摘要：超级临界二氧化碳（SCO2）布雷顿循环以其高效、简单、紧凑和广泛的热源适应性为主要优势，在国内燃煤电厂发电技术中具有实际价值，因此需要加速推进燃煤SCO2循环发电技术的研究进程。SCO2是一种新的动力循环工作介质，拥有相对较低的临界条件且在此条件下物理性质发生显著的变化，在燃煤发电系统中，回热器对循环性能的影响十分关键。鉴于此，主要对SCO2布雷顿循环的循环原理及SCO2工质的性质进行了分析，总结了SCO2动力循环燃煤电站回热器的研究进展，分析压缩机、透平对回热器换热效率的影响，重点阐述回热器的夹点问题、运行参数和传热特性，并对回热器今后发展提出建议。对超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电中回热器整体性能进行研究，能提升回热器换热效果，降低压力损失，是系统安全、稳定、高效运行的关键。

　　关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；燃煤发电；回热器

　　0引言

　　近几年，我国能源结构依旧是以煤炭为主，燃煤电厂的装机容量占比已经超过了50%。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，进一步提高火电机组的效率和灵活性是我国面临的严峻挑战[1]。加剧的温室效应导致极端天气频发，二氧化碳减排是世界各国能源发展的必经之路。

　　SCO2是指进入到超临界状态（7.38 MPa、31.08℃)的二氧化碳[16]，SCO2具有稳定的化学性质，较好的流动性和导热性，密度大，可以减少与金属材料的化学反应。

　　目前，SCO2独特的性质受到广泛学者的关注。研究表明，采用SCO2为工质进行热力循环，当透平的入口温度达到550℃时，SCO2布雷顿循环的效率将超过水蒸气朗肯循环，达到45%[2]。当透平入口温度达到700℃时，效率可以达到50%[3]，解决了原有的效率瓶颈问题。且CO2工质对锅炉材料的腐蚀远低于高参数蒸汽朗肯循环，不需要使用昂贵的新型镍基合金。相比于常规气体布雷顿循环，在尺寸方面，SCO2布雷顿循环发电系统内压缩机大小规模和透平尺寸大小是要小于蒸汽发电系统的，初始建设电厂的资金较蒸汽发电系统来说也相对较少[4]。另外，当燃煤电厂使用超临界二氧化碳机组后，更有利于环保，因为其单位发电量碳排放能够减少15%以上，具有较强的减排能力[5]。

　　换热器是超临界CO2布雷顿循环中的核心设备，换热器也是占数量、体积比例最多的设备，换热器对整个系统效率的提高以及系统安全稳定运行起主要作用。SCO2布雷顿循环中，换热器主要包括高温回热器、低温回热器、冷却器和中间换热器等，其成本占总成本的一半以上。据研究显示，60%~70%的总传热量发生在回热器中[6]，因此研究回热器的换热性能至关重要。周敬等[7]对1 000 MW的一次再热超临界二氧化碳布雷顿循环进行了实验研究，探究系统结构和运行参数对不可逆损失和循环㶲效率的影响，结果显示，影响冷却器与回热器最大的因素是结构和运行参数。段承杰[8]建立了计算模型，验证了回热器低压侧出口温度与高压侧入口温度之差、回热度等对循环效率有何影响。Dyreby等[9]通过Fortran软件进行建模，研究分流系数、主压缩机入口温度、回热器换热性能等不同设计参数与系统换热效率之间的联系。张尧立等[10]使用Python软件进行建模，分析回热器的换热能力、排热温度及热源温度与系统热效率之间的关系。

　　许多国内外的研究人员已经深入探讨了SCO2布雷顿循环燃煤发电技术，他们对比并分析了各种类型的循环模式，并对循环系统的核心参数进行了详细探究。同时，也对其中的压缩机和透平等设备的技术进步做出了全面总结。然而，对于SCO2布雷顿循环回热器的研究却较少。本文介绍了国内外燃煤发电系统中超临界二氧化碳布雷顿循环回热器各方面的研究进展，分析了SCO2布雷顿循环的循环原理及SCO2工质的性质，分析压缩机、透平对回热器换热效率的影响，重点阐述回热器的夹点问题、运行参数和传热特性，最后进行系统总结，并对回热器今后发展提出建议，为日后超临界二氧化碳布雷顿循环回热器研究提供参考。

　　1布雷顿循环发展

　　1948年，开始对SCO2布雷顿循环进行研究，Sulz‐er[11]获得了超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环的专利。1967年，美国的E G Feher[12]提出了SCO2循环设计方案。同年，G Angelino[13]也对SCO2循环进行了细致研究，提出了多种循环方式解决回热器内不可逆损失的问题。然而，透平机械和热交换器制造技术的不成熟导致相关研究停滞不前。直到21世纪初，国内外再次开始对SCO2布雷顿循环进行研究。2004年，Dostal[14]总结了Angeli‐no和Feher的研究成果，提出了新的循环系统结构，引领了SCO2布雷顿循环研究热潮。SCO2布雷顿循环燃煤发电技术作为一种高效且环保的能源生产方式，由法国电力公司（EDF）[15]于2013年提出，并在同一年内研发出一款装有碳捕捉设备的SCO2燃煤锅炉，此后，SCO2发电技术受到全球的重视。进入21世纪以后，针对超临界二氧化碳布雷顿循环，国内外研究院已经对其应用于电力行业进行了理论分析与实验数据分析，并应用于工业生产。国内对于此方面了解较晚，但已经逐渐引起大家广泛关注。

　　如图1所示是简单布雷顿循环示意图，从图中可以看出，装置主要是由加热器、透平、压缩机、电机和换热器构成。这种循环的特点是结构小巧且稳定，易于操作。不过此图中换热器是冷却器，并未安装回热器，里面的工质从透平到压缩机之间会存在大量热损失，所以此系统中的循环效率较低，一般不采取这种方式且很少有相关研究[17]。

　　由于简单布雷顿循环效率不高，改进的方法是增加回热器，回收透平出口到压缩机入口的热量。图2为简单回热布雷顿循环示意图，系统包含热源、压缩机、透平、发电机、回热器和预冷器。

　　由简单回热循环转变而来的是一种高效的热动力循环结构为超临界二氧化碳再压缩循环。如图3所示，该循环可以被理解为把原本的回热循环中的一个回热设备分成高温回热器和低温回热器，同时加入了一个与主压气机同步运行的二次压缩压气机，这样会改善简单回热循环效率低的不足，避免“夹点”问题。图4展示了循环过程中的温熵变化。

　　布雷顿循环可按部件组成和布置方式进行分类。在这些循环中，中间冷却循环的效率最高，部分冷却循环次之，最后是再压缩循环[18]。图5为各循环布置方式之间关系及改进过程。

　　通过分析典型的SCO2布雷顿循环系统的历史和布局，可以看出对回热器的高效利用有着巨大的发展潜力。从回热器性能的角度探讨SCO2布雷顿循环的研究进展，是确保系统安全、稳定、高效、灵活运行的关键。

　　2回热器性能影响因素

　　2.1压缩机对回热器性能的影响

　　赵文升等[19]发现压缩分流系数对主分流流量产生明显影响，使主分流部分回热器中的热量随压缩分流系数的变化而变化。王广义等[20]通过分析SCO2布雷顿循环回热器的夹点位置、夹点温差等对循环系统的影响，发现若分流比升高，则回热器的夹点位置就越靠近低温回热器的进口端，热效率呈先上升后下降的趋势。赵健纬[21]在先前研究的基础上，得出了当主压缩机出口压力减小时，由于回热器压力损失的影响，循环效率变化较为明显，但对比功的影响只有少许增加。主压缩机入口温度越高，比功与循环效率受回热器压力损失的影响则会越小。

　　陈渝楠等[22]通过Aspen plus工艺流程模拟软件对超临界二氧化碳不同系统分别进行了工艺流程建模，如图6所示，在不同循环系统中，随着压缩分流系数数值的逐渐增加，低温回热器整体的换热效率先升高后下降，效率达到最大后，出现“夹点”问题导致系统效率大幅下降。而另一方面，高温回热器的换热效率呈现稳定的下降趋势。

　　图7为压缩机出口压力对回热器换热效率的影响，可以清晰地看出，低温回热器的换热效率都是随着压缩机出口压力的升高先升高后下降，与循环系统布局方式无关。但当压缩机出口压力高于33 MPa时，多级压缩系统与原始系统和二次再热系统低温回热器换热效率变化不同，原始和二次再热系统变化趋近一致。随着压缩机出口压力的升高，高温回热器的换热效率都逐渐下降，与循环系统布局方式无关。

　　2.2透平对回热器性能的影响

　　对于透平入口温度增加的情况，赵健纬[21]的研究表明，回热器的压力损失对效率的影响并不明显，且对比功造成的影响更弱。当透平的入口温度上升时，由于回热器的有效度的影响，效率和比功会略微降低。在SCO2布雷顿循环中，纪宇轩[23]指出，由于透平膨胀比小，残留大量余热，若直接进行冷却，会导致布雷顿循环的冷端能量损失较为严重，循环效率变差。因此，通过回热器，透平出口的高温余热可以被压缩机出口的高压工质回收，显著提高循环效率。

　　陈渝楠等[22]使用Aspen plus工艺流程模拟软件，对不同SCO2系统进行了模拟，从图8观察到，再热透平入口处的压力逐渐增加时，下三种循环系统回热器的换热效率均无显著改变，由此可见，尽管再热透平入口压力不断变化，但它对回热器换热效率并不起决定性的影响。

　　图9展示了高压透平入口温度在一定的条件下对回热器换热效率的影响，从图中可以清晰地看到，虽然高压透平入口温度在不断地增加，但是回热器的换热效率几乎没有太大变化，这种现象说明高温回热器和低温回热器的换热效率不受高压透平入口温度的影响。若回热器效率有一定的增高，回热器㶲损则会降低，并且高温回热器和低温回热器的㶲损之和会由于高压透平入口温度的增加而慢慢减小。

　　2.3涡轮及预冷器对回热器性能的影响

　　谢蓉等[24]采用Aspen Plus的REFPROP物性方法，对固定功率与固定温差条件下回热器的功率变化情况进行对比。仿真结果显示，在回热器换热温差不变的条件下，涡轮出口压力的不断升高会导致回热器的功率逐渐升高，回热器功率在达到最佳循环效率时，回热器功率与固定功率条件下的功率相差非常小。

　　另一仿真结果显示，在回热器换热温差不变的条件下，预冷器出口温度的不断升高会导致回热器功率的逐渐升高，该变化趋势与回热器功率的变化趋势一致。循环效率在二氧化碳临界温度点附近时数值变化不明显，在远离临界点温度时会逐渐降低，应该适当降低预冷器的出口温度来取得更高的系统循环效率。若CO2在临界温度点附近变化，回热器的功率则会不断上升，同时使预冷器在一定程度上增加冷却剂的用量，增加成本。

　　3回热器特性分析

　　因为SCO2的热物理物性质会随着温度和压力的变化而显著变化，且循环系统的流量远远超过蒸汽朗肯循环[25]，这导致了循环系统中的大量热量被回收。超临界二氧化碳布雷顿循环系统的构建成本和运行成本完全取决于结构的回热器换热效率和结构紧凑性[26]。事实上，许多SCO2发电循环的研究成果都源于回热器的技术创新[27]。因此，回热器是循环效率的重要部件，对回热器特性分析至关重要。

　　3.1夹点问题

　　在SCO2布雷顿循环的研究过程中，回热器对于提高系统循环效率有着显著效果，但也存在夹点问题，主要在于回热器端差及换热损失增加，使整个系统的循环效率降低。

　　Dostal[28]指出回热器夹点问题影响SCO2布雷顿循环的热效率，提出了基本的分流再压缩循环，解决了回热器的夹点问题。赵文升等[19]从理论和数值模型角度研究了回热器中夹点问题的规律，证明了循环效率受回热器夹点问题影响，并分析了初、终参数对夹点问题的影响规律，得出了拟合公式，对指导循环设计具有重要的参考价值。史香锟等[29]提出回热器夹点温度可以用来评估回热器性能，是一个重要的设计参数，降低夹点温度可以提高回热器效率，并降低回热器不可逆性，从而提高布雷顿循环效率。

　　3.2㶲分析

　　在工作中，当主压缩机出口压力升高时，主要是因为高温回热器的原因使系统㶲损失率下降。Mohammadi Z等[30]提出了一种全新的㶲分析方法来探究再压缩SCO2循环，以得到更高的系统效率，首先需要改善高温回热器的性能，其次是主压缩机和透平。Sarkar[31]对SCO2分流再压缩布雷顿循环进行㶲分析，观察各阶段参数对㶲效率产生的影响，对比发现回热器的㶲损失要高于透平和压缩机。陶志强等[32]通过开发的程序对SCO2布雷顿循环进行数值模拟，由于分流比的增加，低温回热器㶲损失率呈持续上升趋势，高温回热器㶲损失率呈持续下降趋势。王智等[33]通过构建再压缩布雷顿循环，对系统进行㶲分析，整体可以看出高温回热器的㶲损失比低温回热器的㶲损失小得多。

　　张军辉[34]得出当分流比确定时，随着冷端端差的增大，回热器回热度会不断下降，㶲损失不断提高，随着高温回热器㶲损失率和低温回热器回热度的变化，分流比变化非常明显。在不改变高温回热器回热度且低温回热器冷端端差已知的情况下，低温回热器冷端端差越大，系统循环做功能力越小。根据热力学第二定律，Zhou等[35]探讨1 000 MW—次再热SCO2燃煤发电系统，实验证明，当随着省煤器分流比增加时，高温回热器的㶲损减小，循环最低压力主要影响高温回热器的㶲损。

　　3.3运行参数

　　在输入热量一致的情况下，回热器冷端端差、回热度以及压损对系统㶲效率及回热器㶲损失的影响不容忽视。高温回热器的特性运行参数相较于低温回热器来说，对循环系统做功能力的影响更明显。中国科学院工程热物理研究所构建了国内首架SCO2回热器实验系统，对兆瓦级SCO2燃煤发电循环系统回热器样机进行了详细测验。测验结果显示，在兆瓦级系统给定的设计工况条件下回热器效率可达到99%。

　　赵文升等[19]提出初压升高，会引起循环回热量的变化，回热器所回收的热量少，会导致循环热效率和㶲效率下降。初温的提高，对高温回热器㶲损系数会显著减少，对低温回热器影响并不明显。Dyreby[36]发展了再压缩循环设计点和非设计点性能分析方法，基于此研究了回热器导热率分配和流量分配等参数对循环性能的影响。王为术[37]等提出在CO2临界压力附近时，热物理性质会发生剧烈变化，回热器的换热效率也会随着压力的升高而短暂升高，进而带动系统循环效率提高。

　　张军辉等[38]得出在回热器端差已知，回热度不变的条件下，系统做功能力会随着回热器端差的增大略微下降。并且，高温回热器的回热度增加会使回热器㶲损失下降，进而提高整个系统的效率及做功能力。赵健纬[21]对回热器的整体性能进行了实验测试，确定了当高温侧的压力上升或低温侧的压力下降时，总传热系数和传热有效度会增高。当高温侧的入口温度升高，回热器的性能会得到改善。循环热效率、㶲效率和比功均会随着回热器有效度增加或压力损失减小而增大。白文刚等[39]利用循环分支吸收余热的方法研制了参数为32 MPa、620℃的燃煤发电系统，这种方案可以较为合理地匹配SCO2在回热器内的换热作用，从而提高系统换热效率。

　　总之，目前关于SCO2布雷顿循环回热器性能的分析显示，回热器作为解决夹点问题的关键对整体性能的影响至关重要，特别是低温回热器的㶲损失比高温回热器要高，低温回热器对循环的影响更加显著。因此，回热器的传热和流动特性对循环性能起着关键作用。

　　4结束语

　　本文根据SCO2布雷顿循环燃煤动力系统回热器相关文献，研究总结了SCO2布雷顿循环回热器的性能变化规律和影响因素，进行了热力学特性对比及分析，并按照不同影响因素对回热器进行了分析。本研究对未来优化SCO2布雷顿燃煤火力发电系统回热器的结构和性能具有重要的参考意义，为兆瓦级超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电系统回热器的研发提供有力支持，未来的研究应该充分借鉴现有的回热器性能变化规律，制定明确的研究方案。研究机构和企业应抓住SCO2布雷顿循环燃煤发电技术这一重大机遇，缩小与国外的技术差距，重点研究回热器性能，提高换热效率使整个发电厂高效运行。在今后的技术开发中还需从以下方面深入研究：优化回热器的运行参数，结合不同应用场景实际条件，探索更加高效的回热器换热效率以提高系统整体效率，优化污染控制流程，建立灵活的火力发电厂控制策略。

参考文献：

　　[1]黄畅,张攀,王卫良,等.燃煤发电产业升级支撑我国节能减排与碳中和国家战略[J].热力发电,2021,50(04):1-6.

　　[2]WRIGHT S A,ANDERSON M.Session 2:supercritical CO2 cy‐cle for advanced NPPs[R].Paper presented at the Workshop on New Cross-cutting Technologies for Nuclear Power Plants,2017.

　　[3]戴全春,袁鹏.SCO2布雷顿循环发电技术发展[J].机电设备,2020,37(4):77-82.

　　[4]MILANI D,LUU M T,MCNAUGHTON R,et al.Optimizing an advanced hybrid of solar-assisted supercritical CO2 Brayton cy‐cle:a vital transition for low-carbon power generation industry[J].Energy Conversion and Management,2017,148:1317-1331.

　　[5]周维国,祝朝阳,陈栓俊,等.超临界CO2布雷顿循环燃煤发电研究进展[J].现代化工,2023,43(S2):80-85.

　　[6]MESHRAM A,JAISWAL A K,KHIVSARA S D,et al.Modeling and analysis of a printed circuit heat exchanger for supercritical CO2 power cycle applications[J].Applied Thermal Engineering,2016,109:861-870.

　　[7]ZHOU J,ZHANG C,SU S,et al.Exergy analysis of a 1 000 MW single reheat supercritical CO2 Brayton cycle coal-fired power plant[J].Energy Conversion and Management,2018,173:348-358.

　　[8]段承杰,王捷,杨小勇.反应堆超临界CO2 Brayton循环特性[J].原子能科学技术,2010,44(11):1341-1348.

　　[9]Dyreby J J.Modeling the supercritical carbon dioxide Brayton cy‐cle with recompression[D].Madison:University of Wisconsin-Madison,2014.

　　[10]张尧立,梁墩煌,房超,等.超临界二氧化碳布雷顿循环热工特性研究[C]//第十四届全国反应堆热工流体学术会议暨中核核反应堆热工水力技术重点实验室2015年度学术年会论文集.北京,2015.

　　[11]HOFER D.Phased approach to development of a high tempera‐ture sCO2 power cycle pilot test facility[C]//The 5th Internation‐al Symposium-Supercritical CO2 Power Cycles.San Antonio,Texas,2016.

　　[12]FEHER E G.The Supercritical Thermodynamic Power Cycle[J].Energy Conversion,1967,8(2):85-90.

　　[13]ANGELINO G.Perspectives for the Liquid Phase Compression Gas Turbine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines Power,1967,89(2):229.

　　[14]VACLAV D.A supercritical carbon dioxide cycle for next gener‐ation nuclear reactors[J].Massachusetts Institute of Technology,2004,154(3):265-282.

　　[15]LE MOULLEC Y.Conceptual study of a high efficiency coal-fired power plant with CO,capture using a supercritical CO2 Brayton cycle[J].Energy,2013,49:32-46.

　　[16]陈扬,于洋,郑焱.一种超临界二氧化碳布雷顿循环[J].热科学与技术,2020,19(1):80-85.

　　[17]康佳垚.超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组建模与仿真研究[D].北京:华北电力大学,2021.

　　[18]WANG Kun,HE Yaling,ZHU Hanhui.Integration between su‐percritical CO2 Brayton cycles and molten salt solar towers:A review and a comprehensive comparison of different cycle lay‐outs[J].Applied Energy,2017,195(1):819-836.

　　[19]赵文升,郑鹏宇,付文锋,等.再压缩与部分冷却二氧化碳布雷顿循环热效率对比分析[J].华北电力大学学报(自然科学版),2019,46(3):90-96.

　　[20]王广义,杨竹强,张博.超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统动态特性研究[J].热科学与技术,2023,22(3):290-299.

　　[21]赵健纬.超临界二氧化碳布雷顿循环适应性流道回热器及其传热特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2021.

　　[22]陈渝楠,张纯,蒋世希,等.超临界二氧化碳火力发电系统比较研究[J].中国电机工程学报,2019,39(7):2071-2080.

　　[23]纪宇轩.超临界二氧化碳布雷顿循环印刷电路板式换热器特性的模拟与试验研究[D].杭州:浙江大学,2022.

　　[24]谢蓉,于健尧.基于Aspen的超临界CO2布雷顿循环性能研究[J].工程热物理学报,2021,42(10):2544-2552.

　　[25]徐进良,刘超,孙恩慧,等.超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望[J].热力发电,2020,49(10):1-10.

　　[26]TSUZUKI N,KATO Y,LSHIDUKA T.High performance print‐ed circuit heat exchanger[J].Applied Thermal Engineering,2006(10).

　　[27]BRUN K,FRIEDMAN P,DENNS R.Fundamentals and appli‐cations of supercritical carbon dioxide(SCO2)based power cy‐cles[M].Cambridge,UK:Woodhead Publishing,2017.

　　[28]DOSTAL V.A supercritical carbon dioxide cycle for next gener‐ation nuclear reactors[M].Massachusetts:MIT,2004.

　　[29]史香锟,刘治京,吴昊,等.超临界CO2布雷顿循环中换热器夹点判断方法[J].热能动力工程,2021,36(8):85-91.

　　[30]MOHAMMADI Z,FALLAH M,MAHMOUDI S M S.Advanced exergy analysis of recompression supercritical CO2 cycle[J].En‐ergy,2019(178):631-643.

　　[31]SARKAR J.Second law analysis of supercritical CO2 recompres‐sion Brayton cycle[J].Energy,2009,34(9):1172-1178.

　　[32]陶志强,赵庆,唐豪杰,等.应用于工业余热的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热力学和㶲分析[J].中国电机工程学报,2019,39(23):6944-6951,7107.

　　[33]王智,付静.再压缩超临界二氧化碳闭式布雷顿循环系统㶲分析[J].华北电力大学学报(自然科学版),2018,45(4):86-92.

　　[34]张军辉,高骥,马学飞,等.SCO2再压缩布雷顿循环回热器特性分析[J].汽轮机技术,2021,63(6):413-418.

　　[35]ZHOU J,ZHANG C,SU S,et al.Exergy analysis of a 1 000 MW single reheat supercritical CO2 Brayton cycle coal-fired power plant[J].Energy Conversion and Management,2018,173:348-358.

　　[36]DYREBY J J.Modeling the supercritical carbon dioxide Bray‐ton cycle with recompression[D].Madison:University of Wiscon‐sin-Madison,2014.

　　[37]王为术,黄志豪,赵世飞,等.超临界二氧化碳600 MW燃煤发电系统热力学性能仿真研究[J].热力发电,2020,49(10):101-106.

　　[38]张军辉,高骥,马学飞,等.SCO2再压缩布雷顿循环回热器特性分析[J].汽轮机技术,2021,63(6):413-418.

　　[39]BAI W G,ZHANG Y F,YANG Y,et al.300 MW boiler design study for coal-fired supercritical CO2 Brayton cycle[J].Applied Thermal Engineering,2018,135:66-73.