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所謂超(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化(hua)碳(tan)布雷(lei)頓循環(huan)(huan)，就是(shi)(shi)用(yong)超(chao)臨(lin)界(jie)狀態的(de)(de)二(er)氧化(hua)碳(tan)作為工質的(de)(de)渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)發動(dong)機(ji)熱(re)循環(huan)(huan)。但(dan)和(he)一(yi)般的(de)(de)燃(ran)氣輪(lun)(lun)機(ji)不同(tong)的(de)(de)是(shi)(shi)，這種燃(ran)氣輪(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)燃(ran)燒(shao)室(shi)不燃(ran)燒(shao)燃(ran)料，而是(shi)(shi)用(yong)于外(wai)部熱(re)源(yuan)對(dui)二(er)氧化(hua)碳(tan)進行加熱(re)。超(chao)臨(lin)界(jie)狀態的(de)(de)二(er)氧化(hua)碳(tan)在經過壓(ya)氣機(ji)壓(ya)縮(suo)后，進入燃(ran)燒(shao)室(shi)由(you)外(wai)部熱(re)源(yuan)加熱(re)，加熱(re)后的(de)(de)高(gao)溫超(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化(hua)碳(tan)驅動(dong)渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)，由(you)渦(wo)(wo)輪(lun)(lun)驅動(dong)壓(ya)氣機(ji)和(he)對(dui)外(wai)輸(shu)出功(gong)率，作功(gong)之(zhi)后的(de)(de)二(er)氧化(hua)碳(tan)再(zai)回到壓(ya)氣機(ji)再(zai)被壓(ya)縮(suo)，如(ru)此循環(huan)(huan)往復。

不難看出，這(zhe)(zhe)在本質上，就是一個(ge)和斯(si)特林發動機一樣的外燃式閉循環(huan)熱(re)(re)機。如(ru)果(guo)用太(tai)陽(yang)能光熱(re)(re)系統(tong)(tong)作為這(zhe)(zhe)個(ge)系統(tong)(tong)的外部(bu)熱(re)(re)源，就是一個(ge)不需(xu)要“燒開(kai)水”，也不需(xu)要消(xiao)耗燃料的純太(tai)陽(yang)能光熱(re)(re)發電系統(tong)(tong)。

二氧(yang)(yang)化碳(tan)有(you)一個(ge)很獨特的物(wu)理性質：當溫度達到30.98℃，壓力達到7.38MPa時，其物(wu)理狀(zhuang)態(tai)介于液體(ti)(ti)(ti)和(he)氣體(ti)(ti)(ti)之(zhi)間，密(mi)度接近于液體(ti)(ti)(ti)，粘(zhan)度接近于氣體(ti)(ti)(ti)，擴散系數約為(wei)液體(ti)(ti)(ti)的100倍。這種狀(zhuang)態(tai)，稱為(wei)“超臨(lin)界”狀(zhuang)態(tai)。處于超臨(lin)界狀(zhuang)態(tai)下的二氧(yang)(yang)化碳(tan)，密(mi)度比(bi)氣體(ti)(ti)(ti)大，粘(zhan)性比(bi)液體(ti)(ti)(ti)小，具有(you)流動性強、傳熱效率高(gao)、可(ke)壓縮性小等特點。

二氧(yang)化(hua)碳(tan)的臨界(jie)條件容易(yi)達(da)到，化(hua)學性質不活潑，無色(se)無味無毒，安全，價格便宜，純度(du)高，易(yi)獲得。這(zhe)些特性，使得它很適合用于作為熱力循(xun)環工(gong)質。

超(chao)臨(lin)界(jie)二氧化碳布雷頓循環的相關(guan)研(yan)究，國際上早在20世(shi)紀(ji)六七十年代就開始了。由于其功率密度(du)高(gao)，對(dui)輪盤和葉片的性能(neng)要(yao)求(qiu)很高(gao)，當時的加工(gong)工(gong)藝(yi)難(nan)以滿足。直到90年代以后，隨(sui)著高(gao)精度(du)數控機床(chuang)的應用(yong)，相關(guan)制(zhi)造工(gong)藝(yi)得以突破，相關(guan)的研(yan)制(zhi)工(gong)作才(cai)開始進行。

本(ben)世(shi)紀(ji)以來，在能(neng)源、環保問(wen)題加劇的(de)(de)情況下，超臨界二(er)(er)氧化碳布雷(lei)頓(dun)循環技術更是引起各國(guo)的(de)(de)關(guan)注(zhu)。美國(guo)在這方(fang)面尤(you)其積(ji)極，美國(guo)能(neng)源部（DOE）于2011年開(kai)始(shi)實施太陽能(neng)應用領域的(de)(de)“Sunshot”攻關(guan)計(ji)劃(hua)，該項(xiang)目(mu)(mu)中的(de)(de)超臨界二(er)(er)氧化碳布雷(lei)頓(dun)循環系統研發項(xiang)目(mu)(mu)的(de)(de)主體項(xiang)目(mu)(mu)為10MW超臨界二(er)(er)氧化碳發電機組項(xiang)目(mu)(mu)研發和測試(shi)，由美國(guo)桑迪(di)亞（Sandia）國(guo)家實驗(yan)室-核能(neng)系統實驗(yan)室（NESL）承擔(dan)相關(guan)的(de)(de)實驗(yan)研究。

經(jing)過(guo)測試(shi)證(zheng)明(ming)，S-CO2作為工質的(de)光(guang)熱發電(dian)系(xi)統(tong)在600到(dao)700℃的(de)溫度范圍內(nei)運行都(dou)可(ke)以(yi)有(you)良好(hao)表現，可(ke)以(yi)在500℃以(yi)上(shang)、20MPa的(de)大氣壓(ya)下實(shi)現高效(xiao)(xiao)率的(de)熱能利用，熱效(xiao)(xiao)率可(ke)以(yi)達到(dao)45%以(yi)上(shang)。對于(yu)需要(yao)建(jian)設大規(gui)模鏡場，因而投資巨大，需要(yao)高效(xiao)(xiao)率發電(dian)方式的(de)光(guang)熱發電(dian)來說，這顯然是一個理想(xiang)的(de)選擇。目前(qian)，美國、日本、印度都(dou)已(yi)經(jing)建(jian)成了相關的(de)實(shi)驗系(xi)統(tong)。

對(dui)于中國(guo)的(de)(de)(de)超臨界二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)布雷頓循環(huan)研(yan)究(jiu)(jiu)來說，剛剛過去(qu)的(de)(de)(de)2018年(nian)(nian)是非常重(zhong)要的(de)(de)(de)一年(nian)(nian)。2018年(nian)(nian)2月(yue)，由中國(guo)科學(xue)院工程熱物理研(yan)究(jiu)(jiu)所研(yan)制的(de)(de)(de)國(guo)內首臺(tai)MW級超臨界二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)壓縮(suo)機，在中國(guo)航發沈陽黎(li)明航空發動機有(you)限責(ze)任(ren)公司(si)燃氣輪機分公司(si)完成加(jia)工裝(zhuang)配，成功交付工程熱物理研(yan)究(jiu)(jiu)所衡水基地。壓縮(suo)機是超臨界二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)布雷頓循環(huan)系統的(de)(de)(de)核(he)心部件之一，它的(de)(de)(de)研(yan)制成功，是我(wo)國(guo)在超臨界二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)布雷頓循環(huan)系統研(yan)究(jiu)(jiu)領域的(de)(de)(de)一次重(zhong)大(da)突破。

圖：國內首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機（由(you)中科院工程熱物理研究(jiu)所研制）

2018年9月(yue)21日，我(wo)國首座大型(xing)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)壓(ya)縮(suo)機實驗(yan)平臺(tai)(tai)(tai)在衡(heng)水基(ji)地正式建成。實驗(yan)平臺(tai)(tai)(tai)是用于測試(shi)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)壓(ya)縮(suo)機工作(zuo)性(xing)能(neng)和(he)開展(zhan)超臨(lin)(lin)界(jie)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)流體(ti)壓(ya)縮(suo)特(te)性(xing)相關(guan)基(ji)礎實驗(yan)的通(tong)用平臺(tai)(tai)(tai)，還可以(yi)用于開展(zhan)高速轉子測試(shi)、軸承測試(shi)和(he)密封測試(shi)等實驗(yan)。

該平(ping)臺可調制7-9MPa、0-35℃的(de)(de)亞臨(lin)界(jie)或超(chao)(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化碳，壓(ya)縮(suo)機出口壓(ya)力可以(yi)達(da)到(dao)20MPa以(yi)上；轉(zhuan)子轉(zhuan)速最高(gao)可達(da)40000r/min以(yi)上，流(liu)量(liang)最大達(da)到(dao)30kg/s；可進(jin)行百kW到(dao)MW級(ji)超(chao)(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化碳壓(ya)縮(suo)機的(de)(de)精密(mi)連續(xu)測試，是目前我國(guo)唯一的(de)(de)兆(zhao)瓦(wa)級(ji)超(chao)(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化碳壓(ya)縮(suo)機實(shi)驗(yan)(yan)平(ping)臺，也是世界(jie)上規模最大等(deng)級(ji)最高(gao)的(de)(de)同類實(shi)驗(yan)(yan)平(ping)臺。該兆(zhao)瓦(wa)級(ji)超(chao)(chao)臨(lin)界(jie)二(er)氧化碳壓(ya)縮(suo)機通用實(shi)驗(yan)(yan)平(ping)臺的(de)(de)建成投運(yun)，終結了(le)我國(guo)相關研究缺(que)乏實(shi)驗(yan)(yan)條件的(de)(de)歷史(shi)。

2018年(nian)11月，我國(guo)首座“雙回(hui)路(lu)全(quan)(quan)溫(wen)全(quan)(quan)壓超(chao)臨(lin)(lin)(lin)界二氧化碳(tan)(tan)（S-CO2）換熱(re)器綜合試(shi)驗測試(shi)平(ping)臺”在中(zhong)國(guo)科(ke)學院工(gong)程(cheng)熱(re)物(wu)理研究(jiu)所廊(lang)坊中(zhong)試(shi)基地(di)建成。衡水兆瓦(wa)級(ji)超(chao)臨(lin)(lin)(lin)界二氧化碳(tan)(tan)壓縮機通用(yong)實驗平(ping)臺和廊(lang)坊雙回(hui)路(lu)全(quan)(quan)溫(wen)全(quan)(quan)壓超(chao)臨(lin)(lin)(lin)界二氧化碳(tan)(tan)換熱(re)器綜合試(shi)驗測試(shi)平(ping)臺的(de)(de)建成，為工(gong)程(cheng)熱(re)物(wu)理研究(jiu)所深入開(kai)展超(chao)臨(lin)(lin)(lin)界二氧化碳(tan)(tan)循(xun)環(huan)發(fa)(fa)電系統(tong)的(de)(de)研究(jiu)打下堅實的(de)(de)基礎(chu)，也為國(guo)內從事此項研究(jiu)的(de)(de)其(qi)它科(ke)研單位提供(gong)了(le)實驗平(ping)臺支(zhi)撐。對于中(zhong)國(guo)超(chao)臨(lin)(lin)(lin)界二氧化碳(tan)(tan)布雷頓(dun)循(xun)環(huan)技(ji)術的(de)(de)發(fa)(fa)展來說，這是具有里程(cheng)碑意義的(de)(de)大事。

由于(yu)超臨界(jie)二氧化碳密度(du)(du)高，循(xun)環簡(jian)單(dan)，所(suo)以機組重量輕，尺寸小（僅(jin)為汽輪機的(de)1/10）；超臨界(jie)二氧化碳布雷頓循(xun)環僅(jin)需外(wai)界(jie)提(ti)供(gong)500到(dao)800℃的(de)溫度(du)(du)，這是應用現有太陽能(neng)聚光器和吸熱器技術就能(neng)很容(rong)易達到(dao)的(de)的(de)溫度(du)(du)。

可以(yi)預見(jian)，在(zai)國內科(ke)研單(dan)位的(de)(de)努力下，我國研制出具(ju)有自主知識產(chan)(chan)權的(de)(de)超臨界二氧化碳布(bu)雷頓循環系統將(jiang)指(zhi)日可待。這將(jiang)徹底解決(jue)我國太(tai)(tai)陽能光(guang)熱資(zi)源豐(feng)富(fu)的(de)(de)西部地(di)區水(shui)資(zi)源缺乏，不適合(he)建設以(yi)汽輪機為(wei)動力裝(zhuang)置的(de)(de)大型光(guang)熱電(dian)(dian)站的(de)(de)問題，為(wei)中國太(tai)(tai)陽能光(guang)熱發(fa)電(dian)(dian)產(chan)(chan)業開創(chuang)更光(guang)明的(de)(de)未(wei)來。