超临界二氧化碳

       利用热能发电，通常见到的是利用水做传热工质，即将水加温加压，利用涡轮机将热能转化为机械能，再利用发电机将机械能转化为电能。在热能发电中，超临界二氧化碳能不能代替水做工质？经过多方已经，不仅可以而且还具有更多更好的优点。

一．超临界二氧化碳发电的基本流程

超临界二氧化碳作为工质发电的流程，参见下面示意图。

总起来说循环工作过程是这样的超临界二氧化碳工质经过压缩机升压；然后利用换热器将工质等压加热;工质进入膨胀机（涡轮机）推动涡轮做功，涡轮机带动电机发电；做功后的工质进入冷却器，恢复到初始状态；再进入压气机形成闭式循环。这样就完成了工质可循环，做功可连续的目的。

2021年，我国自主研发建造的，全球首座、容量最大、性能优异的5MWe 大型二氧化碳循环发电机组，在西安华能试验基地正式投运。该技术是世界领先水平。

二．超临界二氧化碳工质发电的优点

热交换工质为什么不用水，而要采用超临界二氧化碳？因为作为循环传热工质，超临界二氧化碳的优点比水强；采用超临界二氧化碳工质的整个循环系统和发电系统会产生更优秀的效果。

1.超临界二氧化碳作为热力循环工质的优点

①二氧化碳临界温度和压力远低于水的临界点，在通常温度下很容易达到超临界状态。当二氧化碳的温度达到31.1℃，压力达到7. 38 MPa时就变为超临界状态了。无论是压缩工质还是加温循环工质都容易工程实现和应用。

②超临界二氧化碳具有液体的稠密性，流体密度大；带来的好处是压缩时体积变形小，压缩功耗小，而且传热效率高，做功能力强。

③超临界二氧化碳具有气体的流动性，粘性小流动性强，系统循环损耗小。

与其它热循环工质（液体水或气体氦）相比较，超临界二氧化碳的优点突出。

2.超临界二氧化碳发电系统的功耗低，发电效率高。

3.整个发电系统的体积小、重量轻。因为在循环过程中，二氧化碳均处于超临界状态，不发生相变，密度大，动能大，所以涡轮的级数减少了，冷却器、管路及附件尺寸都相应变小了。超临界二氧化碳发电系统的体积和重量与传统的蒸汽发电系统相比，只有1/3。

4.噪声低。超临界二氧化碳发电系统一般采用高速涡轮机发电机组，高转速产生高频噪音，降噪容易。

三．关键技术

既然利用超临界二氧化碳热循环工质发电优点多，为什么以前不普及呢？这是因为这里面存在着一些需要仔细研究的关键技术。

1. 超临界二氧化碳物性、换热规律复杂，需要系统性研究。超临界流体不同于常规液体或气体，在热力学变化过程中，随着温度、压力、负载的变化，工质的热力学特性如何？特别是在近临界点和跨临界点时，工质的热力学特性如何？这需要细致的深层次的基础研究。

2. 超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，需要开展控制研究。当系统的负载需要变化时，就需要调节涡轮机出口的流量、温度和压力，于是整个系统的热量获取、冷却量供给、高速压气机的转速、高速涡轮的转速均需要精确调节控制，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。

3. 需要突破超临界二氧化碳高速涡轮机的设计制造技术。因为工质是超临界二氧化碳，高转速涡轮机需要多少级？如何减少体积、降低重量？高速精密轴承、转子运行稳定性如何保证？

4.需要设计高效换热器。要求低温差高效换热

5.系统材料耐压、耐高温、耐腐蚀要求高。超临界二氧化碳热力循环压力达15-32 MPa，温度达550℃以上。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、检验探伤等工艺都需要技术突破。

四.应用前景

超临界二氧化碳热力循环发电系统，由于效率高、系统体积小、噪声低等优点，在很多领域具有很好的应用前景，主要可用于以下几个方而。

1.用于核反应堆发电。裂变反应堆的热量可以交换给超临界二氧化碳循环系统，再发电。与传统的蒸汽发电系统相比有了极大改善。

2.用于太阳能光热发电。 本系列126中介绍过‘光热熔盐发电’，那里用的循环传热工质是‘三元混合熔盐’，其熔点温度是220℃、气化温度是600℃，由于传热温度高，所以发电的功率大。同样地，可以用‘超临界二氧化碳’做循环传热工质，温度差可以在31-600℃ 之间，可用于中等或大型的光热发电。

3.用于工业废热发电。工业废热是一种低品位的能源，很多工业废热都被浪费了，例如冶炼的烟囱不知浪费多少热能，如果能够得到部分利用，其效果都是是很可观的。超临界二氧化碳发电系统能够在较低温度下发电，发电效率比同类热电系统高，并且体积小，便于安装。

4.用于舰船。舰船烧油驱动将来会越来越少，这是由于减少碳排放的发展趋势所要求的。将来，舰船驱动的原动力应该是‘核反应堆’，其功率可大可小（参见本系列131）；核动力产生的热能都需要利用‘循环工质’转换成机械能，其中超临界二氧化碳就是极好的选择；再就是，要么将机械能变为转轴螺旋桨驱动，要么将机械能转换为电能，用电驱动（参见本系列82、83、84）。由于舰船内部空间有限，对船内设备体积限制要求严格，而超临界二氧化碳发电系统效率高、体积小、总量轻、节省能源，所以，该系统在舰船上具有极大的应用价值。