什么是超臨界二氧化碳動力循環？
隨著全球向碳中和目標邁進，能源結構正加速轉向低碳和清潔化。在此背景下，沈氏科技秉持“融慧創新，生態科技”的使命，將可持續發展理念深度融入技術研發，致力于減少能源生產過程中的碳排放和資源消耗，推動綠色未來。
為此，沈氏科技持續投入力量，深入研究超臨界二氧化碳動力循環系統及其核心部件——換熱器。超臨界二氧化碳動力循環是一種前景廣闊的低碳環保發電技術，它能有效提高傳統能源的利用率、降低排放，并兼容太陽能、地熱能、核能等清潔能源。
一、什么是超臨界二氧化碳動力循環？
sCO2布雷頓循環具有可擴展性，能夠應用于大多數熱源，在核能、太陽能熱能、地熱能和化石燃料發電等應用中都具有廣泛的適用性。
文章將進一步解釋什么是超臨界二氧化碳動力循環，然后探討這些動力循環的幾個應用。
二氧化碳臨界溫度為304.128K，30.9780℃，87.7604℉；臨界壓力為7.3773 MPa，72.808 atm，1070.0 psi，73.773bar。
sCO2布雷頓循環的效率通常高于傳統蒸汽動力循環。其熱效率可超過45%，具體取決于循環配置，而高溫蒸汽朗肯系統的熱效率約為35%。
與其它動力循環類似，sCO2動力循環也需要熱源。熱量通過主熱交換器輸入系統。熱交換器的類型選擇取決于熱源。例如，如果熱源是煙道氣中的廢熱，則需要在煙道氣管道中安裝管束式熱交換器。但如果是來自聚光太陽能或核反應堆熔鹽中的熱量，印刷電路板式換熱器（PCHE）將是更合適的選擇。在動力循環中，還將有回熱器在不同渦輪機段的sCO2之間進行熱交換，以提高效率。
該循環還需要將熱量散發到散熱器中。這里的主要選擇在于是采用與環境空氣進行冷卻（干式冷卻）還是使用冷卻水。一項針對sCO2循環冷卻方案的研究指出，“與競爭的蒸汽朗肯循環相比，sCO2系統的關鍵優勢之一在于消除了動力循環中的用水量”。當然，這主張使用干式冷卻。
圖1：sCO2功率循環流程（布雷頓循環）
二、使用sCO2動力循環的研究項目和應用實例
美國的STEP示范工廠是一項重大投資，旨在驗證基于sCO2的發電技術，提高效率，降低成本并減少排放。該項目涉及公私合作，展示了sCO2技術在各種應用中的潛力。
GTl Energy牽頭這項1.59億美元的政府與行業合作項目，與西南研究院、通用電氣研究院以及美國能源部國家能源技術實驗室攜手合作。
2、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的CARBOSOLA項目
在CARBOSOLA項目框架內，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf完成了以sCO2為工作流體的運行技術規模設施的設計和調試工作。該設施可實現高達520℃的溫度和300bar的壓力，以及1.32千克/秒的質量流量。
圖2： 沈氏科技印刷電路板式換熱器（PCHE）
3、將燃氣輪機的廢熱轉化為電能
偏遠的油氣田通常使用簡單循環燃氣輪機。在安裝這些設備時，能源效率并非首要考慮因素。然而，燃氣輪機排出的高溫煙氣直接排放到大氣中，浪費了寶貴的熱量。相反，這些熱量可以通過熱回收裝置收集起來，并作為sCO2動力循環的一部分。
圖3：簡單循環燃氣輪機
現有裝置可通過拆除舊的煙囪，安裝旁通煙囪和熱回收系統來進行升級。熱回收系統包含管束，二氧化碳流經其中并借助煙道氣進行加熱。
圖4：燃氣輪機后sCO2動力循環余熱回收
4、Allam-Fetvedt循環零排放發電
Allam-Fetvedt循環（AFC）是一種非常特殊的sCO2動力循環。在該循環中，天然氣與純氧一起燃燒。燃燒室的高壓廢氣被供應到渦輪膨脹機，離開膨脹機后，混合物被冷卻，分離出液態水。然后，近乎純凈的二氧化碳工作流體進入壓縮和泵送階段，為再循環做準備。該過程的設計使幾乎所有的二氧化碳都能實現幾乎零排放。
美國NET Power正在對這種動力循環進行商業化開發。“該公司在得克薩斯州拉波特的示范工廠成功驗證了富氧燃燒超臨界二氧化碳動力循環，這是一個由承包商McDemott International于2021年完成的50MW試點項目，在運行超過1500小時后成功并入德克薩斯州電網”。
NET Power目前正在德克薩斯州的奧德薩開發其首座商業工廠，該工廠預計將于2027年投入運營。
圖5：NET Power的Allam Fetved循環
顯然，超臨界二氧化碳循環領域十分活躍。眾多研究機構都在從事相關研究，甚至還有利用sCO2動力循環的商業規模項目正在開發中。
鑒于這些動力循環效率更高且投資更低，預計該技術將在電力行業得到廣泛應用。sCO2動力循環的發展還能進一步加快，因為它能夠與新能源配合良好，例如：
· 聚光太陽能發電
· 地熱能發電
· 核能
