S-CO2系统装置原理图

在美国，一群年长的创业者开启了一段长达十年的创业历程。Bill Brown早年在MIT攻读生物学以及政治学学士（1973-1977），在杜克大学法学院获得博士学位（1977-1980），随后其供职于高盛、摩根等金融机构，2008年回到杜克大学开始任法学院教授。Miles Palmer是在MIT获学士学位（1972-1976），在UC San-Diego获博士学位（1976-1980），先后在美国空军研究中心，SAIC技术咨询公司（1986-2008）供职。Rodney John Allam长期供职于美国空气化工公司（Air Products）（1961~2005年），致力于氧气/氮气/二氧化碳等气体工业产品的生产和分离生产工艺研究。2008年，三人共同成立了8 Rivers Capital公司，作为技术转化平台以及风险投资机构，其目标是资助和扶持创新型小公司进行技术商业化。作为公司首先启动的项目，8 Rivers Capital公司以Allam命名发布了直燃加热形式的S-CO2发电形式专利（Allam Cycle，Allam循环），并针对不同燃料提出天然气和煤气化两种应用的Allam循环系统。2013年，Rodney John Allam全面地阐述了该技术方案的系统布局方案以及新专利。真正激动人心的是付诸实践，8 Rivers Capital公司在2014年提出新的涡轮机械布置方案同时，与 Exelon公司、CB&I公司联合投资成立NET Power公司，作为实施天然气Allam循环系统商业化的平台。燃烧器和透平技术有日本东芝公司设计提供，控制系统则由8 Rivers Capital 提供设计。2017年，该公司的项目被MIT Technology Reviews进行专门报道，到2018年被该杂志评为十大突破性技术。目前，NET Power已成功完成 5MWth 的新型天然气燃烧系统测试，同时在得克萨斯州的建造的25MW示范电站点火成功（电站总投资约1.2亿美元）。这是一群执着于清洁能源技术的人追求梦想的故事。

NET Power公司基于Allam循环原理的

S-CO2电站机组

同期，美国国家可再生能源实验室（NREL）的Craig Turchi博士也在迎来自己职业生涯的一次重大机遇。Craig Turchi于1990年从NC State University博士毕业，随机进入NREL从事太阳能应用领域研究，包括危废处理和熔融盐氧化等。1996~2008年，Craig Turchi博士离开NREL，继续从事光催化氧化技术和危废处理相关技术开发研究。而知道2008年，Craig Turchi博士才真正从幕后走到台前。他受到邀请重新回归NREL，负责领导先进太阳能光热计划的系统研究以及S-CO2方案设计。随着2011年能源部（DOE）开始实施“Sunshot”的雄伟计划，将原型的S-CO2布雷顿循环付诸商业化已经是迫在眉睫的事情。该研发项目主要进行10 MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，实验测试在美国Sandia国家实验室下属的核能系统实验室（NESL）进行，其目标是为商业化运行进行示范测试和验证。在该计划执行过程中，Echogen Power Systems公司受邀参与，主要负责涡轮机械和测试回路系统设计以及压缩机和透平封装等工作，并参与系统调试。

随着项目的进行，Echogen公司作为超临界二氧化碳发电技术领域的新起之秀受到非常多的关注，并转而成为美国在该领域真正商业化的代表。 Timothy Held于1983-1993年分别在普渡大学和普林斯顿大学获得学士和博士学位。在普林斯顿从事了两年博士后研究，他随后加入GE公司，从事燃烧、气动等技术研究长达13年。2008年，Timothy Held博士参与创立Echogen公司并担任CTO。2014年，Echogen公司正式发表了EPS100机组的测试情况，功率等级7~8 MW。目标市场是工业余热发电领域（世界上第一个进行商业示范的兆瓦级机组）。2015年7月，韩国斗山重工与Echogen 公司签订了“超临界二氧化碳余热回收发电设备技术协议”，进军水泥、钢铁工业余热发电设备。斗山重工预估在世界范围内余热利用市场规模为200亿人民币。2018年4月，美国DOE和国家能源技术实验室NETL联合资助项目，提供给Echogen公司84.5万美元，开展燃煤电厂大型试验项目的设计、建造和运营方案研究。

2008年可以认为是S-CO2发电技术的创始元年，核心的技术创新团队和公司均是在这一年完成组建以及项目规划制定。而技术真正开始商业化示范则一直等到了2014年才见诸报道，可见技术实施的漫长过程。目前，S-CO2发电领域的应用和研究仍在持续不断地开展。

Echogen公司的EPS100机组

国外相关研究应用及商业化路线

回顾S-CO2发电技术研究的源头，早在20世纪六七十年代，世界各国学者开始对S-CO2物性参数、S-CO2布雷顿循环理论优化、参数敏感度分析、冷凝回路等开展研究，进行了150kW 实验回路的搭建、启动和控制策略的研究、S-CO2与反应堆的匹配、S-CO2技术在舰船上的应用等实践。但由于时代限制，涡轮机械、换热器等部件水平以及应用市场未出现而发展缓慢。

2000年，MIT联合Idaho国家实验室在重启S-CO2布雷顿循环的研究项目。MIT的Dostal等人在2001年设计了用于铅铋合金反应堆的 S-CO2再压缩布雷顿循环，在铅铋反应堆出口温度为 555℃，压缩机出口压力为 20MPa 的情况下，系统计算可以实现净效率为 41%。

2005-2011年，美国Sandia国家实验室在能源部的资助下，首先搭建了 1MWth 的 S-CO2布雷顿循环实验回路装置，最大设计可承受压力为 15.2MPa，最高温度为 811K。该实验装置包括 2 套透平机-发电机-压缩机系统，电功率为 125kWe；3 台印刷电路板换热器。基于该套实验装置对 S-CO2 布雷顿循环的系统特性进行了较为详细的研究，并对系统的重要部件进行了性能测试，包括涡轮机械的特性、换热器的运行、系统的控制等。为了推进S-CO2布雷顿循环的商业化进程，Sandia国家实验室进行了单个组件级别的测试以及整体系统级别的实验和评估。

Sandia国家实验室的S-CO2小型发电装置示范

2016年，法国EDF公司提出 S-CO2循环用于粉煤燃烧火力发电并结合二氧化碳捕集的概念电厂，结合系统分析指出在不针对锅炉进行重大调整的情况下，更换为S-CO2透平后系统效率会有6%的提升。

2016年10月，美国能源部（DOE）资助8000万美元开始实施SCO2发电装置中试项目，发电功率10MW,项目为期6年。目前已经完成第一阶段示范装置建设工作。合同方研究机构为GTI（气体技术研究所），SWRI（西南研究所）和GE公司。目前该计划正在快速推进中。

从应用实现的角度来看，S-CO2发电系统应用范围较为广泛，效率和成本也优于同等条件下的水蒸汽循环。在具体工程实施过程中，需要解决的技术难点包括：（1）高温高压的超临界二氧化碳对金属材料的腐蚀特性；（2）回热器、吸热器等装置中的流动传热特性；（3）高速轻型转子的制造及平衡、高压密封、高速轴承系统。

在技术成熟度和应用领域推进规划方面，美国能源部（DOE）在开展实施10MW示范项目时即讨论了市场应用和推进时间表。该计划主要分为以下进程：2015~2020年，实现在工业余热利用领域应用，效率超过ORC循环机组的方式；2020~2025年,实施光热发电领域的应用，在10~100MW功率等级内效率超过蒸汽轮机；2025年以后研发实施化石燃料SCO2电厂、第四代核电和直燃式SCO2发电装置在。

DOE技术发展及市场推进规划

国内研究进展及相关产业情况

国内从2012年左右开始有针对此领域的研究，中国核动力研究设计院、西安热工院、中船重工 711 研究所等企业机构联合相关高校和研究所开始在系统理论、零部件加工等方面开始了探索。

2015年9月，上市公司金通灵公告根据市场需求分析结合自身资源能力，自主开发S-CO2布雷顿循环发电系统与技术。委托中科热物理所提供S-CO2技术咨询服务，期限为36月。该公司计划从关键技术研发到小规模系统示范，再到与太阳能聚光和储热系统联调中试，为S-CO2布雷顿循环发电系统的产业化奠定基础，从而占领市场制高点，引领太阳能热发电和高温核能的技术创新。

2018年5月25日，中国电机工程学会发布《能源动力领域十项重大工程技术难题》，S-CO2太阳能热发电技术被列为其中之一。超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是目前最前沿的光热发电技术之一。

2018年6月15日，首航节能与法国电力在北京举行S-CO2循环光热发电技术研发项目启动仪式。双方将凭借各自在光热领域的技术积累，共同开发高效率的光热发电技术，旨在降低光热发电成本。

2018年4月13日，上海电气和ACWA Power公司签约迪拜700MW光热发电项目，该项目储热时间可达15小时，项目合计发电容量达700MW，项目总体金额达38.6亿美元。上海电气承诺提供7美分电价是所有竞标者中最低的，成本上具有极大的竞争力。据悉，项目方案中的动力系统仍采用传统的蒸汽轮机技术。

总结发展建议

目前，S-CO2发电技术装置已经国家级科研机构与高校的研究及实验阶段发展到商业化的临界点。众多的商业机构如发电公司、零部件供应商、设计研发企业开始形成产业联合体。世界范围内已经有多台1-10MW级别的机组处于商业示范运营阶段。更高功率和参数等级的机组正在设计研发阶段，各研究及商业机构均试图抢占最前沿的技术领域和未来产品市场。

从国别来看，美国、日本、韩国、法国均在系统研究、机组设计、零部件加工及系统示范验证方面开展了较多的工作。美国目前是毋庸置疑的技术领先者，预期其在未来2年内完成商业示范，在3-5年将形成1-10MW级S-CO2机组完整产业链和成功商业案例。中国国内目前还处在理论研究和小型示范机组建设规划筹建阶段，少数厂商有试制计划和生产能力，与美国差距较为明显。

发展建议：由于动力机械行业特点是前期研发投入较大、研发周期长（美国方面近二十年投入估计在数亿美元）、市场竞争激烈。现阶段建议以产业板块规划为牵引进行并购或者阶段性投资布局，快速导入技术资源（包括系统控制及技术设计方案），整合核心零部件供应商（涡轮机械、回热器、轴承及密封件），可以加速实现技术突破。在市场层面宜快速进行国内的示范机组建设，形成品牌效应，尽早与项目应用方开展合作。

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尹洪，华中科技大学能源与动力工程专业学士学位和清华大学动力机械与工程专业博士学位，有电力能源设备及消费电器方向四年工作经历。在本基金负责先进制造，装备自动化等方面的投资。返回搜狐，查看更多