0 引言

超临界CO2布雷顿循环(sCO2循环)作为近年来热点研究的前沿发电技术，与蒸汽为介质的朗肯循环相比，sCO2循环可以采用更广的热源温度范围，且在这些温度范围内具有更高的循环发电效率。由于sCO2的特殊物性，循环系统设备结构简单紧凑、循环效率高，sCO2循环发电被认为在火力发电、太阳能光热发电、第四代核能发电、余热发电、地热发电等领域具有广阔的应用前景[1]。

当前舰船动力系统主要有蒸汽轮机动力系统、柴油机动力系统、燃气轮机动力系统、核动力系统及综合电力动力系统。蒸汽动力装置因其单位功率重量太大、系统效率不高，20世纪70年代以后世界发达国家均陆续全面转向燃气动力装置和核动力装置，基本放弃了蒸汽动力舰船锅炉的研究规划。以舰船锅炉为热源的sCO2循环动力系统不具备替代蒸汽动力装置的市场前景。船舶柴油机分为高、中、低速机，具有功率范围大、油耗低等特点，在民用小功率船舶及中小型舰船中占据着绝对市场占有率，sCO2循环系统运用在该部分船舶中无经济性优势，基本上决定了无市场应用前景。在大中型舰船中，大功率中速柴油机占有小部分舰船市场份额；质量尺寸小、功率密度大的燃气轮机占舰船市场份额的3/4；核动力在海军的航空母舰及核潜艇中占有特定的少量市场份额。

sCO2具有化学性质稳定等特殊物性，可以作为核电堆芯冷却介质。sCO2循环研究在近20年内再度兴起的源头就是麻省理工学院(MIT)对第四代核电先进动力循环项目的研究。MIT完成了与核反应堆相结合的sCO2循环系统设计、理论热力学与经济性分析、系统设备设计选型及系统控制等工作，研究显示分流再压缩sCO2循环为发电效率最佳的方式[2]。美国海军的诺尔斯实验室2007年也启动了舰船核反应堆应用sCO2循环的研究。柴油机或燃气轮机的排气余热可作为sCO2循环的热源。虽然与核反应堆、太阳能光热相结合采用的分流再压缩sCO2循环效率高，但该方式具有深度回热的特点，不能充分从燃气轮机排气余热中吸收足够的热量，存在排气热损失，不宜用于燃气轮机-sCO2联合循环。Kim等学者对比研究了多种用于燃气轮机底循环的sCO2循环，结果表明，基于简单回热的循环效率比分流再压缩循环效率更高，系统结构简单，更适合作为燃气轮机底循环[3]。美国Echogen公司研发的EPS100是首个兆瓦级的简单sCO2循环系统，主要考虑商业应用于500℃～550℃、65～70 kg/s流量的气体燃烧产物(如燃机排气)的余热回收[4]。

本文根据sCO2循环在舰船动力系统中的市场应用前景，主要分析了舰船核能-sCO2循环系统以及舰船燃气轮机-sCO2联合循环综合电力系统。

1 舰船核能-sCO2循环系统

1.1 分流再压缩sCO2循环系统构成

目前第四代核电的堆芯冷却介质除了氦气、钠以外，sCO2也是其备选介质之一。以核反应堆为热源，sCO2循环采用分流再压缩的方式可以明显提高系统循环效率。由于舰船核动力系统中受空间严格限制的要求，采用sCO2循环可以在最大限度提高循环效率的基础上实现设备紧凑布置，为舰船其他系统争取更大的空间。

分流再压缩的sCO2循环系统设备主要包括作为热源的核反应堆、高/低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩压缩机、涡轮机及发电机。循环系统如图1所示。高温高压的sCO2工质在涡轮机中做功后先后经过高温回热器和低温回热器换热，进行排气余热的再利用，对与核反应堆进行换热前的工质进行预加热。从低温回热器换热降温后的低压工质分为两路，一路经冷却器冷却到临界点参数附近后进入主压缩机，再经低温回热器加热后与再压缩压缩机出口工质汇合；另一路循环工质不采用冷却器冷却直接进入再压缩压缩机加压，减少由于冷却产生的系统热损失，2路工质合并后进入高温回热器中换热升温，然后再与核反应堆加热器进行换热，进一步加热后的高压sCO2工质最后进入涡轮机中做功。sCO2循环系统中的主要设备均采用高速回转的运转方式，透平、发电机采用高速电磁悬浮轴承一体化连接，该方式可以有效减小振动激励和传递引起的噪音，这对于舰船或核潜艇等海军装备来说十分有利[5]。由于sCO2的特殊物性，循环工质在压缩和膨胀过程中呈现出非线性变化，这使得sCO2涡轮机及压缩机的设计和制造成为主要难点之一，需要根据sCO2工作过程中的性能特征深入研究相关设计及制造工艺。sCO2循环中高、低温回热器要求具有结构紧凑、高效可靠和快速换热的能力，传统的换热器结构很难实现上述目标，而采用内部具有微通道结构的印刷电路板换热器(PCHE)可以有效地满足高、低温回热器的换热需求。

文章来源：《舰船科学技术》 网址: http://www.jckxjszz.cn/qikandaodu/2021/0121/801.html