0 引　言

超临界二氧化碳发电技术是以超临界二氧化碳作为布雷顿热力循环工质来发电的技术。超临界二氧化碳循环发电技术具有诸多优点，在民用及军用（尤其是舰船）领域受到极大关注。

1）效率可超过50%，比最先进的蒸汽动力循环高出25%

超临界二氧化碳布雷顿循环最引人关注的特点是有可能大幅提高热力循环效率，理论分析指出在接近800 ℃的涡轮入口温度时，其热力循环效率有可能超过50%，比目前最先进的大型蒸汽动力装置的热效率（略超过40%）高出近25%。蒸汽郎肯循环效率的平均水平仅在34%左右。

2）装置体积仅为蒸汽动力系统的1/30

由于超临界二氧化碳的独特性质，超临界二氧化碳布雷顿循环热力装置具有较高的能量密度，涡轮的级数可减少，体积显著缩小。例如，一个300 MW的超临界二氧化碳电站的涡轮直径只有大约1 m，只需要3个级，而同等功率的蒸汽系统则需要直径5 m的涡轮，需要22~30个叶片组。超临界二氧化碳布雷顿循环系统可达到蒸汽系统体积的1/30。

图1所示为美国麻省理工学院研究给出的各种热力循环中动力涡轮的尺寸比较。这种小型化的特点，使超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术在军舰上应用具有独特优势。

3）适用于各种不同品质热源

与水蒸气郎肯循环相比，超临界二氧化碳适用的热源温度更广，且在这些温度范围内均能达到较高效率，尤其在500 ℃～800 ℃区间内。超临界二氧化碳布雷顿循环为闭式循环，可使用各种品质热源，包括核反应堆、劣质的燃油、煤、垃圾焚烧、地热能、太阳能、工业废热等各种不同温度的热源。

4）系统噪声小

超临界二氧化碳发电系统一般采用高速涡轮机发电机组，转速高，以高频振动线谱为主，有利于隔振降噪。此外，超临界二氧化碳发电系统的主要运动设备全部采用高速回转运动形式，涡轮机、发电机采用高速电磁悬浮轴承一体化连接，有利于减小振动激励和传递。这对于降噪要求高的应用场合（如军舰）具有十分重要的意义。

5）二氧化碳成本低廉且性质稳定，降低选材难度

二氧化碳的成本低廉、储量丰富，是一种化学性质稳定、无毒的气体，在中低温条件下与金属发生化学反应而侵蚀的速率较慢，循环部分的选材范围相对较宽。这些都为超临界二氧化碳布雷顿循环的推广应用提供了良好的基础。

二氧化碳布雷顿循环的研究最早可追溯到1948年。一位名叫Sulzer的学者申请了一个采用部分冷凝的二氧化碳布雷顿循环的专利，人们很快意识到采用超临界二氧化碳作为工质的优势。美国、意大利、苏联等国家在20世纪60–70年代对超临界二氧化碳开展了很多研究，但并未得到实际应用，主要是由于当时的涡轮机械的设计和制造技术无法满足要求、缺乏合适的紧凑换热器等。直到20世纪90年代，随着各国对能源利用的重视以及制造技术的进步，又一次引起了对超临界二氧化碳布雷顿循环的兴趣。但直到2006年，超临界二氧化碳布雷顿循环的研究还大多停留在理论设计阶段。近年来，美国、日本、韩国、欧洲等国家都在开展相关研究，其中美国取得的进展最显著。

1 超临界二氧化碳循环发电关键技术及国外进展 1.1 超临界二氧化碳布雷顿循环发电关键技术

超临界二氧化碳布雷顿循环的关键技术及难点包括基础科学、设备设计与制造工艺、材料开发等方面。

1）超临界二氧化碳的物性、换热规律的掌握

超临界流体的物性具有很独特的特点，包括临界点附近的比热尖峰、导热系数变化、密度变化等，这些既是超临界流体利用的基础，也给相应的分析带来了困难。

另一方面，超临界二氧化碳的独特性质相应地带来了流动和换热规律的独特性。已有研究显示，超临界流体会出现换热强化和换热恶化等现象，但目前对于这些规律仍不能很好地掌握。这也给超临界二氧化碳布雷顿循环的应用带来了障碍。

2）超临界二氧化碳循环系统运行状态的精确控制

系统循环的高效率是建立在冷凝器出口即压气机吸入口（循环起点）的二氧化碳仍处于超临界状态。当系统输出需求发生变化时，整个系统的热量获取、冷却量供给、高速涡轮发电机、高速压气机的转速均要做相应调整，需要精确调节控制，确保系统仍处于超临界状态以上，才能使系统效率达到最优。超临界二氧化碳热物理参数的强烈非线性特征使得对超临界二氧化碳循环系统的运行状态控制十分困难，需要开展控制研究。

3）高速超临界二氧化碳涡轮发电机组的设计制造

超临界二氧化碳布雷顿循环中最关键的部件是涡轮发电机件。涡轮发电机组的效率和可靠性是确保超临界二氧化碳发电技术优势发挥的关键，确保涡轮发电机高转速是设备减少体积、降低重量、提高效率的重要途径。涡轮发电机组设计过程中，在确保高转速的前提下，既要兼顾高速精密轴承、转子运行稳定性，同时要充分考虑超临界二氧化碳工质温度、压力、密度等参数，以及发电机电磁、温升等参数的影响问题。

超临界二氧化碳涡轮和压缩机的设计和制造是利用超临界二氧化碳布雷顿循环的核心问题之一，也是主要难点之一。由于超临界二氧化碳在压缩和膨胀过程中物性的强非线性变化，对涡轮和压缩机的设计提出了很高的要求，同时也考验相关的制造工艺和工业基础。

4）高效紧凑换热器的设计制造

超临界二氧化碳布雷顿循环要求有紧凑、高效和可靠的换热器进行快速的热量交换，传统的换热器很难满足要求。随着制造技术的发展，印刷电路换热器的出现给问题的解决带来了希望。印刷电路板换热器由薄钢板组成，内部通过刻蚀形成微通道，换热面积可达到1 000 m²/m³。这种换热器非常紧凑，且能承受住高温和高压，其制造需要相应的制造工艺基础。

5）耐高温高压、耐腐蚀材料的开发

二氧化碳虽然化学性质稳定，腐蚀性弱，但由于超临界二氧化碳布雷顿循环往往用于高温高压（如高达550 ℃，20 MPa）条件，其对材料的腐蚀仍然难以避免。开发和测试符合要求的材料也是关键的因素之一。为实现高效率，必须提高系统热力循环的温度、压力，要求超临界二氧化碳热力循环压力达15～32 Mpa、温度达550 ℃以上。为满足高温高压参数要求，加热器、涡轮机、发电机的材料都必须具有高强度、耐高温、耐腐蚀性的特点，设备的加工、生产、热处理、检验探伤等工艺则需要技术突破。

1.2 国外超临界二氧化碳循环发电技术研发项目及发展现状

1)美国

①按从小功率到大功率，分阶段推进的路线实施

按规划，美国超临界二氧化碳循环发电技术发展路线按阶段可分为：基础测试→概念开发→kW级小型系统与部件测试→10 MW级电站演示验证与大部件研发→10 MW以上大型系统测试与商业化应用等阶段。综合来看，其总体发展思路是通过实验室小功率系统解决基本技术问题，再通过各分部件的可扩展性分析，逐步推广到大功率商业化系统。

为推动超临界二氧化碳循环发电技术的发展，早期R&D经费主要由美国能源部及军方的海军核动力办公室投资，开展基础的概念开发和探索工作；当达到一定成熟度后（TRL 4～6），由政府和工业部门联合出资开展相关研发和试验演示工作；当技术成熟度达到7级时，商业投资增加，完全由工业部门开展相关研发工作。

②目前美国已基本完成实验室小型样机测试，进入到10 MW级系统演示验证阶段，2020年技术成熟度将超过7级

在美国海军和能源部的支持下，美国在多个实验室搭建了超临界二氧化碳循环发电小型试验台，如诺尔斯实验室、桑迪亚国家实验室、Echogen公司等，对不同系统布置形式的超临界二氧化碳循环发电系统进行试验和分析，并积累运行经验。

美国海军核动力推进办公室NR（Nuclear Reactor）下属的诺尔斯实验室从2007年启动将超临界二氧化碳布雷顿循环应用到海军反应堆的研究。诺尔斯实验室搭建的综合系统试验台采用简单再热闭式布雷顿循环，功率为100 kW，采用2个涡轮（一个动力涡轮直接发电，一个涡轮-发电机-压缩机组件发电的同时驱动压缩机）。

近年来，美国能源部在力推超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术，其主要发展策略是以国家投资为牵引的同时，吸引工业部门加入。众多研究力量和工业部门参与其中，取得了显著突破。考虑的应用对象以核反应堆为主，太阳能、工业余热等也在研究之中。

桑迪亚国家实验室超临界二氧化碳再回热闭式布雷顿循环试验样机布置如图2所示，该系统功率250 kW，包括2个TAC组件、2个印刷回路换热器（功率分别为2.3 MW和1.7 MW）。该系统在2015年完成测试。

按美国能源部的规划，在2020左右年完成10 MW级超临界二氧化碳再压缩闭式布雷顿循环（RCBC）发电系统的演示验证，技术成熟度超过7级，具备商业推广条件。为此，2016年美国能源部授出价值8千万美元的合同，开展10 MW的超临界二氧化碳涡轮发电系统示范性工程。同时，在10 MW系统的基础上，探索将10 MW级扩展到300 MW的技术，广泛开展系统的可扩展性研究，分析了不同功率下系统组件的适用方案。据美国媒体报道，美国有望在2035年左右实现在1 000 MW级大型超临界二氧化碳循环发电核电站的商业应用。

2）其他国家

日本、韩国等国家也在开展超临界二氧化碳发电技术的研究。如京都应用能源学院搭建了一个小型试验台用于研究小尺度涡轮机械并评估循环性能。东京技术学院搭建了一个超临界二氧化碳腐蚀测试回路。韩国科学技术高级研究院（KAIST）搭建了一个带低压缩比压缩机的试验回路开展超临界二氧化碳压缩机性能试验。韩国原子能研究院和韩国能源研究院也开展了相关测试。

2 超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术的民用及舰用前景

1）未来20年内将在大型核电站上应用

目前国外超临界二氧化碳布雷顿循环的研究以核反应堆为主要应用对象，包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。超临界二氧化碳布雷顿循环除了效率高、体积小等优势外，在安全性上与二回路采用蒸汽系统相比有了极大的改善。根据美国能源部的研究规划及相关进展，超临界二氧化碳布雷顿循环在大型核电站得到运用将有可能在未来20年内成为现实。

2）可将太阳能发电效率提高8%，增强太阳能发电竞争力

美国能源部认为，超临界二氧化碳布雷顿循环的应用可达到降低太阳能发电成本的目的。据分析，超临界二氧化碳布雷顿循环可帮助提高8%左右的太阳能光热式发电效率。美国能源部计划通过超临界二氧化碳布雷顿循环研究的实施，以推动使太阳能光热发电成本大幅降低，提高太阳能光热发电的竞争力。

3）提高传统化石能源的利用效率

煤炭、垃圾、生物质等均以燃烧的方式提供热量。对于超临界二氧化碳布雷顿循环的应用，以煤炭为例，国际能源署（IEA）在《21世纪的煤炭》报告中总结了4种未来煤炭利用技术，这些技术可能代表着煤炭利用的重大进步，闭式布雷顿循环即是其中之一。

4）在工业废热利用中有望得到推广

尽管工业废热是一种低品位的能源，但其储藏巨大，即便是其中一小部分得到回收利用，也是一个可观的量。工业废热热源温度通常降低，超临界二氧化碳布雷顿循环在相对较低的温度下仍适用，且系统体积小，有利于安装。

5）在船舶和核动力潜艇上的应用具有突出的优势

早在20世纪70年代就有人提出将超临界二氧化碳布雷顿循环应用到船舶上，并指出燃料利用效率有望提高超过25%。超临界二氧化碳布雷顿循环系统效率高、体积小、噪声小等特点，使其在燃料成本高、空间狭小的船舶上应用相比蒸汽系统有很大的优势，尤其对于采用核动力与蒸汽系统的船舶和潜艇。

3 我国发展超临界二氧化碳循环动力技术的初步建议

1）加强超临界二氧化碳流体特性的基础研究

基础研究是技术开发和应用的基础。超临界二氧化碳布雷顿循环系统的设计和应用依赖于对超临界二氧化碳流体基本物性的变化规律、通道内（尤其是换热器中的微通道内）的流动和换热规律的掌握。同时，可靠的计算机数值仿真可有效辅助系统的设计和验证，降低成本，也是基础研究的重点。加强这些方面的基础研究有助于推进该项技术的发展。

2）加大对制造技术和材料研发领域的投入

超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的压缩机、动力涡轮、印刷电路换热器涉及的精密制造技术和工艺正是我国制造工业的短板，同时高温耐腐蚀材料的开发也存在很大的技术难度。因此，我国推动超临界二氧化碳布雷顿循环的研究和应用不仅仅取决于对这样技术本身的投入，还将依赖我国制造工业和材料技术的整体进步。

3）通过政府主导、军民融合等方式引导技术发展

超临界二氧化碳布雷顿循环系统发电技术既涉及基础研究，也对制造技术和工艺水平提出了很高的要求，要实现在军、民领域的实际应用是一个复杂、长期的过程，发展初期需要政府投入和有效引导，分阶段实施。