什么是超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)？
隨著全球向碳中和目標(biāo)邁進(jìn)，能源結(jié)構(gòu)正加速轉(zhuǎn)向低碳和清潔化。在此背景下，沈氏科技秉持“融慧創(chuàng)新，生態(tài)科技”的使命，將可持續(xù)發(fā)展理念深度融入技術(shù)研發(fā)，致力于減少能源生產(chǎn)過程中的碳排放和資源消耗，推動(dòng)綠色未來。
為此，沈氏科技持續(xù)投入力量，深入研究超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)及其核心部件——換熱器。超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)是一種前景廣闊的低碳環(huán)保發(fā)電技術(shù)，它能有效提高傳統(tǒng)能源的利用率、降低排放，并兼容太陽能、地?zé)崮?、核能等清潔能源?/span>
一、什么是超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)？
sCO2布雷頓循環(huán)具有可擴(kuò)展性，能夠應(yīng)用于大多數(shù)熱源，在核能、太陽能熱能、地?zé)崮芎突剂习l(fā)電等應(yīng)用中都具有廣泛的適用性。
文章將進(jìn)一步解釋什么是超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)，然后探討這些動(dòng)力循環(huán)的幾個(gè)應(yīng)用。
二氧化碳臨界溫度為304.128K，30.9780℃，87.7604℉；臨界壓力為7.3773 MPa，72.808 atm，1070.0 psi，73.773bar。
sCO2布雷頓循環(huán)的效率通常高于傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)。其熱效率可超過45%，具體取決于循環(huán)配置，而高溫蒸汽朗肯系統(tǒng)的熱效率約為35%。
與其它動(dòng)力循環(huán)類似，sCO2動(dòng)力循環(huán)也需要熱源。熱量通過主熱交換器輸入系統(tǒng)。熱交換器的類型選擇取決于熱源。例如，如果熱源是煙道氣中的廢熱，則需要在煙道氣管道中安裝管束式熱交換器。但如果是來自聚光太陽能或核反應(yīng)堆熔鹽中的熱量，印刷電路板式換熱器（PCHE）將是更合適的選擇。在動(dòng)力循環(huán)中，還將有回?zé)崞髟诓煌瑴u輪機(jī)段的sCO2之間進(jìn)行熱交換，以提高效率。
該循環(huán)還需要將熱量散發(fā)到散熱器中。這里的主要選擇在于是采用與環(huán)境空氣進(jìn)行冷卻（干式冷卻）還是使用冷卻水。一項(xiàng)針對(duì)sCO2循環(huán)冷卻方案的研究指出，“與競(jìng)爭(zhēng)的蒸汽朗肯循環(huán)相比，sCO2系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一在于消除了動(dòng)力循環(huán)中的用水量”。當(dāng)然，這主張使用干式冷卻。
圖1：sCO2功率循環(huán)流程（布雷頓循環(huán)）
二、使用sCO2動(dòng)力循環(huán)的研究項(xiàng)目和應(yīng)用實(shí)例
美國(guó)的STEP示范工廠是一項(xiàng)重大投資，旨在驗(yàn)證基于sCO2的發(fā)電技術(shù)，提高效率，降低成本并減少排放。該項(xiàng)目涉及公私合作，展示了sCO2技術(shù)在各種應(yīng)用中的潛力。
GTl Energy牽頭這項(xiàng)1.59億美元的政府與行業(yè)合作項(xiàng)目，與西南研究院、通用電氣研究院以及美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室攜手合作。
2、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的CARBOSOLA項(xiàng)目
在CARBOSOLA項(xiàng)目框架內(nèi)，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf完成了以sCO2為工作流體的運(yùn)行技術(shù)規(guī)模設(shè)施的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。該設(shè)施可實(shí)現(xiàn)高達(dá)520℃的溫度和300bar的壓力，以及1.32千克/秒的質(zhì)量流量。
圖2： 沈氏科技印刷電路板式換熱器（PCHE）
3、將燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱轉(zhuǎn)化為電能
偏遠(yuǎn)的油氣田通常使用簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。在安裝這些設(shè)備時(shí)，能源效率并非首要考慮因素。然而，燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔庵苯优欧诺酱髿庵?，浪費(fèi)了寶貴的熱量。相反，這些熱量可以通過熱回收裝置收集起來，并作為sCO2動(dòng)力循環(huán)的一部分。
圖3：簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)
現(xiàn)有裝置可通過拆除舊的煙囪，安裝旁通煙囪和熱回收系統(tǒng)來進(jìn)行升級(jí)。熱回收系統(tǒng)包含管束，二氧化碳流經(jīng)其中并借助煙道氣進(jìn)行加熱。
圖4：燃?xì)廨啓C(jī)后sCO2動(dòng)力循環(huán)余熱回收
4、Allam-Fetvedt循環(huán)零排放發(fā)電
Allam-Fetvedt循環(huán)（AFC）是一種非常特殊的sCO2動(dòng)力循環(huán)。在該循環(huán)中，天然氣與純氧一起燃燒。燃燒室的高壓廢氣被供應(yīng)到渦輪膨脹機(jī)，離開膨脹機(jī)后，混合物被冷卻，分離出液態(tài)水。然后，近乎純凈的二氧化碳工作流體進(jìn)入壓縮和泵送階段，為再循環(huán)做準(zhǔn)備。該過程的設(shè)計(jì)使幾乎所有的二氧化碳都能實(shí)現(xiàn)幾乎零排放。
美國(guó)NET Power正在對(duì)這種動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)?！霸摴驹诘每怂_斯州拉波特的示范工廠成功驗(yàn)證了富氧燃燒超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)，這是一個(gè)由承包商McDemott International于2021年完成的50MW試點(diǎn)項(xiàng)目，在運(yùn)行超過1500小時(shí)后成功并入德克薩斯州電網(wǎng)”。
NET Power目前正在德克薩斯州的奧德薩開發(fā)其首座商業(yè)工廠，該工廠預(yù)計(jì)將于2027年投入運(yùn)營(yíng)。
圖5：NET Power的Allam Fetved循環(huán)
顯然，超臨界二氧化碳循環(huán)領(lǐng)域十分活躍。眾多研究機(jī)構(gòu)都在從事相關(guān)研究，甚至還有利用sCO2動(dòng)力循環(huán)的商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目正在開發(fā)中。
鑒于這些動(dòng)力循環(huán)效率更高且投資更低，預(yù)計(jì)該技術(shù)將在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。sCO2動(dòng)力循環(huán)的發(fā)展還能進(jìn)一步加快，因?yàn)樗軌蚺c新能源配合良好，例如：
· 聚光太陽能發(fā)電
· 地?zé)崮馨l(fā)電
· 核能
