超临界状态CO2工质

2022年年12月8日的新闻，中国华能集团公司自主研发一套超临界CO2循环工质发电实验机组，完成了72小时的试运行，并开始正式投产。

1、热能机械电力能量转换过程

自从瓦特发明蒸汽机以来，火和水一直主导着热能机械电力能量转换过程，瓦特的蒸汽机就是通过煤炭燃烧水，转化为蒸汽推动活塞运动产生机械动力。直到现在仍然在使用这个原理来进行火力发电，只不过将活塞往复运动，变成驱动蒸汽轮机转动，驱动发电机组或者使用斯特林发动机发电。水和蒸汽在整个过程中只是起到一个传递能量的工质而已。一直以来，水都是一个很不错的能量传递工质，便宜可靠、随取随用，不管是火力发电站或者是核电站都大量使用水和蒸汽发电。

2、物质状态变化过程

物质的气态和液态之间的区别在于它们的密度不同。如果给一个气液共存的平衡体系不断升温并加压的话，热膨胀会使液体密度不断减小，而同时气体密度却随着压强的增大而不断增大，当温度和压强升高到一定程度时，气态和液态的密度趋于相等，它们之间的分界线也就消失了，物质的这种状态就是它的临界状态。当物质达到超临界状态时，气体物质可以像液体一样流动，而液体可以像气体一样被压缩，此刻的气液状态非常近似，超临界的液体比原本的物质液体状态，拥有更好的流动性和热传导性。利用超临界状态来作为发电系统的能量传输工质，可以大大降低传输过程的能量损耗。

3、水的状态变化

当压力达到220个大气压、温度达到374℃时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的气体。这时水便由一般状态变成为“超临界水”。使水气交融的压力和温度，被称作“临界点”。超过“临界点”状态的水，就是超临界水。要使水达到超临界状态，高温和高压都必须满足条件，而且水的超临界状态具有一定的氧化和腐蚀性，对系统强度和抗腐蚀能力要求很高。

4、CO2的状态变化及替代水的优势

控制CO2的温度和压力，使这温度和压两力个参数同时达到某一临界值，CO2也将会处于一种特殊的超临界状态。具体而言，温度为31℃，气压为72.8个地表大气压之时，CO2就会变成超临界流体。此时，CO2可以像液体那样流动，但又能像气体一样能被压缩，放到容器中也能像气体一样膨胀充满整个容器。超临界CO2具有出色的流动性和热传导性，比液体水、水蒸气具有更小的摩擦阻力，并且有更好的化学稳定性，作为工质可以将更多热源的热量转化为机械能。

CO2临界温度和压力远低于水的临界点，容易达到超临界状态，超临界CO2是一种非常稠密的流体，兼具气体特性，粘性小，流动性强，系统循环损耗小，具有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强。有利于工程应用。把推动蒸汽轮机的水蒸气换成超临界状态的CO2，利用高温高压的超临界CO2，推动气轮机，将热能转化为机械能也就具有更高的效率和更多的优势。CO2相对比较廉价，且容易获得，CO2的高温性质比较稳定，不易燃，对金属腐蚀性弱，CO2动力循环兼具了蒸汽和燃气循环的所有优点，且避免了他们各自的缺点。超临界CO2循环无相变，压缩过程中压缩功耗有效减小，只占涡轮输出功率的30%，而常规氦气循环要占到45%左右，燃气轮机则更高，要占到50～60%。超临界CO2温度达550℃时，超临界CO2发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45%以上。随着温度的升高，效率也会进一步升高。超临界CO2发电系统的体积小、重量轻，约为传统蒸汽发电系统的50%多。超临界CO2发电系统中的循环介质为CO2，在全循环过程中，CO2均处于超临界状态，不发生相变，密度大，动能大，冷却器、管路附件尺寸小。

对于旋转类机械设备，通常其振动特征频率主要集中在轴频以上。超临界CO2发电系统一般采用高速涡轮机发电机组，转速高，以高频振动线谱为主，噪声低，有利于隔振降噪。

超临界状态的CO2作为工质发电整个循环是全密闭系统，不泄漏和损耗CO2，也无需大量消耗水资源，可应用于淡水资源不易得的环境，比如沙漠，潜艇，外太空等。

5、超临界状态的CO2作为发电工质存在的问题

超临界CO2物理特性、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会偏离理想气体，特别是在近临界区和跨临界点时，热力参数呈非线性变化，其独特物性带来的流体流动和换热规律的特殊性，会使系统变工况运行和负荷调节控制难度变大，因此需要大量实验数据作为技术支撑，全而掌握超临界CO2物性、换热规律。超临界CO2发电系统运行状态控制难度大，需要开展控制技术研究。系统循环的高效率是建立在CO2仍处于32℃，7.4MPa超临界状态的临界点上，当系统输出需求发生变化时，整个系统的热量获取、冷却量供给、高速涡轮发电机、高速压气机的转速均要做相应调整，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。系统材料耐压、耐高温、耐腐蚀要求高，需要研究高性能材料。为实现高效率，必须提高系统热力循环的温度、压力，要求超临界CO2热力循环压力达15～32MPa温度达550℃以上。为了满足高温高压参数要求，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、检验探伤等工艺则需要技术突破。

6、超临界状态的CO2的应用前景

超临界CO2布雷顿循环由于效率高、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。超临界CO2布雷顿循环的核反应堆，包括钠冷堆、铅冷堆和熔盐堆等。超临界CO2布雷顿循环除了效率高、体积小等优势外，在安全性上与采用蒸汽系统相比有了极大改善。超临界CO2布雷顿循环可用于太阳能发电，并且能使太阳能光热式发电效率提高8%以上，使太阳能光热发电成本大幅降低，提高其竞争力。

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CO2发电系统效率高、体积小，对于提高发电效率，节省能源，减小发电系统体积和重量等诸多方而均有优势。所以，该系统在舰船上具有极大的应用价值。

我国目前正在实验运行的钍熔盐核反应堆、大功率斯特林发动机、太阳能熔盐发电站都有一定的相关性，超临界状态的CO2作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化石燃料燃烧等。显然如果超临界CO2发电系统一旦技术成熟，不仅应用于民用发电站，甚至在军用舰船潜艇等环境中都能普及应用。