根据2018年6月18日美国国家能源技术实验室（NETL）官网发布信息，超临界二氧化碳技术研发计划提高超临界CO₂效率

涡轮机是我们国家化石燃料发电厂的重要机器，从国内资源中提取能源并将其转化为我们所依赖的电力。涡轮机也可以成为节约资源的关键参与者，因为它们可以通过使用更少的燃料并产生更少的排放物来提供清洁能源。

在燃煤电厂中，燃料在大型炉中燃烧释放热能。然后，这种能量被用来加热锅炉，将水变成蒸汽。蒸汽驱动工厂的涡轮机，将热能转化为动能。在涡轮机内部，蒸汽流过涡轮叶片，导致它们像风车或风车一样转动，除了涡轮机对数百个紧密包装的叶片更复杂。

蒸汽离开涡轮机并通过热交换器冷却和冷凝，因此水可以被抽回再使用。轴将涡轮机连接到与涡轮机一起旋转的发电机。发电机利用涡轮机发出的动能产生电力，电力从工厂出来，最终为我们的企业、家庭、电器等等提供动力。

提高温度和压力以推动蒸汽进入超临界状态 - 水和蒸汽同时发生的阶段 - 是使涡轮机有效工作的一种方式。NETL的研究人员正在研究如何通过用二氧化碳（CO₂）代替蒸汽来获得更高的效率，从而降低电力成本。 

NETL的超临界二氧化碳技术研发计划旨在通过使用超临界二氧化碳（sCO₂）动力循环来提高效率并降低电力成本。sCO₂技术的进步还可以促进国内制造业和技术创造就业机会，促进工业竞争力，维持美国技术领先地位，并为国家提供更清洁、更实惠的电力 - 所有关键的国家目标。 

图1  超临界CO₂发电循环（间接加热）

在超临界状态下，二氧化碳比气体更像液体，可用作发电厂的工作流体 - 替代蒸汽。sCO₂明显比超临界蒸汽更密集。它也便宜、无毒、易得、比蒸汽腐蚀性小。

在美国电厂中使用sCO₂具有关键优势。与水不同，温度和压力的微小变化会对CO₂的密度产生很大的影响。这意味着可以使用较小的设备从sCO₂中提取大量的能量，这可以降低资本成本。另外，sCO₂动力循环的压力比可以低于汽轮机所需的压力比的20％，从而进一步减小所需的机器尺寸。使用热交换器从涡轮机排出的工作流体中的热量的回收使来自动力循环的排热量最小化并且允许更高的效率。

sCO₂动力循环还可以减少用水量，一些配置允许循环成为净水生产商。最终，这些益处加上了技术选择，可以通过提高效率、减少排放、降低资本成本和电力成本来应对能源和环境挑战。

挑战存在，且NETL就是这种情况。该实验室正在评估用于构建sCO₂动力循环组件的材料，该组件可承受腐蚀、侵蚀并提供最佳机械性能。研究人员正在开发紧凑型换热器来回收循环中的热量并提高效率。 NETL研究人员使用特殊的计算模型研究涡轮叶片冷却，以支持使用更高的涡轮入口温度，从而实现更高的效率。

研究人员正在对循环进行分析，以确定与目前的蒸汽电厂相比，使用sCO₂动力循环的发电厂的技术和经济性能。他们还在进行与直接燃烧式Allam sCO₂动力循环相关的研发 - 这种配置中，氧气和化石燃料的燃烧产生混合的CO₂和用作循环中的工作流体的蒸汽流。这种高效率的循环可以产生高纯度的CO₂流，可以随时使用/再利用或储存。

NETL的研究人员还通过在高压、高温条件下在CO₂存在下对燃烧过程进行建模并开发了在高压下测试氧燃烧的能力，填补了 sCO₂动力循环的温度和高压条件下关于氧燃烧这一Allam循环中的关键技术的知识空白。在直燃式sCO₂动力循环中使用氧燃烧可实现CO₂捕集发电。

除了实验室的内部工作之外，NETL还管理互补的外部项目以开发sCO₂功率周期。重点项目的目标是开发涡轮机械、换热器和氧气燃烧室，用于在高温高压下用二氧化碳进行燃烧，以及将热源与sCO2功率循环集成。

作为这项工作的一部分，该实验室是能源效率和可再生能源部的核心合作伙伴，以及美国能源部能源效率和可再生能源办公室以及核能部门的一个为期6年的项目，该项目由能源部的超临界转换电力（STEP）计划资助，在得克萨斯州圣安东尼奥建设、运行和测试10MW sCO₂试验工厂测试设施。

该项目由燃气技术研究院（Gas Technology Institute，GTI）、西南研究院（SwRI）和通用电气全球研究部负责管理，旨在验证部件和循环性能、循环可操作性，证明降低电力成本的潜力，热力循环效率大于50％。这项工作是政府和行业如何在中试规模上成熟关键技术共同努力以促进商业化并促进发展的一个有效示例。

成熟的sCO₂技术对于国家的能源未来具有潜在的意义，包括刺激经济和提高国家安全的潜力，同时保护我们的健康和环境。

大型高温固定式发电的创新将保持美国在涡轮机技术上的优势，并为国内制造商提供战略性增长机会。除此之外，因为sCO₂动力循环可以高效且需要小型涡轮机械，所以该技术具有许多应用，例如用于船舶在推进、动力和废热回收中的应用。对于能源行业而言，化石燃料 - 特别是煤 - 可为sCO₂循环提供理想的热源。sCO₂技术的优势也对太阳能、核能和地热能源具有吸引力，因为sCO₂动力循环为燃料和热源中性。

NETL的sCO₂技术研究只是实验室创新的一个例子，因为它致力于发现、整合和成熟技术解决方案，以增强国家的能源基础并为子孙后代保护环境。

文献来源：https://www.netl.doe.gov/newsroom/news-releases/news-details?id=64f7fb72-bfda-44b3-822a-5e710fefde3d