2022年年12月8日的新聞，中國華能集團公司自主研發(fā)一套超臨界CO2循環(huán)工質(zhì)發(fā)電實驗機組，完成了72小時的試運行，并開始正式投產(chǎn)。

1、熱能機械電力能量轉(zhuǎn)換過程

自從瓦特發(fā)明蒸汽機以來，火和水一直主導著熱能機械電力能量轉(zhuǎn)換過程，瓦特的蒸汽機就是通過煤炭燃燒水，轉(zhuǎn)化為蒸汽推動活塞運動產(chǎn)生機械動力。直到現(xiàn)在仍然在使用這個原理來進行火力發(fā)電，只不過將活塞往復運動，變成驅(qū)動蒸汽輪機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動發(fā)電機組或者使用斯特林發(fā)動機發(fā)電。水和蒸汽在整個過程中只是起到一個傳遞能量的工質(zhì)而已。一直以來，水都是一個很不錯的能量傳遞工質(zhì)，便宜可靠、隨取隨用，不管是火力發(fā)電站或者是核電站都大量使用水和蒸汽發(fā)電。

2、物質(zhì)狀態(tài)變化過程

物質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)之間的區(qū)別在于它們的密度不同。如果給一個氣液共存的平衡體系不斷升溫并加壓的話，熱膨脹會使液體密度不斷減小，而同時氣體密度卻隨著壓強的增大而不斷增大，當溫度和壓強升高到一定程度時，氣態(tài)和液態(tài)的密度趨于相等，它們之間的分界線也就消失了，物質(zhì)的這種狀態(tài)就是它的臨界狀態(tài)。當物質(zhì)達到超臨界狀態(tài)時，氣體物質(zhì)可以像液體一樣流動，而液體可以像氣體一樣被壓縮，此刻的氣液狀態(tài)非常近似，超臨界的液體比原本的物質(zhì)液體狀態(tài)，擁有更好的流動性和熱傳導性。利用超臨界狀態(tài)來作為發(fā)電系統(tǒng)的能量傳輸工質(zhì)，可以大大降低傳輸過程的能量損耗。

3、水的狀態(tài)變化

當壓力達到220個大氣壓、溫度達到374℃時，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同。此時，水的液體和氣體便沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的氣體。這時水便由一般狀態(tài)變成為“超臨界水”。使水氣交融的壓力和溫度，被稱作“臨界點”。超過“臨界點”狀態(tài)的水，就是超臨界水。要使水達到超臨界狀態(tài)，高溫和高壓都必須滿足條件，而且水的超臨界狀態(tài)具有一定的氧化和腐蝕性，對系統(tǒng)強度和抗腐蝕能力要求很高。

4、CO2的狀態(tài)變化及替代水的優(yōu)勢

控制CO2的溫度和壓力，使這溫度和壓兩力個參數(shù)同時達到某一臨界值，CO2也將會處于一種特殊的超臨界狀態(tài)。具體而言，溫度為31℃，氣壓為72.8個地表大氣壓之時，CO2就會變成超臨界流體。此時，CO2可以像液體那樣流動，但又能像氣體一樣能被壓縮，放到容器中也能像氣體一樣膨脹充滿整個容器。超臨界CO2具有出色的流動性和熱傳導性，比液體水、水蒸氣具有更小的摩擦阻力，并且有更好的化學穩(wěn)定性，作為工質(zhì)可以將更多熱源的熱量轉(zhuǎn)化為機械能。

CO2臨界溫度和壓力遠低于水的臨界點，容易達到超臨界狀態(tài)，超臨界CO2是一種非常稠密的流體，兼具氣體特性，粘性小，流動性強，系統(tǒng)循環(huán)損耗小，具有液體特性，密度大、傳熱效率高、做功能力強。有利于工程應用。把推動蒸汽輪機的水蒸氣換成超臨界狀態(tài)的CO2，利用高溫高壓的超臨界CO2，推動氣輪機，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能也就具有更高的效率和更多的優(yōu)勢。CO2相對比較廉價，且容易獲得，CO2的高溫性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易燃，對金屬腐蝕性弱，CO2動力循環(huán)兼具了蒸汽和燃氣循環(huán)的所有優(yōu)點，且避免了他們各自的缺點。超臨界CO2循環(huán)無相變，壓縮過程中壓縮功耗有效減小，只占渦輪輸出功率的30%，而常規(guī)氦氣循環(huán)要占到45%左右，燃氣輪機則更高，要占到50～60%。超臨界CO2溫度達550℃時，超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化為輸出電能的效率一般可達45%以上。隨著溫度的升高，效率也會進一步升高。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)的體積小、重量輕，約為傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的50%多。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為CO2，在全循環(huán)過程中，CO2均處于超臨界狀態(tài)，不發(fā)生相變，密度大，動能大，冷卻器、管路附件尺寸小。

對于旋轉(zhuǎn)類機械設備，通常其振動特征頻率主要集中在軸頻以上。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)一般采用高速渦輪機發(fā)電機組，轉(zhuǎn)速高，以高頻振動線譜為主，噪聲低，有利于隔振降噪。

超臨界狀態(tài)的CO2作為工質(zhì)發(fā)電整個循環(huán)是全密閉系統(tǒng)，不泄漏和損耗CO2，也無需大量消耗水資源，可應用于淡水資源不易得的環(huán)境，比如沙漠，潛艇，外太空等。

5、超臨界狀態(tài)的CO2作為發(fā)電工質(zhì)存在的問題

超臨界CO2物理特性、換熱規(guī)律復雜，需要系統(tǒng)性研究。超臨界流體不同于常規(guī)液體或氣體，在熱力學變化過程中會偏離理想氣體，特別是在近臨界區(qū)和跨臨界點時，熱力參數(shù)呈非線性變化，其獨特物性帶來的流體流動和換熱規(guī)律的特殊性，會使系統(tǒng)變工況運行和負荷調(diào)節(jié)控制難度變大，因此需要大量實驗數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐，全而掌握超臨界CO2物性、換熱規(guī)律。超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)控制難度大，需要開展控制技術(shù)研究。系統(tǒng)循環(huán)的高效率是建立在CO2仍處于32℃，7.4MPa超臨界狀態(tài)的臨界點上，當系統(tǒng)輸出需求發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的熱量獲取、冷卻量供給、高速渦輪發(fā)電機、高速壓氣機的轉(zhuǎn)速均要做相應調(diào)整，需要精確調(diào)節(jié)控制，確保系統(tǒng)仍處于超臨界狀態(tài)以上，才能使系統(tǒng)效率達到最優(yōu)。系統(tǒng)材料耐壓、耐高溫、耐腐蝕要求高，需要研究高性能材料。為實現(xiàn)高效率，必須提高系統(tǒng)熱力循環(huán)的溫度、壓力，要求超臨界CO2熱力循環(huán)壓力達15～32MPa溫度達550℃以上。為了滿足高溫高壓參數(shù)要求，加熱器、渦輪機、發(fā)電機的材料都必須具有高強度、耐高溫、耐腐蝕性的特點，設備的加工、生產(chǎn)、熱處理、檢驗探傷等工藝則需要技術(shù)突破。

6、超臨界狀態(tài)的CO2的應用前景

超臨界CO2布雷頓循環(huán)由于效率高、系統(tǒng)體積小、噪聲低等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域具有很好的應用前景。超臨界CO2布雷頓循環(huán)的核反應堆，包括鈉冷堆、鉛冷堆和熔鹽堆等。超臨界CO2布雷頓循環(huán)除了效率高、體積小等優(yōu)勢外，在安全性上與采用蒸汽系統(tǒng)相比有了極大改善。超臨界CO2布雷頓循環(huán)可用于太陽能發(fā)電，并且能使太陽能光熱式發(fā)電效率提高8%以上，使太陽能光熱發(fā)電成本大幅降低，提高其競爭力。

艦船內(nèi)部空間有限，對船內(nèi)設備體積限制要求嚴格，而超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)效率高、體積小，對于提高發(fā)電效率，節(jié)省能源，減小發(fā)電系統(tǒng)體積和重量等諸多方而均有優(yōu)勢。所以，該系統(tǒng)在艦船上具有極大的應用價值。

我國目前正在實驗運行的釷熔鹽核反應堆、大功率斯特林發(fā)動機、太陽能熔鹽發(fā)電站都有一定的相關(guān)性，超臨界狀態(tài)的CO2作為工質(zhì)，將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為機械能，其熱源可來自核反應堆、太陽能、地熱能、工業(yè)廢熱、化石燃料燃燒等。顯然如果超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)一旦技術(shù)成熟，不僅應用于民用發(fā)電站，甚至在軍用艦船潛艇等環(huán)境中都能普及應用。