界二氧化碳布雷顿循环研究来说，刚刚过去的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台MW级超临界二氧化碳压缩机，在中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司燃气轮机分公司完成加工装配，成功交付工程热物理研究所衡水基地。压缩机是超临界二氧化碳布雷顿循环系统的核心部件之一，它的研制成功，是我国在超临界二氧化碳布雷顿循环系统研究领域的一次重大突破。

图：国内首台兆瓦级超临界二氧化碳压缩机(由中科院工程热物理研究所研制)

2018年9月21日，我国首座大型超临界二氧化碳压缩机实验平台在衡水基地正式建成。实验平台是用于测试超临界二氧化碳压缩机工作性能和开展超临界二氧化碳流体压缩特性相关基础实验的通用平台，还可以用于开展高速转子测试、轴承测试和密封测试等实验。

该平台可调制7-9MPa、0-35℃的亚临界或超临界二氧化碳，压缩机出口压力可以达到20MPa以上;转子转速最高可达40000r/min以上，流量最大达到30kg/s;可进行百kW到MW级超临界二氧化碳压缩机的精密连续测试，是目前我国唯一的兆瓦级超临界二氧化碳压缩机实验平台，也是世界上规模最大等级最高的同类实验平台。该兆瓦级超临界二氧化碳压缩机通用实验平台的建成投运，终结了我国相关研究缺乏实验条件的历史。

2018年11月，我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳(S-CO2)换热器综合试验测试平台”在中国科学院工程热物理研究所廊坊中试基地建成。衡水兆瓦级超临界二氧化碳压缩机通用实验平台和廊坊双回路全温全压超临界二氧化碳换热器综合试验测试平台的建成，为工程热物理研究所深入开展超临界二氧化碳循环发电系统的研究打下坚实的基础，也为国内从事此项研究的其它科研单位提供了实验平台支撑。对于中国超临界二氧化碳布雷顿循环技术的发展来说，这是具有里程碑意义的大事。

由于超临界二氧化碳密度高，循环简单，所以机组重量轻，尺寸小(仅为汽轮机的1/10);超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供500到800℃的温度，这是应用现有太阳能聚光器和吸热器技术就能很容易达到的的温度。

可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环系统将指日可待。这将彻底解决我国太阳能光热资源丰富的西部地区水资源缺乏，不适合建设以汽轮机为动力装置的大型光热电站的问题，为中国太阳能光热发电产业开创更光明的未来。