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水蒸汽朗肯循環熱功轉換是主流發電技術。目前大型燃煤發電機組主蒸汽溫度已達630℃，進一步提升效率受到材料制約，700℃蒸汽溫度下鋼材腐蝕嚴重，限制了主蒸汽參數的提高。超臨界二氧化碳動力循環，簡稱S-CO2循環，采用CO2實現熱功轉換。S-CO2循環有三個優勢。首先，CO2化學性質穩定，高溫下與金屬材料反應弱，為進一步提高主蒸汽參數奠定了基礎；其次，當主蒸汽溫度超過550℃時，S-CO2循環效率高于水蒸汽朗肯循環；再次，S-CO2循環系統高壓運行，系統緊湊。

20世(shi)紀(ji)60年(nian)代就提出了S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)，在(zai)其后的幾十年(nian)內并未受到重視。近(jin)(jin)20年(nian)來，由于面臨能(neng)源和(he)(he)環(huan)(huan)境(jing)的雙重壓力(li)，S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)重新受到國(guo)(guo)際學術(shu)界(jie)和(he)(he)工業(ye)(ye)界(jie)關(guan)(guan)注，各國(guo)(guo)都投(tou)入了相當的人力(li)物(wu)力(li)研(yan)(yan)(yan)發該前(qian)沿能(neng)源技(ji)術(shu)。目(mu)前(qian)，S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)處(chu)于基礎研(yan)(yan)(yan)究(jiu)階段，實驗研(yan)(yan)(yan)究(jiu)集中在(zai)關(guan)(guan)鍵部件(jian)及小容量機組測(ce)試上(shang)，人類要(yao)實現大規模(mo)CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)發電，有(you)許多(duo)研(yan)(yan)(yan)發工作要(yao)做。近(jin)(jin)日，華北(bei)電力(li)大學徐進良教(jiao)(jiao)授(shou)團隊及西(xi)安交(jiao)通大學李明佳教(jiao)(jiao)授(shou)等在(zai)ENERGY上(shang)發表論文(wen)，綜述了S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)進展，科學問題，技(ji)術(shu)瓶頸(jing)，解決對策及未來工作，為該領(ling)域的發展提供了專業(ye)(ye)的見解。

1.S-CO2與金屬材料相容性問題

二氧化碳在(zai)高溫(wen)高壓(ya)環境下(xia)與(yu)(yu)金屬(shu)材(cai)料的化學反應速(su)率(lv)決(jue)定(ding)了(le)循環所(suo)能(neng)采(cai)用(yong)(yong)的最高主蒸汽溫(wen)壓(ya)參數(shu)，與(yu)(yu)機組發(fa)電效(xiao)率(lv)密切相關。目前，已(yi)對S-CO2與(yu)(yu)金屬(shu)的相容性(xing)進行了(le)一(yi)些(xie)實驗(yan)，但數(shu)據還(huan)不能(neng)支撐(cheng)大規(gui)模(mo)機組的設(she)計和運(yun)行，體現(xian)在(zai)以(yi)下(xia)幾個方面：(i)采(cai)用(yong)(yong)高純(chun)度CO2測試，與(yu)(yu)機組實際運(yun)行工況有(you)偏離；(ii)測試時間不夠(gou)長；(iii)采(cai)用(yong)(yong)增(zeng)重法(fa)表征化學反應速(su)率(lv)，建(jian)議采(cai)用(yong)(yong)減重法(fa)更有(you)價值。總之，建(jian)議測試并建(jian)立(li)S-CO2與(yu)(yu)典型金屬(shu)材(cai)料，包(bao)括合(he)金鋼的化學反應速(su)率(lv)數(shu)據庫，進行合(he)理評(ping)估，以(yi)支撐(cheng)S-CO2機組的設(she)計和運(yun)行。

2.S-CO2循環的選擇

再壓(ya)縮(suo)（RC）、再壓(ya)縮(suo)+中間(jian)冷卻(que)（RC+IC）與再壓(ya)縮(suo)+再熱(re)（RC+RH）是基本的循(xun)環(huan)(huan)形式。已經(jing)證明(ming)，間(jian)冷能(neng)(neng)夠(gou)降(jiang)低(di)壓(ya)氣(qi)機(ji)耗功，可適(shi)當提(ti)高(gao)機(ji)組效率(lv)，但再熱(re)對提(ti)升效率(lv)更加明(ming)顯。當S-CO2循(xun)環(huan)(huan)與不(bu)同熱(re)源(yuan)耦(ou)合(he)時(shi)(shi)，難以找到一(yi)個固定(ding)循(xun)環(huan)(huan)，適(shi)合(he)不(bu)同熱(re)源(yuan)（太(tai)陽能(neng)(neng)、核(he)能(neng)(neng)、化(hua)石(shi)能(neng)(neng)源(yuan)及余熱(re)）。例(li)如，再壓(ya)縮(suo)循(xun)環(huan)(huan)與太(tai)陽能(neng)(neng)或核(he)能(neng)(neng)耦(ou)合(he)時(shi)(shi)，由于(yu)熱(re)源(yuan)跨越(yue)溫(wen)區(qu)較窄(zhai)，比較適(shi)合(he)，但再壓(ya)縮(suo)循(xun)環(huan)(huan)不(bu)適(shi)合(he)余熱(re)利用(yong)(yong)。對于(yu)大規模(mo)S-CO2燃煤(mei)動力系統，由于(yu)S-CO2循(xun)環(huan)(huan)主要適(shi)合(he)中高(gao)溫(wen)熱(re)源(yuan)，全溫(wen)區(qu)吸(xi)收煙(yan)(yan)氣(qi)熱(re)量是最大挑戰。近來，Xu等提(ti)出(chu)了(le)S-CO2循(xun)環(huan)(huan)的全溫(wen)區(qu)吸(xi)收煙(yan)(yan)氣(qi)熱(re)量方法，分別采(cai)用(yong)(yong)頂循(xun)環(huan)(huan)和(he)底循(xun)環(huan)(huan)吸(xi)收高(gao)溫(wen)和(he)中溫(wen)煙(yan)(yan)氣(qi)熱(re)量，空氣(qi)預熱(re)器吸(xi)收低(di)溫(wen)煙(yan)(yan)氣(qi)熱(re)量，解決了(le)這(zhe)一(yi)難題。另外，現有文獻分析(xi)循(xun)環(huan)(huan)時(shi)(shi)，大多沒有和(he)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)的熱(re)工水(shui)力特性進行耦(ou)合(he)。S-CO2循(xun)環(huan)(huan)的特點是循(xun)環(huan)(huan)流量特別大，相同功率(lv)下(xia)，S-CO2循(xun)環(huan)(huan)流量是水(shui)蒸汽朗肯循(xun)環(huan)(huan)的~6倍(bei)以上，導致S-CO2在關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)流動時(shi)(shi)產生明(ming)顯的堵塞效應，即壓(ya)降(jiang)懲(cheng)罰(fa)效應。鑒于(yu)此(ci)，Xu等提(ti)出(chu)1/8減阻原理，由此(ci)產生S-CO2鍋爐的模(mo)塊化(hua)設計(ji)，解決了(le)這(zhe)一(yi)難題。

當(dang)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)用(yong)于不同(tong)熱(re)(re)源(yuan)時，存(cun)在(zai)直(zhi)接式(shi)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)和(he)(he)間(jian)(jian)接式(shi)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)之分。在(zai)直(zhi)接式(shi)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)中，S-CO2直(zhi)接吸(xi)收熱(re)(re)源(yuan)熱(re)(re)量(liang)，效(xiao)率高(gao)(gao)，但(dan)存(cun)在(zai)嚴(yan)重(zhong)的傳熱(re)(re)問題(ti)，例如(ru)，對(dui)于直(zhi)接式(shi)太陽能(neng)(neng)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)，太陽能(neng)(neng)吸(xi)熱(re)(re)器溫度高(gao)(gao)，熱(re)(re)應力大，安全問題(ti)嚴(yan)重(zhong)。間(jian)(jian)接式(shi)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)采(cai)用(yong)其它工質，如(ru)熔融鹽吸(xi)收太陽能(neng)(neng)熱(re)(re)量(liang)，熔融鹽回路和(he)(he)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)回路采(cai)用(yong)中間(jian)(jian)換熱(re)(re)器進行(xing)耦(ou)合。在(zai)進行(xing)循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)研究時，現(xian)有文獻主要關(guan)(guan)注S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)本身，對(dui)熱(re)(re)源(yuan)和(he)(he)S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)的耦(ou)合環(huan)(huan)(huan)節關(guan)(guan)注不夠。S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)效(xiao)率高(gao)(gao)并不代表整個(ge)系統效(xiao)率高(gao)(gao)。因(yin)此，我(wo)們建(jian)議：(i)提(ti)出(chu)適合于不同(tong)熱(re)(re)源(yuan)特點的循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)結構；(ii)研究S-CO2循(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)與(yu)關(guan)(guan)鍵部件熱(re)(re)工水力特性的耦(ou)合機(ji)理(li)。

循(xun)環分析的(de)合(he)理性取決于(yu)關鍵部件的(de)效率(lv)(lv)。在現有文獻(xian)中，壓(ya)(ya)氣機(ji)(ji)和(he)透平(ping)效率(lv)(lv)均(jun)假(jia)設在0.9以(yi)上，缺(que)少足夠的(de)實(shi)驗(yan)數據(ju)支撐。壓(ya)(ya)氣機(ji)(ji)和(he)透平(ping)分為徑流式和(he)軸(zhou)流式，分別適合(he)于(yu)小容量(liang)機(ji)(ji)組(zu)和(he)大容量(liang)機(ji)(ji)組(zu)。小容量(liang)機(ji)(ji)組(zu)的(de)透平(ping)效率(lv)(lv)很(hen)難達到(dao)0.9，大容量(liang)機(ji)(ji)組(zu)旋轉機(ji)(ji)械效率(lv)(lv)亟(ji)需進行理論和(he)實(shi)驗(yan)研(yan)究。

3.S-CO2換熱器

3.1S-CO2傳熱基礎理論

S-CO2傳熱發生(sheng)在S-CO2循環的(de)多(duo)種設備中(zhong)，如中(zhong)間(jian)換熱器、回熱器和冷(leng)卻器等。實(shi)驗(yan)方(fang)面，現(xian)(xian)用(yong)S-CO2傳熱數(shu)(shu)據局限于小(xiao)直徑(jing)管道和較低溫(wen)壓(ya)參(can)數(shu)(shu)，實(shi)驗(yan)數(shu)(shu)據集中(zhong)在~8MPa附近。實(shi)際運(yun)行時，壓(ya)力至少(shao)大于20MPa，約為CO2臨界壓(ya)力的(de)3倍以上(shang)，熱流密(mi)度遠大于100kW/m2。一些傳熱關聯式僅適用(yong)于研究者自(zi)己的(de)參(can)數(shu)(shu)范圍，難以擴展到參(can)數(shu)(shu)范圍之外。理(li)論方(fang)面，已進(jin)行了較多(duo)的(de)S-CO2傳熱數(shu)(shu)值模(mo)擬，但缺乏(fa)公認的(de)湍流模(mo)型，在不同條件下(xia)都具(ju)有(you)良好的(de)預測精度。現(xian)(xian)有(you)超臨界傳熱理(li)論框架基(ji)于單相均勻的(de)物質(zhi)結構，強調物性變化、浮生(sheng)力和加(jia)速效應對S-CO2傳熱的(de)影響。

超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)研究(jiu)的(de)(de)目的(de)(de)是確(que)保受熱(re)(re)(re)面安全，如(ru)何預測傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)惡化是非常重要的(de)(de)問(wen)題，超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)惡化機(ji)理(li)仍(reng)然(ran)是懸而(er)未決的(de)(de)問(wen)題。鑒于(yu)單相流體理(li)論框架不能很好解釋及預測超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)危機(ji)，Zhu等(deng)引(yin)入Pseudo-boiling(類(lei)沸(fei)騰(teng))處理(li)S-CO2傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)，核心思想是將(jiang)加給超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)流體的(de)(de)熱(re)(re)(re)量分(fen)為兩(liang)部(bu)(bu)分(fen)，一部(bu)(bu)分(fen)用(yong)于(yu)流體升溫，另一部(bu)(bu)分(fen)用(yong)于(yu)“沸(fei)騰(teng)”相變。將(jiang)亞臨(lin)(lin)(lin)界(jie)壓(ya)力(li)的(de)(de)氣泡生(sheng)(sheng)長和超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)壓(ya)力(li)的(de)(de)類(lei)汽膜生(sheng)(sheng)長進行(xing)類(lei)比，提出(chu)新的(de)(de)無(wu)量綱參數(shu)(shu)：超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)沸(fei)騰(teng)數(shu)(shu)SBO，以(yi)判斷傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)惡化的(de)(de)發(fa)生(sheng)(sheng)。在寬廣實驗參數(shu)(shu)范(fan)(fan)圍(wei)內，發(fa)現存在確(que)定的(de)(de)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)SBO數(shu)(shu)5.126×10-4，當(dang)SBO數(shu)(shu)大于(yu)該臨(lin)(lin)(lin)界(jie)值(zhi)時，發(fa)生(sheng)(sheng)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)惡化，佐證(zheng)了超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)流體的(de)(de)異質結構(gou)(structure of gas-like fluid and liquid-like fluid)。S-CO2傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)研究(jiu)建議如(ru)下：(i)進行(xing)更(geng)加寬廣參數(shu)(shu)范(fan)(fan)圍(wei)的(de)(de)實驗研究(jiu)；(ii)提高(gao)超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)數(shu)(shu)值(zhi)模擬的(de)(de)精度(du)；(iii)發(fa)展通用(yong)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)系數(shu)(shu)關聯式；(iv)研究(jiu)超(chao)(chao)臨(lin)(lin)(lin)界(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)的(de)(de)類(lei)沸(fei)騰(teng)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)機(ji)理(li)。

3.2直接/間接S-CO2循環加熱器

S-CO2循(xun)(xun)(xun)環加熱(re)(re)器擔負吸收熱(re)(re)源(yuan)熱(re)(re)量的(de)重任。第四代先進核電站概念設計采用(yong)直接(jie)或間(jian)(jian)接(jie)式S-CO2循(xun)(xun)(xun)環。對于間(jian)(jian)接(jie)S-CO2循(xun)(xun)(xun)環，中(zhong)(zhong)間(jian)(jian)換熱(re)(re)器是耦合(he)(he)反應(ying)堆一回(hui)路和S-CO2循(xun)(xun)(xun)環二回(hui)路的(de)紐(niu)帶，應(ying)加強(qiang)氣(qi)冷(leng)堆高(gao)溫氣(qi)體(ti)和S-CO2耦合(he)(he)傳熱(re)(re)研(yan)(yan)究，加強(qiang)液態(tai)金屬(shu)堆中(zhong)(zhong)池式液態(tai)金屬(shu)和S-CO2耦合(he)(he)傳熱(re)(re)研(yan)(yan)究。有專家提(ti)出直接(jie)式S-CO2核能系統，限(xian)于S-CO2冷(leng)卻(que)堆芯(xin)的(de)能力，難度較大。

太陽能聚(ju)焦熱發電（CSP）S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)也分為直(zhi)接(jie)(jie)和(he)(he)間接(jie)(jie)循(xun)(xun)(xun)環(huan)。在(zai)(zai)直(zhi)接(jie)(jie)循(xun)(xun)(xun)環(huan)中(zhong)，S-CO2在(zai)(zai)太陽能吸熱器(solarreceiver)中(zhong)直(zhi)接(jie)(jie)吸收(shou)太陽能，系統(tong)效率較高，但(dan)由于(yu)熱流密(mi)度的不均勻分布及熱應力問(wen)題(ti)，嚴重威脅吸熱器安全，應加強實驗和(he)(he)理論研(yan)究，為太陽能S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)設計(ji)和(he)(he)運行(xing)提供支(zhi)撐。在(zai)(zai)間接(jie)(jie)S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)中(zhong)，熔鹽(yan)可作為吸收(shou)太陽能的熱載體，應解決(jue)熔鹽(yan)腐蝕、泄漏、堵塞等技術難題(ti)。

對于(yu)化(hua)石能源(yuan)S-CO2電站(zhan)，S-CO2流經S-CO2鍋爐(lu)的各(ge)級受(shou)熱(re)(re)(re)(re)(re)面（冷卻壁(bi)、再(zai)熱(re)(re)(re)(re)(re)器和過熱(re)(re)(re)(re)(re)器等），如(ru)何確保鍋爐(lu)安全運行是重(zhong)中之重(zhong)。首先，應對循環要求，CO2進入鍋爐(lu)的溫(wen)度比水蒸(zheng)汽鍋爐(lu)高，例如(ru)520oC,導致鍋爐(lu)受(shou)熱(re)(re)(re)(re)(re)面整(zheng)體溫(wen)度的上升；其次，S-CO2傳熱(re)(re)(re)(re)(re)系數一般在(zai)3-5kW/m2K，在(zai)200-300kW/m2熱(re)(re)(re)(re)(re)負(fu)荷下(xia)，CO2與管內壁(bi)溫(wen)差可達40-100K。近年來，我國在(zai)科技部重(zhong)點專項支(zhi)持下(xia)，圍繞S-CO2鍋爐(lu)壁(bi)溫(wen)控(kong)制，提(ti)出了耦合鍋側(ce)和爐(lu)側(ce)綜合調控(kong)方法及(ji)爐(lu)型(xing)設計，在(zai)爐(lu)側(ce)降(jiang)低并改善(shan)熱(re)(re)(re)(re)(re)負(fu)荷分布，在(zai)鍋側(ce)采用內螺(luo)紋(wen)管，調整(zheng)傳熱(re)(re)(re)(re)(re)管傾角(jiao)及(ji)管徑等，取得較好效果。

3.3印刷電路板換熱器（PCHE）

PCHE最初(chu)由英國(guo)(guo)Heatric公司(si)提出，可理解為(wei)一(yi)種更加緊(jin)湊的(de)(de)(de)(de)板式換熱(re)器。由于功率(lv)密度高(gao)和(he)體(ti)積小而備受青(qing)睞。S-CO2循環具有非常大(da)的(de)(de)(de)(de)系(xi)統內部(bu)回(hui)熱(re)，回(hui)熱(re)量(liang)可達凈(jing)輸出功的(de)(de)(de)(de)3-4倍，減(jian)(jian)小回(hui)熱(re)器尺寸對于整個系(xi)統緊(jin)湊化和(he)快的(de)(de)(de)(de)負荷響應速率(lv)非常重(zhong)要。已(yi)證明PCHE在小規模(mo)S-CO2循環中有效。美國(guo)(guo)NET Power公司(si)將(jiang)PCHE集(ji)成(cheng)(cheng)到一(yi)個50MWth的(de)(de)(de)(de)天然氣示范電廠的(de)(de)(de)(de)設計中。Zigzag是PCHE通(tong)道的(de)(de)(de)(de)傳統結(jie)構。近期的(de)(de)(de)(de)進展包括(kuo)(kuo)發展新的(de)(de)(de)(de)通(tong)道結(jie)構，例(li)如S型(xing)和(he)翼(yi)型(xing)(aerofoil)，減(jian)(jian)少(shao)PCHE阻力，提升PCHE綜合(he)傳熱(re)性能(neng)。亟(ji)待(dai)開展大(da)容(rong)量(liang)機組(>100MW級)采(cai)用PCHE的(de)(de)(de)(de)可行性研究，包括(kuo)(kuo)設計加工方(fang)法(fa)和(he)成(cheng)(cheng)本估算。目(mu)前(qian)認(ren)為(wei)PCHE有較好的(de)(de)(de)(de)傳熱(re)性能(neng)，但成(cheng)(cheng)本昂貴，如何降低成(cheng)(cheng)本很重(zhong)要。從運行角度，發展彎曲窄縫通(tong)道清除雜質的(de)(de)(de)(de)新方(fang)法(fa)也具有重(zhong)要意義(yi)。

3.4S-CO2旋轉機械

S-CO2旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)表(biao)現(xian)出新的(de)(de)特點：(i)高(gao)運(yun)(yun)行壓力和(he)低壓比(bi)；(ii)大軸向推力，軸承、密封和(he)轉(zhuan)(zhuan)子動力學問題嚴重；(iii)超高(gao)功(gong)率密度和(he)超高(gao)轉(zhuan)(zhuan)速。徑(jing)流(liu)式和(he)軸流(liu)式旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)分別適用于(yu)小容量和(he)大容量機(ji)(ji)組。現(xian)有大型旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)主(zhu)要(yao)基于(yu)理(li)(li)想氣體(ti)假設(she)(she)，但理(li)(li)想氣體(ti)假設(she)(she)用于(yu)S-CO2旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)設(she)(she)計時(shi)，實際(ji)(ji)運(yun)(yun)行特性參數(shu)與設(she)(she)計值產生(sheng)明顯(xian)偏離。S-CO2透平(ping)運(yun)(yun)行遠偏離臨界(jie)壓力，但S-CO2壓氣機(ji)(ji)運(yun)(yun)行可跨越臨界(jie)壓力，產生(sheng)明顯(xian)的(de)(de)實際(ji)(ji)氣體(ti)效(xiao)應(ying)(ying)。現(xian)有商業(ye)軟件數(shu)值模擬(ni)，難以捕捉實際(ji)(ji)氣體(ti)效(xiao)應(ying)(ying)，導(dao)致參數(shu)偏移(yi)。應(ying)(ying)發展新的(de)(de)數(shu)值模擬(ni)方法(fa)，考慮實際(ji)(ji)氣體(ti)效(xiao)應(ying)(ying)，提(ti)高(gao)S-CO2旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)數(shu)值模擬(ni)的(de)(de)精度、收斂性及計算速度，徹(che)底明晰S-CO2旋轉(zhuan)(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)熱功(gong)轉(zhuan)(zhuan)換機(ji)(ji)理(li)(li)。

國(guo)(guo)際(ji)上（美(mei)國(guo)(guo)、韓(han)國(guo)(guo)、中(zhong)國(guo)(guo)等）已(yi)建立(li)(li)了小容量(liang)S-CO2實(shi)驗系統(tong)，目前可(ke)得出如(ru)(ru)下結論：(i)已(yi)建立(li)(li)的(de)S-CO2實(shi)驗系統(tong)主要針對小容量(liang)機(ji)組(zu)并采用徑(jing)流式(shi)旋轉(zhuan)機(ji)械(xie)(xie)；(ii)小型(xing)實(shi)驗系統(tong)效率偏低(di)，關鍵輸出參數低(di)于(yu)設計值(zhi)(zhi)；(iii)二氧(yang)化碳嚴(yan)重泄漏，降低(di)了系統(tong)性能；(iv)大型(xing)軸(zhou)流式(shi)旋轉(zhuan)機(ji)械(xie)(xie)可(ke)能不(bu)會出現小型(xing)徑(jing)流式(shi)旋轉(zhuan)機(ji)械(xie)(xie)的(de)類似問題。建議的(de)研究(jiu)方(fang)(fang)向(xiang)如(ru)(ru)下：(i)發展(zhan)充(chong)分反映實(shi)際(ji)氣體效應的(de)數值(zhi)(zhi)模型(xing)及計算方(fang)(fang)法(fa)，提高設計精(jing)度；(ii)徹底解決(jue)軸(zhou)承(cheng)、密(mi)封(feng)、轉(zhuan)子動力穩定性等技術問題；(iii)提出S-CO2旋轉(zhuan)機(ji)械(xie)(xie)一體化解決(jue)方(fang)(fang)案；(iv)測試并提供S-CO2壓氣機(ji)和透(tou)平的(de)可(ke)靠(kao)效率數據。

3.5S-CO2循環的變工況和瞬態運行

變(bian)(bian)工(gong)(gong)況運(yun)行是指由于(yu)換(huan)熱(re)(re)器邊界條(tiao)件(jian)(jian)發(fa)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)，引(yin)起(qi)換(huan)熱(re)(re)器一側(ce)或兩側(ce)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)流量(liang)和(he)(he)溫度發(fa)生(sheng)變(bian)(bian)化(hua)，改變(bian)(bian)整個循(xun)(xun)環(huan)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)熱(re)(re)速率(lv)(lv)和(he)(he)溫壓參(can)數，從(cong)而(er)改變(bian)(bian)壓氣(qi)機和(he)(he)透(tou)平壓比，使(shi)發(fa)電(dian)量(liang)和(he)(he)循(xun)(xun)環(huan)效(xiao)率(lv)(lv)偏離設計值。壓氣(qi)機和(he)(he)回熱(re)(re)器由于(yu)存在實際(ji)氣(qi)體(ti)效(xiao)應(ying)(ying)，應(ying)(ying)引(yin)起(qi)重(zhong)視。變(bian)(bian)工(gong)(gong)況運(yun)行甚至可(ke)使(shi)超(chao)臨界循(xun)(xun)環(huan)轉(zhuan)換(huan)為跨臨界循(xun)(xun)環(huan)。Floyd等表(biao)明(ming)當(dang)冷源溫度從(cong)21℃提(ti)高(gao)(gao)到(dao)40℃時(shi)，實際(ji)氣(qi)體(ti)效(xiao)應(ying)(ying)引(yin)起(qi)壓比下降，導致發(fa)電(dian)量(liang)和(he)(he)效(xiao)率(lv)(lv)下降。為了在冷源溫度升(sheng)高(gao)(gao)時(shi)獲得恒定的(de)(de)(de)(de)功率(lv)(lv)和(he)(he)效(xiao)率(lv)(lv)，壓氣(qi)機應(ying)(ying)具有一定的(de)(de)(de)(de)自(zi)由度。對于(yu)太(tai)(tai)陽(yang)能S-CO2循(xun)(xun)環(huan)，應(ying)(ying)考(kao)慮太(tai)(tai)陽(yang)輻射(she)熱(re)(re)負荷和(he)(he)冷源溫度的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)。S-CO2循(xun)(xun)環(huan)瞬態分析(xi)(xi)和(he)(he)控制的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是確保在各種擾動條(tiao)件(jian)(jian)下，各部件(jian)(jian)能夠安全運(yun)行并維持超(chao)臨界壓力運(yun)行。總體(ti)上說，S-CO2循(xun)(xun)環(huan)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)工(gong)(gong)況及(ji)瞬態分析(xi)(xi)目前(qian)還處于(yu)起(qi)步(bu)階段(duan)，建(jian)議的(de)(de)(de)(de)研究方向為：(i)發(fa)展(zhan)適合于(yu)不(bu)同熱(re)(re)源S-CO2循(xun)(xun)環(huan)的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)工(gong)(gong)況及(ji)瞬態分析(xi)(xi)計算程序；(ii)建(jian)立S-CO2綜合示范系統(tong)，對關鍵部件(jian)(jian)及(ji)整個系統(tong)進行機理驗證(zheng)。

4.結論

S-CO2循(xun)(xun)環具有大(da)規模商業(ye)運行的潛(qian)力，S-CO2循(xun)(xun)環的研(yan)發面臨三(san)個方(fang)面的問(wen)題：

(i)缺(que)乏穩態和非穩態運行的(de)系統層面的(de)設(she)計和分析方法；

(ii)S-CO2能量(liang)傳遞和(he)轉換(huan)機理還未徹底明(ming)晰(xi)；

(iii)關鍵部件存在密封、泄漏(lou)和(he)轉子動(dong)力學穩定性(xing)等難(nan)題。

解決這些問題的措施是：

(i)提(ti)出(chu)適合于不同熱源(yuan)特(te)點的S-CO2循環，以提(ti)高(gao)全局的系統效率(lv)；

(ii)發(fa)展高精度數值模擬方法，進行實驗驗證，提高關鍵部件設計精度；

(iii)針對關(guan)鍵(jian)部件(jian)技術瓶頸，提出一(yi)體化解(jie)決方案，并在實際運行(xing)系統中得到(dao)驗(yan)證。