1．目的及意义

1.选题的目的及意义

1.1 选题的目的及意义

人类一直面临两大难题系能源和环境问题。所以开发新型环保能源，提高能源转换率是亟需解决的问题。近几年由于超临界二氧化碳闭式循环的高效环保性，被越来越多的学者视为未来发电的主要发展方向。超临界CO2发电与太阳能热发电结合，可以提高太阳能转换效率；与核反应堆结合，可获得比传统反应较高的核电转换效率，对核电的应用有着更深远的意义。

超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环以处于超临界状态的二氧化碳（临界压力7.38 MPa，临界温度 30.98℃）为工质，采用布雷顿循环原理实现能量转换。相比当前大规模使用的蒸汽动力循环，S-CO2布雷顿循环高温（一般高于 400℃）下的能量转换效率更高，且涡轮系统和冷却设备的体积仅相当于蒸汽系统对应设备体积的十分之一；相比于常规气体布雷顿循环，其压缩过程参数位于工质临界点附近的特点使得压缩功耗显著降低，循环效率明显提高。因此对闭式循环压缩特性实验系统的设计与研究有助于对超临界二氧化碳布雷顿循环进行进一步的了解，有望于对开发新型环保能源，提高能源转换率做出贡献。

1.2 国内外的研究现状分析

关于超临界CO₂的研究可追溯到1970年代对透平的研究。由于其功率密度高，叶片的应力很大，其轮盘和叶片需要一次性整体加工，当时的加工工艺难以满足。直到1990年代中期，五轴加工中心广泛使用，涡轮制造工艺得以突破，才开始商业化产品的研发。对于这种新型发动机的研发，美国目前走在世界的前列。美国能源部（DOE）从2004年开始该项目的研发，目标是为核电站、太阳能光热发电、余热利用等研发下一代动力设备。同时，日本也在加紧研制此类设备。日本东芝与美国Exelon和CBamp;I从2012年6月开始合作，力争在2017年完成250MW级商业电站的超临界CO₂发电系统的研发。东芝现正研制20MWe（50MWt）样机，并已完成超临界CO₂循环压力燃烧试验，压力已达30MPa。

超临界CO₂布雷顿循环机组已有些单位在研究。有为出口温度低的反应堆做能量转换用于核工业的；现在大力研究用于太阳热发电的。对其中的技术难点，已做过不少试验，取得了些经验。如美国桑迪亚国家实验室在2007~2009年做了大量试验。在机组高转速下，测量超临界CO₂流体的进口压力、出口压力、温度、流量、耗功等等，积累了大量数据。

我国航空工业，机械工业都有布雷顿循环燃气轮机的研发和制造能力，尤其航空工业能生产各种功率等级，大量的布雷顿循环航空发动机产品。如能充分利用航空技术基础和设备条件，早日开展超临界CO₂布雷顿循环的机组研发生产，则既可装备使用清洁能源的基本负荷电厂，也可装备中小电厂就地供电。西安热工研究院有限公司国家能源清洁高效火力发电技术研发中心的赵新宝、鲁金涛等对水蒸气、含硫气 体(1mg/L 量级)、空气掺杂等对超临界 CO₂ 腐蚀行为影响规律及机理进行了研究，并着重介绍可S-CO₂ 布雷顿循环的技术特征，评述了其在火电、核电等领域应用的研究现状。 根据 S-CO₂布雷顿循环服役特征和关键部件需求，介绍了目前电站常用的铁素体和奥氏体耐热钢、镍 基高温合金在超临界二氧化碳中的腐蚀情况。合肥工业大学黄潇立、王俊峰等教授，在设备模 型构建和初始条件假设的基础上，研究系统采用再压缩循环的热力学特性和参数限制条件。针对进出口温差较大的热源系统，提出了复叠式分流循环方案，开展热力学特性分析和评价，并与再压缩循环进行定量比较，得出各自的适用对象。另外清华大学核能与新能源技术研究院文也通过建立二氧化碳布雷顿再压缩循环模型，研究了各参数对循环效率的影响及各参数间的关系，并对循环参数进行优化，阐述二氧化碳循环高效能量转换的机理。

整体来看，超临界CO₂循环系统的研发在全球范围内目前仍是一个新课题，但其优良的特性和对发电技术可能带来的颠覆已经受到了越来越广泛的认知，其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快。