超临界二氧化碳(简称sCO₂)循环是热功转换领域的重要共性关键技术。该循环以超临界CO₂ 为循环工质进行热功转换，因超临界态不涉及气液相变和因其近临界附近特殊的热物理性质，所以具有效率高和灵活性强的双重优势，对于支撑可再生能源大比例接入具有重要意义。
▲ sCO₂ 循环在多种应用场景具备应用潜力
sCO₂循环在20世纪50～60 年代被首次提出，包含压缩、吸热、做功、回热及冷却过程。单压缩循环因效率低被再压缩循环代替。sCO₂ 循环提出后并未得到关注，近20 多年来，全球面临低碳清洁的能源需求，sCO₂ 循环才逐渐成为研究热点。与水蒸气朗肯循环相比，sCO₂ 循环在中高温热源条件下具有明显的效率优势。且sCO₂循环为气态循环，负荷变化速率快。sCO₂ 循环是第四代核能和太阳能光热发电领域的重要热功转换循环，与核能和太阳能热源相比，将sCO₂循环应用于燃煤发电领域独具特点。
▲ 典型的sCO₂ 循环
我国煤多气少，煤炭应发挥压舱石作用，燃煤发电还需具有良好的灵活性，支撑新能源大比例接入，为实现我国“双碳”目标做出贡献。2017 年，“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”被列为国家重点研发计划项目，徐进良教授作为项目负责人，以燃煤sCO₂ 循环和太阳能及核能sCO₂ 循环的异同点为突破口，提炼出sCO₂ 循环和燃煤锅炉耦合的关键科学问题。从剖析再压缩循环(RC)比单级压缩循环(SC)效率高的原因出发，发现RC 可拆分成两个SC，并且两个SC 的协同效应是RC 效率增益的原因。受该协同效应启发，本书（《超临界二氧化碳燃煤发电理论与技术》，徐进良、孙恩慧、齐建荟著. 北京：科学出版社，2024.2）提出并证明sCO₂ 多级压缩循环适合燃煤、核能、太阳能等不同热源，建议燃煤发电采用三级压缩循环，为提高效率提供了新思路。为实现烟气热量全温区吸收，本书提出顶循环、底循环、空气预热器分别吸收高温(1500～550℃)、中温(550～380℃)、低温(380～120℃)烟气热量，符合能量梯级利用原理。为了突破底循环效率低于顶循环的局限性，本书进一步提出能量复叠利用原理，消除了顶循环和底循环间的效率差。
▲ 基于协同作用思想的三压缩循环的构造过程
经典超临界传热理论将超临界流体视为单相流体，通常引入单相传热中的浮升力和流动加速效应来处理超临界传热，各研究者提出的计算公式适用参数范围窄，精度不高。20 世纪60～70 年代，根据超临界传热与亚临界沸腾传热相似的现象，学者们提出了“类沸腾”(pseudo-boiling)的概念。然而，超临界类沸腾理论处于初期发展阶段，许多现象、规律和机理尚未被揭示。近年来，由于超临界流体广泛的工业应用，超临界类沸腾概念逐渐得到关注。作者从宏观和微观两方面，结合理论和实验，开展了一系列超临界类沸腾相关研究。
▲ 亚临界沸腾与超临界类沸腾理论框架
理论方面，采用分子动力学模拟发展了超临界流体三区模型，发现了类两相区的类气泡和混沌特性，在微观分子尺度层面证实了超临界多相结构的存在；基于超临界传热与亚临界沸腾的类比，引入超临界两相物性及无量纲参数组，建立了超临界多相流理论，在宏观层面奠定了超临界类沸腾传热的理论基础。实验方面，开展了超高参数和宽广参数范围sCO₂ 对流传热实验，根据超临界类沸腾过程中的蒸发动量力与惯性力的竞争关系，发现超临界SBO 数可作为正常传热和传热恶化的临界判据，并基于超临界K 数拟合得到高精度传热关联式，该式适用宽参数范围、不同工质、不同传热条件。超临界类沸腾的相关研究为超临界技术的应用奠定了理论基础，对于sCO₂ 发电系统，特别是动态运行可能碰到的临界点问题，具有重要意义。超临界类沸腾理论对于深入认识超临界流体，如超临界水捕获干热岩热量、深海天然气水合物等，同样具有重要意义。
▲ sCO₂ 锅炉冷却壁降温综合策略
一般来说，锅炉以水为工作介质。作为重要的热源设备，对sCO₂ 锅炉的研究却很少。因sCO₂ 循环要求，sCO₂ 锅炉流量是水蒸气锅炉的6～8 倍。如果采用传统水蒸气锅炉设计，锅炉压降可超过10MPa，引起流动堵塞。另外，超大锅炉压降大幅增大了压气机耗功，如透平入口压力为20MPa，在10MPa 锅炉压降条件下，压缩机输出压力需高达30MPa，增大压缩机厂用电，作者称之为压降惩罚效应。为减小锅炉压降，必须采用大直径冷却管(如100mm)，但该管无法加工制造。受动物肺部呼吸减阻分形原理的启发，作者提出1/8 减阻原理及锅炉模块化设计，编制了sCO₂ 燃煤机组耦合锅炉热负荷分布、流动传热特性的热力学分析计算软件，计算表明1/8 减阻原理及锅炉模块化设计可将sCO₂ 锅炉压降减小到比水蒸气锅炉更低的水平，彻底解决了锅炉大压降问题。由于CO₂ 进入锅炉的温度比水进入水蒸气锅炉的温度高约200℃，因此控制锅炉各级受热面温度(特别是冷却壁温度)非常重要。为此，作者提出了“锅”和“炉”综合调控策略，结合锅炉系统设计，将冷却壁温度控制在材料允许的温度范围内。锅炉模块化设计和壁温控制方法构成了冷却壁创新构型关键技术。
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《超临界二氧化碳燃煤发电理论与技术》一书紧密围绕燃煤发电国家重大需求，提炼出sCO₂ 循环和热源耦合的关键科学问题，取得了创新性成果，是对上述这些成果的总结。超临界类沸腾研究被评价为“清晰证明了超临界类沸腾……提高了超临界类沸腾研究的可信度，为后续研究提供了驱动力”。模块化锅炉设计被评价为“首次发现”“误差最小”“革新式策略”。燃煤sCO₂ 循环构建的工作被评价为“重要工作”“创新方法”。研究成果为建立燃煤sCO₂ 示范机组提供了支撑，获得了1000MW 燃煤sCO₂ 发电效率51.03%，比水蒸气发电效率提高了4%，每年节煤14 万t、CO₂ 减排29 万t。研究进展被中国教育电视台、《科技日报》报道。徐进良教授发起并主持了首届sCO₂ 动力循环国际会议，并受邀在Energy 出版了专辑。
作为学术专著，《超临界二氧化碳燃煤发电理论与技术》具有鲜明特色。该书从构建燃煤sCO₂ 发电系统出发，采用系统思维及相互联系的观点，提出了sCO₂ 燃煤发电的科学技术问题，以解决问题为脉络，深入浅出地阐述问题的由来，并从科学层面阐明问题的解决办法及取得的效果。该书内容翔实，sCO₂ 燃煤发电的研究内容涵盖了工程热物理的所有分支学科，包括热力学、流体力学、传热学、多相流、燃烧、气动等，还涉及热物理学科与其他学科(如材料、机械等)的交叉，具有鲜明的学科交叉特色。该书作为学术专著，涉及sCO₂ 发电的多个方面，不仅深入剖析了科学问题，包括新概念、新原理和新方法，还注重关键技术，如sCO₂ 锅炉创新构型、冷却壁及壁温控制等关键技术。
为此，我很乐意向读者推荐该书。
何雅玲
中国科学院院士
西安交通大学教授
2023 年11 月30 日
本书的出版希望为广大从事sCO₂ 发电研究的工程技术人员、研究生及科技项目管理人员提供参考，推进sCO₂ 关键技术研发、示范及商业运行。本书虽然以燃煤sCO₂ 循环为研究对象，但对于太阳能及核能sCO₂ 循环也具有重要的参考价值。
本文摘编自《超临界二氧化碳燃煤发电理论与技术》（徐进良，孙恩慧，齐建荟著. 北京：科学出版社，2024.2）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-077996-0
责任编辑：范运年
超临界二氧化碳(sCO₂)循环是热功转换领域的重要共性关键技术。本书是对徐进良教授团队在sCO₂ 循环领域已有研究成果的梳理，聚焦sCO₂燃煤发电基础理论与关键技术。全书共9 章，分别对sCO₂ 多级压缩循环、sCO₂ 燃煤发电系统烟气热能复叠利用方法、超临界传热理论、sCO₂ 对流传热实验、sCO₂ 燃煤锅炉、sCO₂ 回热器优化设计、sCO₂ 透平和压缩机等展开论述。
本书涉及sCO₂ 循环领域的循环构建方法、流动传热理论、关键部件设计等内容，可供相关专业本科生、研究生以及太阳能、核能、余热利用等领域有关系统设计、关键部件开发的工程技术人员参考。
（本文编辑：刘四旦）
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