Allam循环（又称Allam-Fetvedt循环或NET Power循环）是一种以超临界CO₂为工质、采用纯氧燃烧的半闭式Brayton循环，因其近零碳排放和高热效率而成为碳捕集发电领域最具前景的技术路线之一。本文系统梳理Allam循环的技术原理、研究现状与最新进展。研究表明，Allam循环在热力学建模与系统性能分析方面已取得显著成果，天然气燃料构型净效率可达54%–55%（LHV），合成气构型为37%–43%。然而，技术就绪水平评估显示，多数关键部件仍处于TRL 3–6阶段，透平与回热器在300 bar和1000°C以上工况下的材料与冷却问题构成核心瓶颈。近年来，氢燃料Allam循环、与固体氧化物电解池及多效蒸馏的集成系统、以及动态仿真与控制策略成为新的研究热点。经济性评估表明，比投资约为1300–1850 $/kW，但成本模型精度不足导致平准化度电成本估算存在较大不确定性。Allam循环的商业化部署仍需在燃烧室实验验证、先进回热器开发、动态控制策略以及高保真成本评估等方面取得突破。

关键词：Allam循环；超临界CO₂；纯氧燃烧；碳捕集；技术就绪水平

全球气候变化压力持续加剧。长期以来，化石CO₂排放总量不断增长。尽管可再生能源占比快速提升，但化石燃料电厂因其出力稳定性仍在电力系统中扮演关键角色。在此背景下，碳捕集与封存技术在电力行业的部署显得尤为重要。纯氧燃烧技术因燃料在高纯度氧气中近化学计量比燃烧、烟气以CO₂和水蒸气为主，具备固有的碳捕集能力，被视为最具前景的减排路径之一。

Allam循环正是在这一技术脉络中发展起来的新型动力循环。该循环由英国发明家Rodney John Allam开发，以CO₂作为工质，采用半闭式纯氧燃烧Brayton循环架构，能够在发电过程中直接分离高纯度CO₂，同时保持与常规燃气联合循环相当甚至更高的效率。自NET Power在德克萨斯州建成50 MWth中试装置以来，Allam循环引起了学术界与工业界的广泛关注，相关研究在热力学建模、部件设计、系统集成和经济性评估等方面不断深化。本文旨在系统梳理Allam循环的研究现状与最新进展，分析其核心挑战与发展方向。

Allam循环是一种半闭式、高压比、低压比、回热式、纯氧燃烧的跨临界Brayton循环。其工作流程可概括为：天然气或合成气与纯氧在高压CO₂氛围中燃烧，燃烧产物主要为CO₂和水蒸气；高温高压烟气进入透平膨胀做功，透平排气经回热器冷却后，水蒸气通过冷凝分离，剩余的高纯度CO₂一部分作为工质回注循环，另一部分作为产品排出。

该循环的独特之处在于以CO₂替代传统Brayton循环中的空气作为工质和稀释剂。CO₂在超临界状态下具有高密度和良好的传热特性，使得透平可以在紧凑的尺寸下实现高功率输出。同时，由于燃烧在纯氧环境中进行，避免了空气中氮气带来的NOx生成问题。循环的CO₂捕集率可达97%–100%，在部分模拟和示范条件下甚至超过99%。

Allam循环的系统简化优势同样值得关注。与常规联合循环需要复杂的烟气脱碳装置不同，Allam循环的碳捕集是“内嵌”于循环过程本身的，CO₂在冷凝分离水蒸气后即可直接获得高压高纯度产品，省去了额外的化学吸收或吸附环节，从而降低了效率损失和系统复杂度。

尽管Allam循环在系统层面常被感知为接近TRL 7，但基于TRL-灵活性-成本就绪水平矩阵的系统评估表明，对于公用事业规模电厂，多数关键部件实际处于TRL 3–6范围。透平和回热器是约束最显著的部件：透平需在高达300 bar的压力和超过1000°C的入口温度下运行，回热器则面临高压差与高温差的双重挑战。控制系统、氧气储存和燃烧室的成熟度同样不足。相关评估指出，Allam循环的商业化部署需要将TRL提升至7–8以上，这要求燃烧室和透平在相关工况下的实验验证、先进回热器的开发以及集成动态控制策略的建立。

热力学性能研究是Allam循环文献中最为丰富的部分。已有综述汇总表明，天然气燃料Allam循环的能量效率范围为48%–60%，合成气燃料构型为38%–51%。部分评估给出的净电效率范围为天然气构型54%–55%（LHV）和煤基构型37%–43%（HHV）。效率差异主要源于建模假设的不同，包括回热器效率、透平冷却策略、ASU集成方式以及是否考虑CO₂压缩能耗等。值得注意的是，多数已发表的性能评估基于稳态模型，对部分负荷和动态工况的分析十分有限。有研究提出了一种改进的无压缩机Allam循环构型，实现了高效发电与峰值负荷调节和CO₂捕集的兼顾，代表了系统构型创新方向。

燃烧室是Allam循环中物理过程最为复杂的部件。sCO₂作为工质和稀释剂，需要在高压和高预热温度下将燃烧室出口温度调节至透平材料允许的范围，这带来了独特的燃烧行为挑战。已有研究表明，传统燃烧器技术难以满足Allam循环所需的高CO₂稀释水平，而微混燃烧器被证明能够达到这一要求。化学链燃烧替代传统燃烧室的方案也受到关注：以Fe₂O₃/Al₂O₃为氧载体的CLC反应器可显著降低系统复杂性和辅助能耗。再热Allam循环的火用分析显示，低压燃烧室在整体输入火用中的破坏占比高达20.68%，是优化重点。

透平的技术挑战集中在材料与冷却。有透平设计方案采用镍基锻造与CrMoV锻造焊接的转子方案，以最小化镍基材料用量，外缸采用CrMoV铸件，内缸采用镍基铸件与CrMoV组合。第一级叶片候选材料包括CM247和Alloy 740等镍基高温合金，需在800°C以上的高温CO₂环境中具备足够的抗氧化和抗蠕变性能。

回热器是影响循环效率的关键换热设备。高压侧与低压侧之间的巨大压差要求回热器具备高结构强度和紧凑换热面积。有研究提出了一种包含4个换热器的改进回热布局，在燃烧温度1150°C、透平进出口压力30 MPa/3.4 MPa条件下，实现了51.9%的热效率和107.5 USD/MWh的LCOE。

Allam循环的经济性研究仍处于早期阶段。相关评估指出，多数经济评估依赖于约1300–1850 /kW的比投资估算，属于Class4–5级别，对应CRL3–4，成本容差较大且项目特异性有限。有研究报道了950–1400/kW的比投资估算，属于Class4–5级别，对应CRL3–4，成本容差较大且项目特异性有限。有研究报道了950–1400/kW的比投资范围，并在透平入口温度1000–1100°C区域存在最低比投资点。LNG冷能集成方案显示出显著的经济效益：与独立Allam循环相比，LCOE可降低43.73%，年净利润最高达3562万元，投资回收期低至9.8年。

面向全球能源结构向可再生方向转型的趋势，氢燃料Allam循环成为近两年的研究焦点。有研究基于Aspen HYSYS完成了氢燃料Allam循环的热力学分析，提出了LSM模型以实现净零排放。研究表明，基于LHV的氢燃料Allam循环热效率比天然气构型高出约5%，主要归因于蒸汽富集工质比等压热容增加带来的透平比功提升；但在计入氢气制备能耗和透平冷却损失后，效率优势显著缩小，仍与天然气构型保持竞争力。

Allam循环与多种过程的集成研究呈现出蓬勃态势。已有综述系统梳理了Allam循环与冷能储存、LNG再气化、生物质或煤气化以及氨合成等过程的集成机会。在电力-氢能耦合方向，Allam循环与固体氧化物电解池的集成系统实现了58.69%的能量效率和0.07 kg-CO₂/kg-H₂的碳排放，LCOH因电力销售降至1.983 $/kg-H₂，与蓝氢成本相当。在GCC地区，Allam-Fetvedt循环与多效蒸馏-热蒸汽压缩脱盐及卤水矿化的集成框架被提出，利用Allam循环闭式sCO₂架构消除环境温度效率损失，同时将脱盐卤水和捕集的CO₂转化为建材级CaCO₃和Mg(OH)₂产品，构建了水-能-碳循环经济范式。煤基化工-动力多联产系统的研究也表明，Allam循环可有效支撑煤炭清洁低碳利用体系的构建。

动态特性研究是Allam循环从概念走向工程应用的关键环节。有研究团队基于Simulink/Simscape开发了Allam循环动态模型，分别针对启动过程和负荷跟踪设计了控制策略。另一些研究则致力于开发简化流体模型，以降低全系统动态仿真的复杂度而不显著损失精度。这些工作为Allam循环的灵活运行和电网调峰能力提供了建模基础。

Allam循环的未来发展面临若干核心挑战。技术层面，透平和回热器在极端工况下的材料与冷却方案需要更多的实验验证，燃烧室在sCO₂稀释条件下的点火与火焰稳定特性尚需深入理解。经济层面，当前成本估算的不确定性制约了投资决策，需要更高保真度、具备地点特异性的技术经济评估。系统层面，Allam循环与ASU、氧气储存以及电网调度的动态集成控制策略尚不成熟。

展望未来，氢燃料Allam循环有望成为化石燃料向零碳能源过渡的桥梁技术；与电解制氢、脱盐、化工合成的多联产集成将拓展Allam循环的应用场景；而模块化和小型化设计可能降低首台套工程的风险门槛。技术就绪水平的实质性提升，最终将取决于关键部件在真实工况下的长期运行数据积累和工程验证。

Allam循环以其近零碳排放、高热效率和系统简洁性，在碳捕集发电技术中占据独特地位。经过十余年的研究积累，该循环的热力学原理已得到充分验证，系统性能的模拟分析日趋成熟，燃料适应性从天然气和合成气向氢气拓展，应用形态从单一发电向多联产和循环经济框架延伸。然而，核心部件技术就绪水平的不足和经济性评估精度的欠缺，仍然是制约商业化部署的主要障碍。未来研究应聚焦于燃烧室与透平在相关工况下的实验验证、先进回热器材料的开发、集成动态控制策略的建立，以及高保真成本模型的构建，以推动Allam循环从TRL 3–6向TRL 7–8的跨越，使其成为电力行业深度脱碳的可行技术选项。

支持单位：