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什么是超临界二氧化碳动力循环？

2025/6/24
随着全球向碳中和目标迈进 ，能源结构正加速转向低碳和清洁化。在此背景下 ，沙巴公司官网科技秉持“融慧创新 ，生态科技”的使命 ，将可持续发展理念深度融入技术研发 ，致力于减少能源生产过程中的碳排放和资源消耗 ，推动绿色未来。

为此 ，沙巴公司官网科技持续投入力量 ，深入研究超临界二氧化碳动力循环系统及其核心部件——换热器。超临界二氧化碳动力循环是一种前景广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相似之处 ，但驱动流体不是水（蒸汽） ，而是CO2。预计其安装成本会大幅降低 ，同时效率也会大幅提高。因此 ，它在电力行业引起了广泛关注 ，众多研究机构正在对其进行研究和开发。

sCO2布雷顿循环具有可扩展性 ，能够应用于大多数热源 ，在核能、太阳能热能、地热能和化石燃料发电等应用中都具有广泛的适用性。

文章将进一步解释什么是超临界二氧化碳动力循环 ，然后探讨这些动力循环的几个应用。

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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 ，既不是明显的液体也不是气体。这种状态使CO2在发电方面展现出诸多优势。与使用水或蒸汽作为工作流体的传统蒸汽循环不同 ，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。这使得系统更加紧凑 ，组件更小 ，可降低资本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布雷顿循环的效率通常高于传统蒸汽动力循环。其热效率可超过45% ，具体取决于循环配置 ，而高温蒸汽朗肯系统的热效率约为35%。

与其它动力循环类似 ，sCO2动力循环也需要热源。热量通过主热交换器输入系统。热交换器的类型选择取决于热源。例如 ，如果热源是烟道气中的废热 ，则需要在烟道气管道中安装管束式热交换器。但如果是来自聚光太阳能或核反应堆熔盐中的热量 ，印刷电路板式换热器（PCHE）将是更合适的选择。在动力循环中 ，还将有回热器在不同涡轮机段的sCO2之间进行热交换 ，以提高效率。

该循环还需要将热量散发到散热器中。这里的主要选择在于是采用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循环冷却方案的研究指出 ，“与竞争的蒸汽朗肯循环相比 ，sCO2系统的关键优势之一在于消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动力循环的研究项目和应用实例

1、超临界二氧化碳变压发电（STEP）试验工厂
美国的STEP示范工厂是一项重大投资 ，旨在验证基于sCO2的发电技术 ，提高效率 ，降低成本并减少排放。该项目涉及公私合作 ，展示了sCO2技术在各种应用中的潜力。

GTl Energy牵头这项1.59亿美元的政府与行业合作项目 ，与西南研究院、通用电气研究院以及美国能源部国家能源技术实验室携手合作。

2、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的CARBOSOLA项目
在CARBOSOLA项目框架内 ，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf完成了以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： 沙巴公司官网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简单循环燃气轮机。在安装这些设备时 ，能源效率并非首要考虑因素。然而 ，燃气轮机排出的高温烟气直接排放到大气中 ，浪费了宝贵的热量。相反 ，这些热量可以通过热回收装置收集起来 ，并作为sCO2动力循环的一部分。

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图3：简单循环燃气轮机

现有装置可通过拆除旧的烟囱 ，安装旁通烟囱和热回收系统来进行升级。热回收系统包含管束 ，二氧化碳流经其中并借助烟道气进行加热。

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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）是一种非常特殊的sCO2动力循环。在该循环中 ，天然气与纯氧一起燃烧。燃烧室的高压废气被供应到涡轮膨胀机 ，离开膨胀机后 ，混合物被冷却 ，分离出液态水。然后 ，近乎纯净的二氧化碳工作流体进入压缩和泵送阶段 ，为再循环做准备。该过程的设计使几乎所有的二氧化碳都能实现几乎零排放。

美国NET Power正在对这种动力循环进行商业化开发。“该公司在得克萨斯州拉波特的示范工厂成功验证了富氧燃烧超临界二氧化碳动力循环 ，这是一个由承包商McDemott International于2021年完成的50MW试点项目 ，在运行超过1500小时后成功并入德克萨斯州电网”。

NET Power目前正在德克萨斯州的奥德萨开发其首座商业工厂 ，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十分活跃。众多研究机构都在从事相关研究 ，甚至还有利用sCO2动力循环的商业规模项目正在开发中。

鉴于这些动力循环效率更高且投资更低 ，预计该技术将在电力行业得到广泛应用。sCO2动力循环的发展还能进一步加快 ，因为它能够与新能源配合良好 ，例如：

· 聚光太阳能发电
· 地热能发电
· 核能
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