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什么是超临界二氧化碳动力循环？

2025/6/24
随着全球向碳中和指标迈进，能源结构正加快转向低碳和清洁化。在此布景下，【贵宾会】贵宾式的服务-中国区总代理科技秉持“融慧创新，生态科技”的使命，将可持续发展理想深度融入技术研发，致力于削减能源出产过程中的碳排放和资源亏损，推动绿色将来。

为此，【贵宾会】贵宾式的服务-中国区总代理科技持续投入力量，深刻钻研超临界二氧化碳动力循环系统及其主题部件——换热器。超临界二氧化碳动力循环是一种远景辽阔的低碳环保发电技术，它能有效提高传统能源的利用率、降低排放，并兼容太阳能、地热能、核能等清洁能源。

一、什么是超临界二氧化碳动力循环？
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或许你已经听说过超临界二氧化碳动力循环，或称为sCO2布雷顿循环。它与蒸汽动力循环有类似之处，但驱动流体不是水（蒸汽），而是CO2。预计其装置成本会大幅降低，同时效能也会大幅提高。因而，它在电力行业引起了宽泛关注，多多钻研机构在对其进行钻研和开发。

sCO2布雷顿循环拥有可扩大性，可能利用于大无数热源，在核能、太阳能热能、地热能和化石燃料发电蹬爪用中都拥有宽泛的合用性。

文章将进一步诠释什么是超临界二氧化碳动力循环，而后探求这些动力循环的几个利用。

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超临界二氧化碳动力循环利用处于超临界状态的二氧化碳，此时二氧化碳的温度和压力均高于其临界值，既不是显著的液体也不是气体。这种状态使CO2在发电方面展示出诸多优势。与使用水或蒸汽作为工作流体的传统蒸汽循环分歧，超临界二氧化碳循环使用CO2作为工作流体，其临界压力低于蒸汽，且密度高于蒸汽。这使得系统越发紧凑，组件更幼，可降低本钱成本和工厂占地面积。

二氧化碳临界温度为304.128K，30.9780℃，87.7604℉ ；临界压力为7.3773 MPa，72.808 atm，1070.0 psi，73.773bar。

sCO2布雷顿循环的效能通常高于传统蒸汽动力循环。其热效能可超过45%，具体取决于循环配置，而高温蒸汽朗肯系统的热效能约为35%。

与其它动力循环类似，sCO2动力循环也必要热源。热量通过主热互换器输入系统。热互换器的类型选择取决于热源。例如，若是热源是烟路气中的废热，则必要在烟路气管路中装置牵造式热互换器。但若是是来自聚光太阳能或核反映堆熔盐中的热量，印刷电路板式换热器（PCHE）将是更相宜的选择。在动力循环中，还将有回热器在分歧涡轮机段的sCO2之间进行热互换，以提高效能。

该循环还必要将热量散发到散热器中。这里的重要选择在因而选取与环境空气进行冷却（干式冷却）还是使用冷却水。一项针对sCO2循环冷却规划的钻研指出，“与竞争的蒸汽朗肯循环相比，sCO2系统的关键优势之一在于解除了动力循环中的用水量”。当然，这主张使用干式冷却。

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图1：sCO2功率循环流程（布雷顿循环）

二、使用sCO2动力循环的钻研项目和利用事俘

1、超临界二氧化碳变压发电（STEP）试验工厂
美国的STEP示范工厂是一项沉大投资，旨在验证基于sCO2的发电技术，提高效能，降低成本并削减排放。该项目涉及公私合作，展示了sCO2技术在各类利用中的潜力。

GTl Energy牵头这项1.59亿美元确当局与行业合作项目，与西南钻研院、通用电气钻研院以及美国能源部国度能源技术尝试室携手合作。

2、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的CARBOSOLA项目
在CARBOSOLA项目框架内，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf实现了以sCO2为工作流体的运行技术规模设施的设计和调试工作。该设施可实现高达520℃的温度和300bar的压力，以及1.32千克/秒的质量流量。

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图2： 【贵宾会】贵宾式的服务-中国区总代理科技印刷电路板式换热器（PCHE）

3、将燃气轮机的废热转化为电能
偏远的油气田通常使用单一循环燃气轮机。在装置这些设备时，能源效能并非首要思考成分。然而，燃气轮机排出的高温烟气直接排放到大气中，浪费了贵重的热量。相反，这些热量能够通过热回收装置网络起来，并作为sCO2动力循环的一部门。

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图3：单一循环燃气轮机

现有装置可通过拆除旧的烟囱，装置旁通烟囱和热回收系统来进行升级。热回收系统蕴含牵造，二氧化碳流经其中并借助烟路气进行加热。

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图4：燃气轮机后sCO2动力循环余热回收

4、Allam-Fetvedt循环零排放发电
Allam-Fetvedt循环（AFC）是一种极度特殊的sCO2动力循环。在该循环中，天然气与纯氧一路点火。点火室的高压废气被供给到涡轮膨胀机，脱离膨胀机后，混合物被冷却，分离出液态水。而后，近乎纯净的二氧化碳工作流体进入压缩和泵送阶段，为再循环做筹备。该过程的设计使险些所有的二氧化碳都能实现险些零排放。

美国NET Power在对这种动力循环进行贸易化开发。“该公司在得克萨斯州拉波特的示范工厂成功验证了富氧点火超临界二氧化碳动力循环，这是一个由承包商McDemott International于2021年实现的50MW试点项目，在运行超过1500幼时后成功并入德克萨斯州电网”。

NET Power目前在德克萨斯州的奥德萨开发其首座贸易工厂，该工厂预计将于2027年投入运营。

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图5：NET Power的Allam Fetved循环

显然，超临界二氧化碳循环领域极度活跃。多多钻研机构都在从事有关钻研，甚至还有利用sCO2动力循环的贸易规模项目在开发中。

鉴于这些动力循环效能更高且投资更低，预计该技术将在电力行业得到宽泛利用。sCO2动力循环的发展还能进一步加快，由于它可能与新能源共同优良，例如：

· 聚光太阳能发电
· 地热能发电
· 核能
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