水蒸汽朗肯循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換是主流發(fā)電技術(shù)。目前大型燃煤發(fā)電機(jī)組主蒸汽溫度已達(dá)630℃，進(jìn)一步提升效率受到材料制約，700℃蒸汽溫度下鋼材腐蝕嚴(yán)重，限制了主蒸汽參數(shù)的提高。超臨界二氧化碳動力循環(huán)，簡稱S-CO2循環(huán)，采用CO2實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。S-CO2循環(huán)有三個優(yōu)勢。首先，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下與金屬材料反應(yīng)弱，為進(jìn)一步提高主蒸汽參數(shù)奠定了基礎(chǔ)；其次，當(dāng)主蒸汽溫度超過550℃時(shí)，S-CO2循環(huán)效率高于水蒸汽朗肯循環(huán)；再次，S-CO2循環(huán)系統(tǒng)高壓運(yùn)行，系統(tǒng)緊湊。

20世紀(jì)60年代就提出了S-CO2循環(huán)，在其后的幾十年內(nèi)并未受到重視。近20年來，由于面臨能源和環(huán)境的雙重壓力，S-CO2循環(huán)重新受到國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注，各國都投入了相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪ρ邪l(fā)該前沿能源技術(shù)。目前，S-CO2循環(huán)處于基礎(chǔ)研究階段，實(shí)驗(yàn)研究集中在關(guān)鍵部件及小容量機(jī)組測試上，人類要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2循環(huán)發(fā)電，有許多研發(fā)工作要做。近日，華北電力大學(xué)徐進(jìn)良教授團(tuán)隊(duì)及西安交通大學(xué)李明佳教授等在ENERGY上發(fā)表論文，綜述了S-CO2循環(huán)研究進(jìn)展，科學(xué)問題，技術(shù)瓶頸，解決對策及未來工作，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了專業(yè)的見解。

1.S-CO2與金屬材料相容性問題

二氧化碳在高溫高壓環(huán)境下與金屬材料的化學(xué)反應(yīng)速率決定了循環(huán)所能采用的最高主蒸汽溫壓參數(shù)，與機(jī)組發(fā)電效率密切相關(guān)。目前，已對S-CO2與金屬的相容性進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，但數(shù)據(jù)還不能支撐大規(guī)模機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，體現(xiàn)在以下幾個方面：(i)采用高純度CO2測試，與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況有偏離；(ii)測試時(shí)間不夠長；(iii)采用增重法表征化學(xué)反應(yīng)速率，建議采用減重法更有價(jià)值?？傊ㄗh測試并建立S-CO2與典型金屬材料，包括合金鋼的化學(xué)反應(yīng)速率數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行合理評估，以支撐S-CO2機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

2.S-CO2循環(huán)的選擇

再壓縮（RC）、再壓縮+中間冷卻（RC+IC）與再壓縮+再熱（RC+RH）是基本的循環(huán)形式。已經(jīng)證明，間冷能夠降低壓氣機(jī)耗功，可適當(dāng)提高機(jī)組效率，但再熱對提升效率更加明顯。當(dāng)S-CO2循環(huán)與不同熱源耦合時(shí)，難以找到一個固定循環(huán)，適合不同熱源（太陽能、核能、化石能源及余熱）。例如，再壓縮循環(huán)與太陽能或核能耦合時(shí)，由于熱源跨越溫區(qū)較窄，比較適合，但再壓縮循環(huán)不適合余熱利用。對于大規(guī)模S-CO2燃煤動力系統(tǒng)，由于S-CO2循環(huán)主要適合中高溫?zé)嵩?，全溫區(qū)吸收煙氣熱量是最大挑戰(zhàn)。近來，Xu等提出了S-CO2循環(huán)的全溫區(qū)吸收煙氣熱量方法，分別采用頂循環(huán)和底循環(huán)吸收高溫和中溫?zé)煔鉄崃?，空氣預(yù)熱器吸收低溫?zé)煔鉄崃浚鉀Q了這一難題。另外，現(xiàn)有文獻(xiàn)分析循環(huán)時(shí)，大多沒有和關(guān)鍵部件的熱工水力特性進(jìn)行耦合。S-CO2循環(huán)的特點(diǎn)是循環(huán)流量特別大，相同功率下，S-CO2循環(huán)流量是水蒸汽朗肯循環(huán)的~6倍以上，導(dǎo)致S-CO2在關(guān)鍵部件流動時(shí)產(chǎn)生明顯的堵塞效應(yīng)，即壓降懲罰效應(yīng)。鑒于此，Xu等提出1/8減阻原理，由此產(chǎn)生S-CO2鍋爐的模塊化設(shè)計(jì)，解決了這一難題。

當(dāng)S-CO2循環(huán)用于不同熱源時(shí)，存在直接式S-CO2循環(huán)和間接式S-CO2循環(huán)之分。在直接式S-CO2循環(huán)中，S-CO2直接吸收熱源熱量，效率高，但存在嚴(yán)重的傳熱問題，例如，對于直接式太陽能S-CO2循環(huán)，太陽能吸熱器溫度高，熱應(yīng)力大，安全問題嚴(yán)重。間接式S-CO2循環(huán)采用其它工質(zhì)，如熔融鹽吸收太陽能熱量，熔融鹽回路和S-CO2循環(huán)回路采用中間換熱器進(jìn)行耦合。在進(jìn)行循環(huán)研究時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要關(guān)注S-CO2循環(huán)本身，對熱源和S-CO2循環(huán)的耦合環(huán)節(jié)關(guān)注不夠。S-CO2循環(huán)效率高并不代表整個系統(tǒng)效率高。因此，我們建議：(i)提出適合于不同熱源特點(diǎn)的循環(huán)結(jié)構(gòu)；(ii)研究S-CO2循環(huán)與關(guān)鍵部件熱工水力特性的耦合機(jī)理。

循環(huán)分析的合理性取決于關(guān)鍵部件的效率。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，壓氣機(jī)和透平效率均假設(shè)在0.9以上，缺少足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。壓氣機(jī)和透平分為徑流式和軸流式，分別適合于小容量機(jī)組和大容量機(jī)組。小容量機(jī)組的透平效率很難達(dá)到0.9，大容量機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械效率亟需進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。

3.S-CO2換熱器

3.1S-CO2傳熱基礎(chǔ)理論

S-CO2傳熱發(fā)生在S-CO2循環(huán)的多種設(shè)備中，如中間換熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器等。實(shí)驗(yàn)方面，現(xiàn)用S-CO2傳熱數(shù)據(jù)局限于小直徑管道和較低溫壓參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中在~8MPa附近。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，壓力至少大于20MPa，約為CO2臨界壓力的3倍以上，熱流密度遠(yuǎn)大于100kW/m2。一些傳熱關(guān)聯(lián)式僅適用于研究者自己的參數(shù)范圍，難以擴(kuò)展到參數(shù)范圍之外。理論方面，已進(jìn)行了較多的S-CO2傳熱數(shù)值模擬，但缺乏公認(rèn)的湍流模型，在不同條件下都具有良好的預(yù)測精度?，F(xiàn)有超臨界傳熱理論框架基于單相均勻的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)物性變化、浮生力和加速效應(yīng)對S-CO2傳熱的影響。

超臨界傳熱研究的目的是確保受熱面安全，如何預(yù)測傳熱惡化是非常重要的問題，超臨界傳熱惡化機(jī)理仍然是懸而未決的問題。鑒于單相流體理論框架不能很好解釋及預(yù)測超臨界傳熱危機(jī)，Zhu等引入Pseudo-boiling(類沸騰)處理S-CO2傳熱，核心思想是將加給超臨界流體的熱量分為兩部分，一部分用于流體升溫，另一部分用于“沸騰”相變。將亞臨界壓力的氣泡生長和超臨界壓力的類汽膜生長進(jìn)行類比，提出新的無量綱參數(shù)：超臨界沸騰數(shù)SBO，以判斷傳熱惡化的發(fā)生。在寬廣實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)存在確定的臨界SBO數(shù)5.126×10-4，當(dāng)SBO數(shù)大于該臨界值時(shí)，發(fā)生傳熱惡化，佐證了超臨界流體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(structure of gas-like fluid and liquid-like fluid)。S-CO2傳熱研究建議如下：(i)進(jìn)行更加寬廣參數(shù)范圍的實(shí)驗(yàn)研究；(ii)提高超臨界傳熱數(shù)值模擬的精度；(iii)發(fā)展通用傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式；(iv)研究超臨界傳熱的類沸騰傳熱機(jī)理。

3.2直接/間接S-CO2循環(huán)加熱器

S-CO2循環(huán)加熱器擔(dān)負(fù)吸收熱源熱量的重任。第四代先進(jìn)核電站概念設(shè)計(jì)采用直接或間接式S-CO2循環(huán)。對于間接S-CO2循環(huán)，中間換熱器是耦合反應(yīng)堆一回路和S-CO2循環(huán)二回路的紐帶，應(yīng)加強(qiáng)氣冷堆高溫氣體和S-CO2耦合傳熱研究，加強(qiáng)液態(tài)金屬堆中池式液態(tài)金屬和S-CO2耦合傳熱研究。有專家提出直接式S-CO2核能系統(tǒng)，限于S-CO2冷卻堆芯的能力，難度較大。

太陽能聚焦熱發(fā)電（CSP）S-CO2循環(huán)也分為直接和間接循環(huán)。在直接循環(huán)中，S-CO2在太陽能吸熱器(solarreceiver)中直接吸收太陽能，系統(tǒng)效率較高，但由于熱流密度的不均勻分布及熱應(yīng)力問題，嚴(yán)重威脅吸熱器安全，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究，為太陽能S-CO2循環(huán)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供支撐。在間接S-CO2循環(huán)中，熔鹽可作為吸收太陽能的熱載體，應(yīng)解決熔鹽腐蝕、泄漏、堵塞等技術(shù)難題。

對于化石能源S-CO2電站，S-CO2流經(jīng)S-CO2鍋爐的各級受熱面（冷卻壁、再熱器和過熱器等），如何確保鍋爐安全運(yùn)行是重中之重。首先，應(yīng)對循環(huán)要求，CO2進(jìn)入鍋爐的溫度比水蒸汽鍋爐高，例如520oC,導(dǎo)致鍋爐受熱面整體溫度的上升；其次，S-CO2傳熱系數(shù)一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/m2熱負(fù)荷下，CO2與管內(nèi)壁溫差可達(dá)40-100K。近年來，我國在科技部重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，圍繞S-CO2鍋爐壁溫控制，提出了耦合鍋側(cè)和爐側(cè)綜合調(diào)控方法及爐型設(shè)計(jì)，在爐側(cè)降低并改善熱負(fù)荷分布，在鍋側(cè)采用內(nèi)螺紋管，調(diào)整傳熱管傾角及管徑等，取得較好效果。

3.3印刷電路板換熱器（PCHE）

PCHE最初由英國Heatric公司提出，可理解為一種更加緊湊的板式換熱器。由于功率密度高和體積小而備受青睞。S-CO2循環(huán)具有非常大的系統(tǒng)內(nèi)部回?zé)?，回?zé)崃靠蛇_(dá)凈輸出功的3-4倍，減小回?zé)崞鞒叽鐚τ谡麄€系統(tǒng)緊湊化和快的負(fù)荷響應(yīng)速率非常重要。已證明PCHE在小規(guī)模S-CO2循環(huán)中有效。美國NET Power公司將PCHE集成到一個50MWth的天然氣示范電廠的設(shè)計(jì)中。Zigzag是PCHE通道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。近期的進(jìn)展包括發(fā)展新的通道結(jié)構(gòu)，例如S型和翼型(aerofoil)，減少PCHE阻力，提升PCHE綜合傳熱性能。亟待開展大容量機(jī)組(>100MW級)采用PCHE的可行性研究，包括設(shè)計(jì)加工方法和成本估算。目前認(rèn)為PCHE有較好的傳熱性能，但成本昂貴，如何降低成本很重要。從運(yùn)行角度，發(fā)展彎曲窄縫通道清除雜質(zhì)的新方法也具有重要意義。

3.4S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械

S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械表現(xiàn)出新的特點(diǎn)：(i)高運(yùn)行壓力和低壓比；(ii)大軸向推力，軸承、密封和轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題嚴(yán)重；(iii)超高功率密度和超高轉(zhuǎn)速。徑流式和軸流式旋轉(zhuǎn)機(jī)械分別適用于小容量和大容量機(jī)組?，F(xiàn)有大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要基于理想氣體假設(shè)，但理想氣體假設(shè)用于S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際運(yùn)行特性參數(shù)與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生明顯偏離。S-CO2透平運(yùn)行遠(yuǎn)偏離臨界壓力，但S-CO2壓氣機(jī)運(yùn)行可跨越臨界壓力，產(chǎn)生明顯的實(shí)際氣體效應(yīng)?，F(xiàn)有商業(yè)軟件數(shù)值模擬，難以捕捉實(shí)際氣體效應(yīng)，導(dǎo)致參數(shù)偏移。應(yīng)發(fā)展新的數(shù)值模擬方法，考慮實(shí)際氣體效應(yīng)，提高S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械數(shù)值模擬的精度、收斂性及計(jì)算速度，徹底明晰S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械熱功轉(zhuǎn)換機(jī)理。

國際上（美國、韓國、中國等）已建立了小容量S-CO2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，目前可得出如下結(jié)論：(i)已建立的S-CO2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要針對小容量機(jī)組并采用徑流式旋轉(zhuǎn)機(jī)械；(ii)小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)效率偏低，關(guān)鍵輸出參數(shù)低于設(shè)計(jì)值；(iii)二氧化碳嚴(yán)重泄漏，降低了系統(tǒng)性能；(iv)大型軸流式旋轉(zhuǎn)機(jī)械可能不會出現(xiàn)小型徑流式旋轉(zhuǎn)機(jī)械的類似問題。建議的研究方向如下：(i)發(fā)展充分反映實(shí)際氣體效應(yīng)的數(shù)值模型及計(jì)算方法，提高設(shè)計(jì)精度；(ii)徹底解決軸承、密封、轉(zhuǎn)子動力穩(wěn)定性等技術(shù)問題；(iii)提出S-CO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械一體化解決方案；(iv)測試并提供S-CO2壓氣機(jī)和透平的可靠效率數(shù)據(jù)。

3.5S-CO2循環(huán)的變工況和瞬態(tài)運(yùn)行

變工況運(yùn)行是指由于換熱器邊界條件發(fā)生變化，引起換熱器一側(cè)或兩側(cè)的質(zhì)量流量和溫度發(fā)生變化，改變整個循環(huán)的傳熱速率和溫壓參數(shù)，從而改變壓氣機(jī)和透平壓比，使發(fā)電量和循環(huán)效率偏離設(shè)計(jì)值。壓氣機(jī)和回?zé)崞饔捎诖嬖趯?shí)際氣體效應(yīng)，應(yīng)引起重視。變工況運(yùn)行甚至可使超臨界循環(huán)轉(zhuǎn)換為跨臨界循環(huán)。Floyd等表明當(dāng)冷源溫度從21℃提高到40℃時(shí)，實(shí)際氣體效應(yīng)引起壓比下降，導(dǎo)致發(fā)電量和效率下降。為了在冷源溫度升高時(shí)獲得恒定的功率和效率，壓氣機(jī)應(yīng)具有一定的自由度。對于太陽能S-CO2循環(huán)，應(yīng)考慮太陽輻射熱負(fù)荷和冷源溫度的變化。S-CO2循環(huán)瞬態(tài)分析和控制的目的是確保在各種擾動條件下，各部件能夠安全運(yùn)行并維持超臨界壓力運(yùn)行?？傮w上說，S-CO2循環(huán)的變工況及瞬態(tài)分析目前還處于起步階段，建議的研究方向?yàn)椋?i)發(fā)展適合于不同熱源S-CO2循環(huán)的變工況及瞬態(tài)分析計(jì)算程序；(ii)建立S-CO2綜合示范系統(tǒng)，對關(guān)鍵部件及整個系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理驗(yàn)證。

4.結(jié)論

S-CO2循環(huán)具有大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行的潛力，S-CO2循環(huán)的研發(fā)面臨三個方面的問題：

(i)缺乏穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)和分析方法；

(ii)S-CO2能量傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)理還未徹底明晰；

(iii)關(guān)鍵部件存在密封、泄漏和轉(zhuǎn)子動力學(xué)穩(wěn)定性等難題。

解決這些問題的措施是：

(i)提出適合于不同熱源特點(diǎn)的S-CO2循環(huán)，以提高全局的系統(tǒng)效率；

(ii)發(fā)展高精度數(shù)值模擬方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)精度；

(iii)針對關(guān)鍵部件技術(shù)瓶頸，提出一體化解決方案，并在實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。