电力在日常生活和工业生产中发挥着不可或缺的作用。传统电力来源主要是利用煤炭燃烧过程产生的热量将水烧开变为高温高压的水蒸气，然后推动蒸汽轮机做功发电。但目前，社会发展面临着能源和环境两大难题，面对制约发展的瓶颈，亟需开发新型清洁能源、提高能源利用效率。
超临界CO2工质密度接近液体，黏性接近气体，压缩性好、传热效率高、流动性强、无毒稳定、廉价易得、做功能力强。因此，一种采用超临界二氧化碳替代水做工质的发电技术——超临界CO2布雷顿循环发电系统被提出，该系统具有高效、紧凑、灵活、环境友好、经济性好等优点，被认为是未来发电的重要方向之一。
如图1所示，一个简单的超临界CO2布雷顿循环发电闭式循环系统由压缩机、回热器、加热器、高速涡轮、冷却器、发电机等设备构成。其工作过程是：1）低温低压的超临界CO2工质经过压缩机压缩增压；2）工质经回热器高温侧预热后进入加热器，利用热源将超临界CO2工质等压加热；3）高温高压的超临界CO2工质进入涡轮推动涡轮做功，涡轮带动发电机发电；4）工质做功后经回热器低压侧冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，再进入压缩机形成闭式循环。
图1 超临界CO2发电系统流程图
超临界CO2黏性小，传递性和扩散性好，高密度使流体压强很高，循环系统损耗小。循环过程无变相，循环压缩做功有效减小，只占涡轮输出功的30%；而常规氦气循环压缩做功要占到涡轮输出功的45%左右，燃气轮机压缩做功要占到涡轮输出功的50%~60%。采用多级循环的方式，在热源温度为550℃时，超临界CO2发电系统的热电转换效率为45%左右；温度为700℃时，发电系统热电转换效率可达50%左右。效率高于现役大型超超临界蒸汽循环发电机组，也高于氦气
循环发电系统，如图2所示。
图2 不同工质发电循环效率对比
CO2工质在循环中均处于超临界状态，不发生相变，密度大、动能大。相对于水蒸汽或氦气工质，涡轮所需级数更少，尺寸更小，且涡轮和压缩机可一体化同轴布置；回热器、冷却器、管路附件等尺寸均可相应减小；不需大量锅炉管道设备。整个系统结构简单、紧凑、体积更小，可实现模块化建造。在相同发电能力条件下，超临界CO2、氦气、水蒸汽3种工质所需的涡轮体积之比约为1︰6︰30，如图3所示。
图3 不同工质发电循环涡轮尺寸对比
运行噪声主要来自于旋转设备的振动，通常振动特征频率集中在轴频以上。超临界CO2发电系统一般采用高速涡轮发电机，转速高，以高频振动线谱为主，有利于隔振降噪。此外，主要运动设备全部采用高速回转运动形式，涡轮、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。
超临界CO2布雷顿循环热机效率高，且核心设备结构简单，可模块化制造，降低了发电站的建设成本和运营成本。据测算，超临界CO2布雷顿循环热机用于火力发电，成本约为0.173元/kW·h，低于600℃超超临界电站发电成本；用于集中式光热发电（CSP），成本约为0.414元/kW·h。
超临界CO2布雷顿循环发电系统，具有高效、环保等特点，被视为未来发电的主要发展方向之一，在诸多领域有良好的应用前景，如图4所示。
图4 超临界二氧化碳布雷顿循环潜在应用领域
目前，核能发电是国内外对超临界CO2布雷顿循环最主要的研究领域。超临界CO2可作为堆芯冷却剂或能量转换工质，用于第四代核电系统中的高温气冷堆及钠冷快堆、铅冷快堆等。超临界CO2的特性，相对于氦气作为冷却剂，可较大降低压缩功耗，同时实现中等堆芯出口温度下较高的热力效率，减轻了对材料及工业制造技术的苛刻要求；与传统蒸汽系统相比，安全性有了极大提高。超临界CO2布雷顿循环对核能发电的应用有着更深远的影响。
超临界CO2布雷顿循环所需的温度为500℃~700℃，恰好是太阳能光热发电的聚光器和热接收器应用现有技术即可实现的温度。以太阳能聚光作为热源，将超临界CO2布雷顿循环应用于聚光型太阳能光热发电系统，技术集成难度较小，可提高太阳能光热发电效率、降低成本，提高太阳能发电的竞争力。
舰船内部空间狭小，对船内设备的体积限制严格。超临界CO2发电系统在提高发电效率、节省能源、减小发电系统体积和重量、降低噪声影响等诸多方面具有优势，在舰船上有巨大的应用价值。尤其是超临界CO2布雷顿循环应用于大型军舰核反应堆，已引起美国等国家的高度重视和大力研发。
在氧环境中直接燃烧天然气、煤制气等矿石燃料，产生超临界状态CO2驱动涡轮机发电。发电后的CO2流体经过简单处理，一部分继续循环发电，多余部分可直接进入碳捕集与利用技术（CCUS）环节。对于实现低成本的碳捕集与利用，实现火电站真正的近零排放具有重要意义。远期有望成为现役蒸气循环火力发电的替代技术，并适合用作下一代整体煤气化燃气-蒸气联合循环（IGCC）和煤炭联产系统的主机。
工业余热是低品位的热能资源，但其广泛分布在工业生产各领域，且储藏量巨大。工业废热中一小部分得以利用，也可提供数量可观的能量。超临界CO2布雷顿循环在中等压力（8M~20MPa）和中等温度（200℃~650℃）条件下具有高于其他同类热电系统的效率，并且系统紧凑、体积小、可模块化生产、便于安装。应用于工业余热发电具有良好的经济性。 第一章：
美国Echogen动力系统公司制造出了世界首套商用超临界CO2发电机组EPS100。采用双轴回热闭式循环，由一台变转速透平驱动压气机，另一台恒转速透平带动发电机，但实际运行采用跨临界朗肯循环。该机组利用532℃烟气作为热源，功率为8MW，发电效率24%，可用作燃气轮机底循环。
美国贝泰船用推进公司（BMPC）搭建了100kW级超临界CO2布雷顿循环试验系统，采用双轴回热闭式循环，发电效率约为18%。
美国桑迪亚国家实验室建成了超临界CO2布雷顿循环原型机，能够开展回热循环、再压缩循环、间冷再热再压缩循环等多种循环试验。最大压力12.5MPa，透平初温342℃，透平转速52,000r/min，效率5%。
美国海军所属诺尔斯原子能实验室（KAPL）与贝蒂斯实验室（BL）正在探索基于超临界CO2布雷顿循环的船舶动力系统，已于2010年建成100kW试验装置。
美国西南研究院、GTI Energy公司和GE Vernora公司联合建设10MW超临界CO2布雷顿动力循环，目前该项目已经机械完工。
日本东芝公司开发完成了直接燃烧超临界CO2半闭环式布雷顿循环样机，以矿石燃料、氧气、CO2为混合流体的燃烧介质。其中CO2占95%，燃烧室前压力30MPa，燃烧室出口温度1150℃。试验样机额定功率25MW，将验证10MW级直接燃烧式超临界CO2电站的可行性。在样机的基础上，计划进一步研究和推动250MW直接燃烧式发电系统的建设。
中科院工程热物理研究所完成了MW级超临界CO2布雷顿循环关键部件的研制工作，具备了超临界CO2涡轮、压缩机设计的能力；基于换热器多个参数间“分布耦合、协同优化”的新思想，开发了多种具有自主知识产权的新型换热板型及换热器结构形式，探索了全温全压全尺寸百MW级超临界CO2高低温回热器、冷却器研制技术，形成了基于“通道-芯体-整体”由局部到整体的换热器设计方法，由部件到系统层面的多参数多目标的换热器协同优化技术，以及基于传热强化新理论的新型高效换热结构开发的创新思路；建成国内首座全温全压条件下大功率超临界CO2系统换热器综合试验平台，可开展宽温度和压力范围内超临界CO2换热器流动传热性能测试研究。
依托国家发改委大科学装置项目，中科院工程热物理研究所在上海临港正在建设超临界CO2布雷顿循环试验测试平台，2025年可开放测试功能。西安热工院建成5MW超临界CO2循环发电试验机组，并完成72小时试运行，该机组容量为目前世界最大，核心设备国产化率达到100%，打破了国外公司在该领域的长期垄断地位。
图7 5MW超临界CO2布雷顿发电系统
供稿：换热技术中心 张凯
编辑：王博
