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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世紀60年代(dai)就提(ti)出(chu)了(le)S-CO2循(xun)環，在(zai)其后的(de)(de)幾(ji)十(shi)年內并未受到(dao)重視。近(jin)20年來，由于面臨能源(yuan)和(he)環境的(de)(de)雙重壓力(li)，S-CO2循(xun)環重新受到(dao)國際學(xue)術界和(he)工業界關注，各國都投入了(le)相(xiang)當的(de)(de)人(ren)(ren)力(li)物力(li)研(yan)發(fa)(fa)該前(qian)沿能源(yuan)技(ji)術。目前(qian)，S-CO2循(xun)環處(chu)于基礎研(yan)究(jiu)階段，實驗研(yan)究(jiu)集中在(zai)關鍵部件及小(xiao)容量機(ji)組測試上(shang)，人(ren)(ren)類要(yao)實現大規模(mo)CO2循(xun)環發(fa)(fa)電，有許(xu)多研(yan)發(fa)(fa)工作要(yao)做。近(jin)日，華北電力(li)大學(xue)徐進良教授(shou)團(tuan)隊及西(xi)安交通(tong)大學(xue)李明佳教授(shou)等在(zai)ENERGY上(shang)發(fa)(fa)表論(lun)文(wen)，綜(zong)述(shu)了(le)S-CO2循(xun)環研(yan)究(jiu)進展，科學(xue)問題，技(ji)術瓶頸，解決對策(ce)及未來工作，為該領域的(de)(de)發(fa)(fa)展提(ti)供(gong)了(le)專業的(de)(de)見(jian)解。

1.S-CO2與金屬材料相容性問題

二氧化碳在(zai)高溫高壓(ya)環境(jing)下與金(jin)屬材料(liao)的(de)化學(xue)(xue)(xue)反應(ying)速(su)率決定了(le)循(xun)環所能采(cai)用(yong)的(de)最高主蒸汽溫壓(ya)參數(shu)(shu)，與機(ji)組發電(dian)效率密切(qie)相關。目(mu)前，已對(dui)S-CO2與金(jin)屬的(de)相容性進(jin)行(xing)了(le)一(yi)些實驗，但數(shu)(shu)據(ju)還(huan)不能支(zhi)撐大規模機(ji)組的(de)設計(ji)和運(yun)行(xing)，體(ti)現在(zai)以下幾(ji)個方面：(i)采(cai)用(yong)高純(chun)度(du)CO2測(ce)(ce)試(shi)，與機(ji)組實際運(yun)行(xing)工況有(you)偏(pian)離；(ii)測(ce)(ce)試(shi)時間不夠長；(iii)采(cai)用(yong)增重法表征化學(xue)(xue)(xue)反應(ying)速(su)率，建議(yi)采(cai)用(yong)減重法更有(you)價值。總之(zhi)，建議(yi)測(ce)(ce)試(shi)并建立S-CO2與典型金(jin)屬材料(liao)，包括合(he)金(jin)鋼的(de)化學(xue)(xue)(xue)反應(ying)速(su)率數(shu)(shu)據(ju)庫，進(jin)行(xing)合(he)理評估，以支(zhi)撐S-CO2機(ji)組的(de)設計(ji)和運(yun)行(xing)。

2.S-CO2循環的選擇

再(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)（RC）、再(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)+中(zhong)間冷(leng)卻（RC+IC）與再(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)+再(zai)熱(re)(re)(re)(re)(re)（RC+RH）是基本的(de)(de)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)形(xing)式。已(yi)經(jing)證明，間冷(leng)能夠降(jiang)低(di)壓(ya)氣(qi)(qi)機耗功，可適(shi)當提(ti)高(gao)機組效率，但再(zai)熱(re)(re)(re)(re)(re)對提(ti)升效率更加(jia)明顯(xian)。當S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)與不(bu)同熱(re)(re)(re)(re)(re)源(yuan)耦(ou)合(he)時(shi)，難(nan)以(yi)找到一(yi)個固定(ding)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)，適(shi)合(he)不(bu)同熱(re)(re)(re)(re)(re)源(yuan)（太(tai)(tai)陽能、核能、化(hua)石能源(yuan)及余熱(re)(re)(re)(re)(re)）。例如，再(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)與太(tai)(tai)陽能或核能耦(ou)合(he)時(shi)，由于(yu)熱(re)(re)(re)(re)(re)源(yuan)跨越溫區較窄，比較適(shi)合(he)，但再(zai)壓(ya)縮(suo)(suo)(suo)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)不(bu)適(shi)合(he)余熱(re)(re)(re)(re)(re)利用。對于(yu)大(da)規模(mo)(mo)S-CO2燃煤動力(li)系統，由于(yu)S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)主要適(shi)合(he)中(zhong)高(gao)溫熱(re)(re)(re)(re)(re)源(yuan)，全溫區吸(xi)(xi)收(shou)煙(yan)氣(qi)(qi)熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)是最大(da)挑(tiao)戰。近來，Xu等提(ti)出了(le)(le)S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)的(de)(de)全溫區吸(xi)(xi)收(shou)煙(yan)氣(qi)(qi)熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)方法，分(fen)別(bie)采用頂(ding)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)和(he)底循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)吸(xi)(xi)收(shou)高(gao)溫和(he)中(zhong)溫煙(yan)氣(qi)(qi)熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)，空氣(qi)(qi)預熱(re)(re)(re)(re)(re)器吸(xi)(xi)收(shou)低(di)溫煙(yan)氣(qi)(qi)熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)，解決(jue)了(le)(le)這一(yi)難(nan)題(ti)。另外，現(xian)有文獻分(fen)析循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)時(shi)，大(da)多沒(mei)有和(he)關鍵部件的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)工(gong)水力(li)特性進行耦(ou)合(he)。S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)的(de)(de)特點是循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)流(liu)(liu)量(liang)特別(bie)大(da)，相同功率下，S-CO2循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)流(liu)(liu)量(liang)是水蒸汽朗肯循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)(huan)(huan)的(de)(de)~6倍以(yi)上，導致S-CO2在關鍵部件流(liu)(liu)動時(shi)產生明顯(xian)的(de)(de)堵塞(sai)效應，即壓(ya)降(jiang)懲罰(fa)效應。鑒(jian)于(yu)此，Xu等提(ti)出1/8減(jian)阻原理，由此產生S-CO2鍋爐(lu)的(de)(de)模(mo)(mo)塊化(hua)設計，解決(jue)了(le)(le)這一(yi)難(nan)題(ti)。

當S-CO2循(xun)環用于不(bu)(bu)同熱(re)源(yuan)時，存在(zai)(zai)直接(jie)式S-CO2循(xun)環和(he)間接(jie)式S-CO2循(xun)環之(zhi)分。在(zai)(zai)直接(jie)式S-CO2循(xun)環中，S-CO2直接(jie)吸收(shou)熱(re)源(yuan)熱(re)量，效率(lv)(lv)高，但存在(zai)(zai)嚴(yan)重的傳熱(re)問題，例如，對(dui)于直接(jie)式太陽能(neng)(neng)S-CO2循(xun)環，太陽能(neng)(neng)吸熱(re)器溫度高，熱(re)應力大，安全問題嚴(yan)重。間接(jie)式S-CO2循(xun)環采用其(qi)它工(gong)質，如熔融(rong)(rong)鹽(yan)吸收(shou)太陽能(neng)(neng)熱(re)量，熔融(rong)(rong)鹽(yan)回路和(he)S-CO2循(xun)環回路采用中間換熱(re)器進行(xing)耦合(he)。在(zai)(zai)進行(xing)循(xun)環研究時，現有文獻主要關注(zhu)S-CO2循(xun)環本身(shen)，對(dui)熱(re)源(yuan)和(he)S-CO2循(xun)環的耦合(he)環節關注(zhu)不(bu)(bu)夠。S-CO2循(xun)環效率(lv)(lv)高并不(bu)(bu)代表(biao)整個系統(tong)效率(lv)(lv)高。因此，我們(men)建(jian)議：(i)提出適合(he)于不(bu)(bu)同熱(re)源(yuan)特(te)點(dian)的循(xun)環結構；(ii)研究S-CO2循(xun)環與關鍵(jian)部件(jian)熱(re)工(gong)水力特(te)性的耦合(he)機理(li)。

循(xun)環分析(xi)的(de)合理性取決于(yu)關鍵部件的(de)效率。在(zai)現有文獻(xian)中，壓氣(qi)機(ji)(ji)和(he)透(tou)(tou)平(ping)效率均假設在(zai)0.9以上(shang)，缺少足夠的(de)實(shi)驗數據(ju)支撐。壓氣(qi)機(ji)(ji)和(he)透(tou)(tou)平(ping)分為(wei)徑(jing)流(liu)式(shi)和(he)軸流(liu)式(shi)，分別適合于(yu)小容(rong)量(liang)(liang)機(ji)(ji)組和(he)大容(rong)量(liang)(liang)機(ji)(ji)組。小容(rong)量(liang)(liang)機(ji)(ji)組的(de)透(tou)(tou)平(ping)效率很難達到(dao)0.9，大容(rong)量(liang)(liang)機(ji)(ji)組旋轉機(ji)(ji)械效率亟需(xu)進行理論和(he)實(shi)驗研究。

3.S-CO2換熱器

3.1S-CO2傳熱基礎理論

S-CO2傳熱(re)發生在(zai)S-CO2循環的(de)多種設備中(zhong)，如中(zhong)間換(huan)熱(re)器(qi)、回熱(re)器(qi)和冷卻器(qi)等。實驗方面，現用(yong)S-CO2傳熱(re)數(shu)據局限(xian)于(yu)(yu)小直徑管道和較低溫壓(ya)(ya)(ya)參(can)數(shu)，實驗數(shu)據集中(zhong)在(zai)~8MPa附近。實際運行時，壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)至(zhi)少大于(yu)(yu)20MPa，約(yue)為CO2臨界壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)的(de)3倍以(yi)上，熱(re)流密度遠大于(yu)(yu)100kW/m2。一些傳熱(re)關(guan)聯式僅適用(yong)于(yu)(yu)研究者自己(ji)的(de)參(can)數(shu)范圍，難以(yi)擴展到參(can)數(shu)范圍之外。理論方面，已進行了較多的(de)S-CO2傳熱(re)數(shu)值模(mo)擬，但缺(que)乏(fa)公認的(de)湍流模(mo)型，在(zai)不同條件下都具有(you)良(liang)好(hao)的(de)預測精度。現有(you)超臨界傳熱(re)理論框架基(ji)于(yu)(yu)單相均勻(yun)的(de)物質(zhi)結構，強調(diao)物性變化、浮生力(li)(li)和加速效應對S-CO2傳熱(re)的(de)影(ying)響。

超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是(shi)確保受熱(re)(re)面(mian)安全，如何預測(ce)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)惡(e)化是(shi)非常重要的(de)(de)(de)(de)問題(ti)，超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)惡(e)化機理(li)仍然是(shi)懸(xuan)而未(wei)決的(de)(de)(de)(de)問題(ti)。鑒于(yu)單相流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)理(li)論(lun)框架(jia)不能很好解釋及預測(ce)超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)危(wei)機，Zhu等(deng)引入Pseudo-boiling(類沸(fei)騰(teng)(teng)(teng))處理(li)S-CO2傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)，核心思想是(shi)將加給超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)量分為(wei)兩部(bu)分，一部(bu)分用(yong)于(yu)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)升溫，另(ling)一部(bu)分用(yong)于(yu)“沸(fei)騰(teng)(teng)(teng)”相變。將亞臨(lin)界(jie)(jie)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)氣泡(pao)生(sheng)長(chang)和(he)超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)壓力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)類汽(qi)膜生(sheng)長(chang)進(jin)行(xing)類比，提出新的(de)(de)(de)(de)無量綱參數(shu)(shu)：超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)沸(fei)騰(teng)(teng)(teng)數(shu)(shu)SBO，以判斷(duan)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)惡(e)化的(de)(de)(de)(de)發(fa)生(sheng)。在(zai)寬(kuan)廣實(shi)驗參數(shu)(shu)范圍(wei)內(nei)，發(fa)現存在(zai)確定的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)(jie)SBO數(shu)(shu)5.126×10-4，當SBO數(shu)(shu)大于(yu)該(gai)臨(lin)界(jie)(jie)值(zhi)時(shi)，發(fa)生(sheng)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)惡(e)化，佐(zuo)證了超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)異質(zhi)結構(structure of gas-like fluid and liquid-like fluid)。S-CO2傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)研(yan)究(jiu)建議如下：(i)進(jin)行(xing)更加寬(kuan)廣參數(shu)(shu)范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗研(yan)究(jiu)；(ii)提高超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)數(shu)(shu)值(zhi)模(mo)擬的(de)(de)(de)(de)精度；(iii)發(fa)展通用(yong)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)系數(shu)(shu)關(guan)聯式；(iv)研(yan)究(jiu)超(chao)臨(lin)界(jie)(jie)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)的(de)(de)(de)(de)類沸(fei)騰(teng)(teng)(teng)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)機理(li)。

3.2直接/間接S-CO2循環加熱器

S-CO2循環加熱(re)器擔負吸收熱(re)源(yuan)熱(re)量的重任。第四代先進核電站概念設計采用直接(jie)或間接(jie)式(shi)(shi)S-CO2循環。對于間接(jie)S-CO2循環，中間換熱(re)器是耦合反應堆(dui)(dui)一回路和S-CO2循環二(er)回路的紐帶，應加強氣冷(leng)(leng)堆(dui)(dui)高溫(wen)氣體和S-CO2耦合傳熱(re)研究，加強液態金屬(shu)堆(dui)(dui)中池(chi)式(shi)(shi)液態金屬(shu)和S-CO2耦合傳熱(re)研究。有專(zhuan)家提出(chu)直接(jie)式(shi)(shi)S-CO2核能系(xi)統(tong)，限于S-CO2冷(leng)(leng)卻堆(dui)(dui)芯的能力，難度較大。

太陽(yang)(yang)能(neng)聚(ju)焦熱(re)(re)發電（CSP）S-CO2循(xun)環也分為直接和間接循(xun)環。在(zai)直接循(xun)環中，S-CO2在(zai)太陽(yang)(yang)能(neng)吸熱(re)(re)器(qi)(qi)(solarreceiver)中直接吸收太陽(yang)(yang)能(neng)，系(xi)統效率(lv)較高，但由于熱(re)(re)流密度的不均勻分布及熱(re)(re)應(ying)力問題，嚴重(zhong)威脅(xie)吸熱(re)(re)器(qi)(qi)安全(quan)，應(ying)加強實驗和理論研究，為太陽(yang)(yang)能(neng)S-CO2循(xun)環設計和運行提供(gong)支撐。在(zai)間接S-CO2循(xun)環中，熔鹽可作為吸收太陽(yang)(yang)能(neng)的熱(re)(re)載體，應(ying)解(jie)決熔鹽腐蝕、泄漏、堵塞(sai)等技術(shu)難題。

對于化石能源S-CO2電站(zhan)，S-CO2流經S-CO2鍋(guo)爐(lu)的各級受(shou)熱(re)面(mian)（冷卻壁(bi)、再(zai)熱(re)器(qi)和(he)過熱(re)器(qi)等），如何確保鍋(guo)爐(lu)安全運行是(shi)重中之重。首先，應(ying)對循(xun)環要求，CO2進入鍋(guo)爐(lu)的溫(wen)度(du)比水蒸(zheng)汽鍋(guo)爐(lu)高，例(li)如520oC,導致(zhi)鍋(guo)爐(lu)受(shou)熱(re)面(mian)整(zheng)體(ti)溫(wen)度(du)的上升；其次，S-CO2傳熱(re)系數一般在3-5kW/m2K，在200-300kW/m2熱(re)負荷下，CO2與管(guan)內壁(bi)溫(wen)差可達40-100K。近(jin)年來(lai)，我(wo)國在科(ke)技部重點(dian)專項支持(chi)下，圍繞(rao)S-CO2鍋(guo)爐(lu)壁(bi)溫(wen)控制(zhi)，提出了耦合(he)鍋(guo)側(ce)(ce)和(he)爐(lu)側(ce)(ce)綜(zong)合(he)調控方法及爐(lu)型(xing)設計，在爐(lu)側(ce)(ce)降低并改善熱(re)負荷分布，在鍋(guo)側(ce)(ce)采用內螺(luo)紋管(guan)，調整(zheng)傳熱(re)管(guan)傾(qing)角及管(guan)徑等，取得較好(hao)效(xiao)果(guo)。

3.3印刷電路板換熱器（PCHE）

PCHE最(zui)初(chu)由英國(guo)Heatric公司(si)提(ti)出，可(ke)理(li)解為(wei)一(yi)種更加緊湊的(de)(de)板(ban)式換熱(re)器(qi)。由于功(gong)率密度高和體(ti)積小而備受青睞。S-CO2循(xun)環(huan)具(ju)有(you)非常大的(de)(de)系(xi)統(tong)內部回熱(re)，回熱(re)量可(ke)達凈輸出功(gong)的(de)(de)3-4倍，減小回熱(re)器(qi)尺寸(cun)對(dui)于整個系(xi)統(tong)緊湊化(hua)和快的(de)(de)負荷響應速率非常重要。已證明PCHE在小規模S-CO2循(xun)環(huan)中有(you)效。美國(guo)NET Power公司(si)將(jiang)PCHE集成到一(yi)個50MWth的(de)(de)天然氣示范電廠的(de)(de)設計中。Zigzag是PCHE通(tong)道的(de)(de)傳(chuan)統(tong)結構(gou)。近期的(de)(de)進展(zhan)包括發展(zhan)新(xin)的(de)(de)通(tong)道結構(gou)，例(li)如S型(xing)和翼型(xing)(aerofoil)，減少PCHE阻(zu)力，提(ti)升PCHE綜合(he)傳(chuan)熱(re)性能(neng)。亟待開展(zhan)大容量機組(>100MW級)采(cai)用PCHE的(de)(de)可(ke)行性研究，包括設計加工方法和成本(ben)估算。目前認為(wei)PCHE有(you)較好的(de)(de)傳(chuan)熱(re)性能(neng)，但成本(ben)昂貴，如何(he)降低成本(ben)很重要。從運行角度，發展(zhan)彎曲窄縫通(tong)道清除雜質(zhi)的(de)(de)新(xin)方法也具(ju)有(you)重要意義。

3.4S-CO2旋轉機械

S-CO2旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)表現出新的特點：(i)高(gao)運(yun)行壓力(li)(li)(li)和低壓比；(ii)大(da)軸向推(tui)力(li)(li)(li)，軸承、密(mi)封和轉(zhuan)子(zi)動力(li)(li)(li)學問題嚴重；(iii)超高(gao)功率密(mi)度和超高(gao)轉(zhuan)速(su)。徑流式和軸流式旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)分(fen)別適用(yong)于(yu)小容(rong)量和大(da)容(rong)量機(ji)(ji)組(zu)。現有大(da)型旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)主要基于(yu)理想氣體(ti)假(jia)(jia)設(she)，但理想氣體(ti)假(jia)(jia)設(she)用(yong)于(yu)S-CO2旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)設(she)計時(shi)，實際(ji)運(yun)行特性(xing)參數與設(she)計值產生明(ming)顯偏離。S-CO2透(tou)平(ping)運(yun)行遠偏離臨(lin)界壓力(li)(li)(li)，但S-CO2壓氣機(ji)(ji)運(yun)行可跨越臨(lin)界壓力(li)(li)(li)，產生明(ming)顯的實際(ji)氣體(ti)效應(ying)。現有商業軟件數值模(mo)擬(ni)，難以捕捉實際(ji)氣體(ti)效應(ying)，導致參數偏移(yi)。應(ying)發展(zhan)新的數值模(mo)擬(ni)方法，考(kao)慮實際(ji)氣體(ti)效應(ying)，提高(gao)S-CO2旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)數值模(mo)擬(ni)的精度、收斂性(xing)及計算(suan)速(su)度，徹底(di)明(ming)晰S-CO2旋轉(zhuan)機(ji)(ji)械(xie)(xie)熱功轉(zhuan)換(huan)機(ji)(ji)理。

國際上(shang)（美國、韓國、中國等）已建立了小容量(liang)S-CO2實(shi)驗(yan)(yan)系統，目前(qian)可(ke)得(de)出(chu)(chu)如(ru)下結論：(i)已建立的(de)S-CO2實(shi)驗(yan)(yan)系統主要(yao)針對小容量(liang)機組(zu)并采用徑流式(shi)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)機械(xie)(xie)；(ii)小型實(shi)驗(yan)(yan)系統效(xiao)率偏低(di)，關鍵輸出(chu)(chu)參數低(di)于(yu)設(she)計(ji)(ji)值(zhi)；(iii)二氧化碳嚴重泄(xie)漏，降低(di)了系統性(xing)能；(iv)大型軸(zhou)流式(shi)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)機械(xie)(xie)可(ke)能不會出(chu)(chu)現小型徑流式(shi)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)機械(xie)(xie)的(de)類似問題(ti)。建議的(de)研究方(fang)向如(ru)下：(i)發展充(chong)分反映(ying)實(shi)際氣體效(xiao)應的(de)數值(zhi)模型及計(ji)(ji)算(suan)方(fang)法，提(ti)(ti)高設(she)計(ji)(ji)精(jing)度；(ii)徹底解(jie)決軸(zhou)承、密封、轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子動(dong)力穩定(ding)性(xing)等技術問題(ti)；(iii)提(ti)(ti)出(chu)(chu)S-CO2旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)機械(xie)(xie)一(yi)體化解(jie)決方(fang)案；(iv)測(ce)試并提(ti)(ti)供S-CO2壓氣機和透平(ping)的(de)可(ke)靠效(xiao)率數據。

3.5S-CO2循環的變工況和瞬態運行

變(bian)(bian)(bian)工況(kuang)(kuang)運(yun)行(xing)(xing)(xing)是(shi)指由于換(huan)熱器邊界條件發生變(bian)(bian)(bian)化，引起(qi)(qi)換(huan)熱器一側(ce)或(huo)兩側(ce)的(de)質量(liang)流量(liang)和(he)(he)(he)溫(wen)(wen)度(du)(du)發生變(bian)(bian)(bian)化，改(gai)變(bian)(bian)(bian)整(zheng)個循(xun)環的(de)傳熱速率(lv)和(he)(he)(he)溫(wen)(wen)壓(ya)(ya)參(can)數，從而改(gai)變(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)氣(qi)機和(he)(he)(he)透(tou)平壓(ya)(ya)比，使(shi)發電量(liang)和(he)(he)(he)循(xun)環效(xiao)率(lv)偏離設計值(zhi)。壓(ya)(ya)氣(qi)機和(he)(he)(he)回熱器由于存在(zai)(zai)實際氣(qi)體效(xiao)應，應引起(qi)(qi)重視。變(bian)(bian)(bian)工況(kuang)(kuang)運(yun)行(xing)(xing)(xing)甚至(zhi)可使(shi)超臨(lin)界循(xun)環轉換(huan)為(wei)跨臨(lin)界循(xun)環。Floyd等表明(ming)當冷源(yuan)(yuan)溫(wen)(wen)度(du)(du)從21℃提高到40℃時，實際氣(qi)體效(xiao)應引起(qi)(qi)壓(ya)(ya)比下降，導(dao)致發電量(liang)和(he)(he)(he)效(xiao)率(lv)下降。為(wei)了在(zai)(zai)冷源(yuan)(yuan)溫(wen)(wen)度(du)(du)升高時獲得恒定(ding)的(de)功率(lv)和(he)(he)(he)效(xiao)率(lv)，壓(ya)(ya)氣(qi)機應具有一定(ding)的(de)自(zi)由度(du)(du)。對于太陽(yang)能(neng)S-CO2循(xun)環，應考慮(lv)太陽(yang)輻射熱負(fu)荷(he)和(he)(he)(he)冷源(yuan)(yuan)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)變(bian)(bian)(bian)化。S-CO2循(xun)環瞬(shun)態分析(xi)和(he)(he)(he)控制的(de)目(mu)的(de)是(shi)確保在(zai)(zai)各種擾動條件下，各部(bu)件能(neng)夠(gou)安全運(yun)行(xing)(xing)(xing)并維持(chi)超臨(lin)界壓(ya)(ya)力運(yun)行(xing)(xing)(xing)。總體上(shang)說，S-CO2循(xun)環的(de)變(bian)(bian)(bian)工況(kuang)(kuang)及瞬(shun)態分析(xi)目(mu)前還處(chu)于起(qi)(qi)步階段，建議(yi)的(de)研(yan)究方向為(wei)：(i)發展適合于不同熱源(yuan)(yuan)S-CO2循(xun)環的(de)變(bian)(bian)(bian)工況(kuang)(kuang)及瞬(shun)態分析(xi)計算(suan)程序(xu)；(ii)建立S-CO2綜合示范系統(tong)(tong)，對關(guan)鍵部(bu)件及整(zheng)個系統(tong)(tong)進行(xing)(xing)(xing)機理驗證。

4.結論

S-CO2循(xun)環具(ju)有大規(gui)模(mo)商(shang)業運行(xing)的(de)潛力，S-CO2循(xun)環的(de)研發(fa)面臨三個方面的(de)問題(ti)：

(i)缺乏穩態(tai)和(he)非穩態(tai)運行(xing)的系統層(ceng)面(mian)的設計和(he)分析方法；

(ii)S-CO2能量傳遞和轉換機(ji)理還未徹底明晰；

(iii)關鍵部件存在密封、泄漏和(he)轉子動力學穩(wen)定性等難題(ti)。

解決(jue)這些問題的措施(shi)是：

(i)提出(chu)適(shi)合于不同熱(re)源特點的S-CO2循(xun)環，以(yi)提高全(quan)局的系統(tong)效(xiao)率；

(ii)發展高精度數值模擬(ni)方法，進行實驗(yan)驗(yan)證，提(ti)高關(guan)鍵部件設計精度；

(iii)針對關鍵部(bu)件技術瓶(ping)頸，提出一體化解(jie)決方案，并在實際運行(xing)系統中得到驗證。