创新驱动与产业变革：超临界二氧化碳发电技术的差异化发展路径与前景展望

动力系统是舰船的“心脏”，海洋强国战略对未来舰船动力系统提出了高功率密度、高效率、高可靠性、低容积、低排放及低噪声等要求。目前，大型水面船舰的先进动力系统主要采用新型热源结合蒸汽朗肯循环，其在常规运行条件下的热效率通常不超过30%，存在效率较低且系统体积较大等限制因素，所以亟须充分发挥新质生产力的优势，完成动力循环模式、工质及构型的更新换代。

超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，S-CO2）循环发电技术作为热力发电领域重要的技术变革，其以S-CO2作为工质并采用闭式布雷顿循环模式，相较于主流蒸汽及燃气轮机等常规动力装置及循环模式，其具有功率密度高、循环效率高、振动噪声小、热源适用性强、功率范围广等显著优势，可以有力支撑舰船动力循环和电力推进等领域的发展需求。

 

一、S-CO₂发电系统概述与工作原理

超临界二氧化碳（S-CO₂）发电技术是近年来热力发电领域一项重要的技术变革，其以处于超临界状态的二氧化碳作为工作介质，采用闭式布雷顿循环模式，将热能转化为机械能进而发电。工程上，当流体的温度和压力均超过其临界点（二氧化碳的临界温度为31.05℃，临界压力为7.37MPa）时，该流体即处于超临界状态。超临界二氧化碳作为一种"超级工质"，其物理性质介于气体和液体之间，同时具备气体的高扩散性和液体的高密度特性，密度接近液体而粘度近似于气体，扩散系数是液体的近百倍，这种独特的物性使其成为热力循环的理想工质。

 

S-CO₂布雷顿循环的典型热力循环过程包含四个核心环节：等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀和等压放热。在一个典型的简单回热循环系统中，低温低压的S-CO₂首先进入压缩机被升压，然后流入回热器高温侧吸收乏气的余热，预热后的工质进入换热器被外部热源（如燃气轮机排气、核反应堆或太阳能集热器）进一步加热，形成高温高压的工质；接着，高温高压工质被导入涡轮机（透平）中膨胀做功，驱动发电机发电；做功后的乏气依次流经回热器低温侧和冷却器，将余热传递给压缩机出口的工质并最终冷却至初始状态，重新进入压缩机，形成一个完整的闭式循环。为了提高系统效率，实际应用中常采用复杂循环结构，如再压缩循环、级联循环等，通过优化能量梯级利用来提升整体热效率。

与舰船传统采用的蒸汽朗肯循环相比，S-CO₂布雷顿循环具有显著的技术优势。在常规运行条件下，大型水面舰艇采用的先进蒸汽动力系统热效率通常不超过30%，且系统体积庞大，而S-CO₂发电系统在600℃等级温度下，发电效率比传统蒸汽朗肯循环提高3%～5%；在700℃等级下，效率提升可达5%～8%。同时，S-CO₂透平体积仅为同容量同参数汽轮机的1/25，回热器体积则为同等换热量水循环回热器的1/10。这种紧凑的特性对于空间受限的舰船平台具有重大意义。此外，S-CO₂发电系统还表现出优异的运行灵活性，可以在0%～100%供电负荷范围内自由调峰，调峰速率可达6%～8% Pe/min，能够适应舰船动力多变的工况需求。

 

二、S-CO₂发电系统的技术优势与发展历程

2.1 S-CO₂发电系统的技术优势

S-CO₂发电系统在舰船动力领域展现出多重技术优势，这些优势主要源于其工质的独特物性和循环特性。高效性是S-CO₂发电系统的首要优势。研究表明，在涡轮入口温度538℃的条件下，S-CO₂发电系统可实现43%的发电效率，显著高于传统朗肯循环热力发电系统33%的效率。这种高效率主要来自于超临界二氧化碳在临界点附近特殊的物理性质——当冷却器端接近临界温度时，压缩机入口的工质因处于临界压力附近而表现出易压缩的特性，从而显著降低了压缩耗功，提高了系统净输出功率。

紧凑性是S-CO₂发电系统的另一突出优势。与传统的蒸汽轮机和氦气涡轮机相比，S-CO₂涡轮机在同等功率等级条件下的尺寸和体积大幅减小。美国Echogen Power Systems公司的比较研究显示，两个发电功率均为8MW的热发电系统，S-CO₂发电系统的总体安装面积比蒸汽发电系统的总体安装面积至少小1/3。这种紧凑特性使得S-CO₂发电系统特别适合空间受限的舰船平台，为船舶设计提供了更大的灵活性，甚至可以预留出更多的有效载荷空间。

S-CO₂发电系统还具有良好的热源适应性和环境友好性。该系统能够适配多种热源，包括化石燃料燃烧、核能、太阳能光热以及各种工业余热，这一特点使其在舰船余热回收领域具有巨大潜力。据估算，船舶主机烟气排放热损失约占全部输入热量的25.5%，是所有热量损失形式中能量散失最多的部分。通过S-CO₂发电系统回收这些余热，可显著提升船舶动力系统的综合热效率。同时，系统采用二氧化碳作为工质，具有无毒、不易燃、化学稳定性好等特点，且在系统运行期间不产生额外的碳排放，符合日益严格的海洋环保法规。

2.2 S-CO₂发电系统的发展历程

S-CO₂布雷顿循环技术的发展历程可追溯至20世纪中期。其概念最早出现在1948年Sulzer申请的专利中，但当时并未引起广泛关注。直到20世纪60年代末至70年代，随着能源研究的深入，采用CO₂作为循环工质的优势逐渐显现。1967年，Feher提出了超临界工质再压缩的布雷顿循环概念，并对150kW能量转换系统和44kW透平泵进行了测试验证。随后，欧洲原子能公司提议将S-CO₂循环技术用于金属快堆，开展了S-CO₂在钠冷快堆中的应用研究。与此同时，米兰理工大学的Angelino研究了介质特性对布雷顿循环性能的影响，提出了以CO₂为工质的部分冷凝循环构型。

20世纪70年代，S-CO₂循环发电系统开始萌芽并初步应用于舰船动力领域。1977年，美国麻省理工学院的Combs研究了S-CO₂简单及再压缩循环在舰船动力系统中的应用，首次提出在海军舰艇推进领域采用S-CO₂循环系统以节省燃料，并阐述了简单紧凑型的布雷顿循环配置。这一时期，该项研究从循环热力学逐步转向应用设计，在核工程和舰船动力领域取得了显著进展。然而，受限于当时的工艺技术和材料水平，难以设计制造耐高温高压的紧凑换热器、高效透平系统等关键设备，同时缺乏合适的高温热源，导致S-CO₂发电系统的应用研究在20世纪80年代后逐步陷入沉寂。

经过近20年的发展瓶颈期，随着21世纪工业技术的进步和第四代核能系统的兴起，S-CO₂动力转换系统重新受到国际能源界的广泛关注。1999年，Petr等学者提出将S-CO₂布雷顿循环与出口温度在450～600℃范围内的反应堆热源相结合，展现了该技术的工程应用前景。从2000年开始，美国阿贡国家实验室（ANL）开展了S-CO₂布雷顿循环应用于铅冷却快堆和高温气冷堆的研究，并开发了专用的S-CO₂布雷顿循环分析程序，用于评估系统性能。2009年，巴伯-尼科尔斯公司和美国桑迪亚国家实验室（SNL）相继开展了小型S-CO₂压缩机与透平机械的试验验证，为小功率S-CO₂再压缩式布雷顿循环发电系统的开发奠定了基础。

2010年至今，S-CO₂发电技术进入了多领域协同拓展阶段。美国Echogen电力公司开发了EPS100热回收系统，该系统采用简单回热循环结构，使用工业级S-CO₂作为循环工质，当余热供应温度为532℃时，电力输出的效率可达24%。在舰船领域，美国海军实验室推动了应用于舰船电力推进的S-CO₂循环发电系统研制工作，设计建成了100kW的S-CO₂简单回热循环实验系统。与此同时，亚洲国家也积极跟进，日本和韩国针对工业余热回收利用场景，提出了千瓦级循环发电系统的谱系化设计；欧盟则针对光热电站、化石燃料发电等领域开展了相应的S-CO₂布雷顿循环研究。

中国在S-CO₂发电技术领域虽然起步较晚，但近年来取得了显著进展。在舰船动力领域，中国船舶集团第七〇四研究所成功完成了面向特殊环境应用的百千瓦级超临界二氧化碳闭式布雷顿循环发电系统研制工作，并开展了4小时满负荷连续运行试验现场复测。该系统是完整的基于超高速一体化（压缩机—电机—透平一体化）核心机的百千瓦级sCO2发电系统，技术可扩展应用至兆瓦级，意味着七〇四所基本掌握了兆瓦级sCO2发电系统及设备研发能力。重庆江增船舶重工有限公司自主研制的国内首台6兆瓦超临界二氧化碳透平压缩发电机组完成机械运转试验，机组进口压力超过20MPa，温度高达600℃，综合性能达到国际领先水平。此外，中国在民用热电转换领域也取得突破，西安热工研究院有限公司完成了5MW级S-CO₂循环发电试验机组的72小时试运行，该系统是目前世界上参数最高、容量最大的S-CO₂发电试验系统之一。

三、S-CO₂发电系统设计的七大关键技术

超临界二氧化碳发电系统虽然具有显著优势，但其技术复杂性也相应较高，涉及多项关键技术的突破与集成。基于现有研究成果和工程实践，S-CO₂发电系统设计需解决以下七大关键技术：

3.1 高效紧凑式换热器设计与制造技术

换热器是S-CO₂发电系统中的关键部件，主要包括回热器和冷却器。由于S-CO₂在临界点附近的物性变化剧烈，给换热器的设计与制造带来了巨大挑战。回热器的性能直接影响整个系统的效率，需要在小温差下实现高效换热，同时还要兼顾流动阻力控制。美国阿贡国家实验室针对S-CO₂循环系统开发了紧凑式扩散焊换热器，并在专门的测试平台上进行了验证。这种换热器采用微通道设计，具有极高的面积密度，能够在有限体积内实现大面积换热，但同时也带来了制造工艺复杂、成本高昂的问题。对于舰船应用场景，换热器还需要考虑海水侧腐蚀、生物污损以及频繁变工况运行等特殊要求，这使得换热器的设计和选型更为复杂。

3.2 超高速一体化轴系与高精度动平衡技术

S-CO₂发电系统的核心是超高速一体化轴系，通常采用"压缩机—电机—透平"一体化设计（TAC）。这种设计的技术挑战在于，机组转子系统需要在高温高压环境下以极高转速稳定运行，通常转速可达数万转每分钟。中国船舶集团第七〇四研究所研制的百千瓦级sCO2发电系统，成功突破了超高速一体化轴系高精度动平衡关键技术，实现了核心模块整体集成于有限尺寸圆柱筒体结构的目标。该技术难点主要包括：转子动力学设计、临界转速规避、不平衡响应控制以及高速轴承技术。特别是在接近临界点附近运行的S-CO₂压缩机，其对叶轮设计和转子动力学要求极高，微小的不平衡量在高速旋转下都会导致剧烈振动，影响系统安全稳定运行。此外，高速轴承系统需要解决润滑、冷却和寿命问题，在S-CO₂环境中传统的润滑方式可能不适用，需要开发新型磁悬浮轴承或特殊气体轴承技术。

3.3 特种材料与先进制造工艺技术

S-CO₂发电系统长期在高温（可达600℃以上）、高压（超过20MPa）及复杂应力状态下运行，对关键部件的材料提出了极高要求。重庆某船舶重工有限公司研制的6兆瓦超临界二氧化碳透平压缩发电机组，工作参数达到进口压力超过20MPa，温度高达600℃。在这种严苛的工作环境下，材料需要具备良好的高温强度、抗蠕变性能、抗疲劳性能以及与S-CO₂介质的相容性。特别是涡轮叶片、热交换器等核心部件，需要采用镍基高温合金或特种不锈钢等先进材料。制造工艺方面，S-CO₂发电系统涉及多种特殊结构件的加工，如中国船舶集团第七〇四研究所攻克的"1.9毫米微尺寸流道闭式叶轮先进制造"技术，体现了该系统对制造精度的极端要求。此外，焊接技术、表面处理技术以及检测技术都需要针对S-CO₂环境进行特殊优化，确保部件在长期运行中的可靠性。

3.4 系统集成与紧凑化模块化设计技术

舰船空间有限，要求动力系统尽可能紧凑、轻量化。S-CO₂发电系统的优势在于其高功率密度，但要实现在舰船上的应用，还需要进一步的集成化和模块化设计。系统集成技术包括热力系统优化、设备布置优化、管道设计以及辅助系统简化等。中国船舶集团第七〇四研究所实现了"核心模块整体集成于有限尺寸圆柱筒体结构"的目标，体现了系统紧凑化设计的成果。模块化设计则便于系统安装、维护和更换，可提高舰船的可维护性和任务灵活性。对于不同舰船类型和功率等级，还需要进行系列化设计，平衡标准化与定制化的矛盾。此外，系统集成还需要考虑与舰船原有动力系统的匹配问题，包括热源接口、电力输出接口以及控制系统接口等。

3.5 变工况控制与稳定运行技术

舰船运行工况复杂多变，要求动力系统具有良好的负荷适应性和动态响应特性。S-CO₂发电系统在变工况下的行为和控制策略与传统动力系统有显著区别，需要开发专门的控制算法和系统。美国海军实验室使用美国核管会（NRC）开发的TRACE程序论证稳态及瞬态工况下的系统控制策略，并完成了试验验证。S-CO₂系统的控制难点在于：工质物性在临界点附近剧烈变化，系统呈高度非线性；压缩机近临界点运行时易进入喘振区；回热器两侧流量匹配困难；快速变负荷时参数波动大等。针对这些挑战，需要研究系统的动态特性，建立准确的数学模型，设计先进的控制算法，并在实际系统中进行验证。同时，系统的启动和停机过程也需要特殊考虑，避免在临界点附近运行不稳定。

3.6 先进密封与润滑技术

S-CO₂发电系统涉及高温、高压和高速工况，对密封技术提出了极高要求。系统压力可达20MPa以上，温度超过600℃，传统的密封方式难以满足需求。密封技术的难点主要包括：旋转轴密封防止高压S-CO₂泄漏；静密封在高温高压下保持可靠性；密封材料与S-CO₂的相容性等。针对旋转轴密封，可能采用干气密封、迷宫密封或新型动压密封等技术。润滑技术方面，由于S-CO₂对传统润滑油的溶解性强，常规润滑方式可能不适用，需要开发新型润滑方案，如自润滑材料、固态润滑或S-CO₂本身作为润滑介质等。

3.7 海洋环境适应性设计与减振降噪技术

舰船运行环境特殊，要求动力系统具备良好的海洋环境适应性，包括抗腐蚀、抗振动、抗冲击等特性。S-CO₂发电系统作为舰船动力，需要进行全面的环境适应性设计。减振降噪是舰船，特别是军用舰艇的重要指标。S-CO₂发电系统虽然本身噪声较低，但仍需要针对机械振动和流体噪声采取专门措施。中国船舶集团第七〇四研究所称S-CO₂发电系统具有"低噪声"优势，但要满足舰船严格的水下噪声要求，可能还需要采用隔振、阻尼、消声等综合技术。此外，系统还需要考虑舰船摇摆、冲击等特殊工况下的可靠运行，关键部件需要加强支撑和固定，控制系统需要考虑姿态变化对系统运行的影响。

 

四、S-CO₂发电系统在船舶动力中的作用

超临界二氧化碳发电技术在船舶动力系统中扮演着多重关键角色，其应用能够有效解决传统船舶动力系统存在的若干固有问题，为船舶动力系统升级提供技术路径。

4.1 提升船舶动力系统能效

船舶动力系统的能效直接关系到船舶的运营成本和续航力。目前，最先进的大功率船用二冲程柴油机热效率已接近50%，这意味着超过一半的燃料能量未被有效利用而通过各种途径散失。以某型6800TEU集装箱运输船采用的主动力柴油机为例，其烟气排放热损失占全部输入热量的25.5%，是所有热量损失形式中能量散失最多的部分。S-CO₂发电系统能够高效回收这些中低温余热，将废弃的热能转化为电能，提供船舶辅助动力或直接用于推进。美国Echogen Power Systems公司开发的EPS100热回收系统，当余热供应温度为532℃时，电力输出的效率可达24%。将这种系统应用于船舶主机余热回收，可提升动力装置整体效率约30%，显著降低燃油消耗，减少运营成本。

4.2 优化船舶空间布局

传统船舶动力系统体积庞大，占据了船舶大量宝贵空间。S-CO₂发电系统凭借其高功率密度和紧凑特性，能够显著减小动力系统占地面积，为船舶设计提供更大灵活性。研究表明，在同等功率级条件下，S-CO₂涡轮机的尺寸和体积远小于蒸汽涡轮机和氦气涡轮机。美国Echogen Power Systems公司的比较研究显示，两个发电功率均为8MW的热发电系统，S-CO₂发电系统的总体安装面积比蒸汽发电系统的总体安装面积至少小1/3。这种空间节省效果对于各类船舶均具有重要意义：在军用舰艇上，可释放更多空间用于武器装备或电子系统；在商用船舶上，则可增加货物装载空间或提高乘客舒适度；在渔船或科考船上，则为专业设备提供更多安装空间。

 

4.3 实现动力系统多元热源适配

S-CO₂发电系统具有广泛的热源适应性，能够灵活匹配多种能源形式，这使得它在船舶动力系统多元化发展的背景下具有独特优势。系统可与传统柴油机、燃气轮机结合，回收其排气余热；也可与核反应堆结合，作为能量转换系统；还可与燃料电池、太阳能系统等新能源技术结合，形成混合动力系统。美国阿贡国家实验室针对船舶推进及电力应用，提出了适配小型模块化反应堆的S-CO₂动力转换系统方案，明确了其与高温热源结合的可观经济性。这种多元热源适配能力使S-CO₂发电系统能够适应不同船型和任务需求，为船舶动力系统提供更多选择和更大灵活性。

4.4 促进船舶减排与环保合规

随着国际海事组织（IMO）对船舶排放的要求日益严格，船舶动力系统的环保性能变得越来越重要。S-CO₂发电系统本身不产生额外排放，且通过提高整体能效减少单位输出功率的燃料消耗和碳排放。挪威海产基金会在其商业项目计划中，宣布投入350万挪威克朗，将远洋渔业船队的温室气体排放量减少50%的目标计划。在这种背景下，S-CO₂发电技术作为有效的减排技术之一，有望在未来的船舶减排措施中发挥重要作用。此外，相比传统的有机朗肯循环（ORC）余热回收系统，S-CO₂系统使用天然工质二氧化碳，不存在工质泄漏对环境造成的潜在影响，更加环保安全。

 

4.5 增强船舶电力系统能力

现代船舶，特别是专业船舶和军用舰艇，对电力的需求日益增长。先进的雷达系统、电子战设备、指挥控制系统以及日益增多的船员生活设施，都对船舶电力供应提出了更高要求。S-CO₂发电系统能够提供高质量、稳定的电力供应，满足高敏感设备的用电需求。系统的快速负荷响应能力（调峰速率可达6%～8% Pe/min）使其能够适应船舶电力负荷的快速变化。此外，系统可采用模块化设计，根据需要配置不同功率等级的发电单元，提高船舶电力系统的冗余性和可靠性。对于采用综合电力推进系统的船舶，S-CO₂发电系统可直接作为推进动力源，简化系统结构，提高能源利用效率。

 

五、S-CO₂发电系统在舰船领域的应用前景

超临界二氧化碳发电技术在舰船领域的应用前景广阔，随着技术的成熟和成本的降低，其应用范围将不断扩大，对未来舰船设计和发展产生深远影响。

5.1 军用舰艇动力系统升级

军用舰艇对动力系统的性能要求极为苛刻，不仅要求高功率密度、高效率，还对低噪声、抗冲击等方面有特殊要求。S-CO₂发电系统在这些方面展现出显著优势，有望成为未来军用舰艇动力系统的重要选择。在海军舰艇领域，早在上世纪70年代，麻省理工学院就以"佩里"级（FFG7）导弹护卫舰为分析对象，开展了海军舰艇余热回收sCO2发电系统应用研究。目前，美国海军实验室已设计建成100kW的S-CO₂简单回热循环实验系统，为系统上舰应用奠定了基础。S-CO₂发电系统的低噪声特性对潜艇尤为重要，可显著降低水下辐射噪声，提高隐蔽性。此外，系统的高功率密度可为日益增多的舰载电子设备和高能武器提供充足电力，支持未来战舰的电力需求。

5.2 民用船舶节能减排应用

国际海事组织（IMO）对船舶能效设计指数（EEDI）、现有船舶能效指数（EEXI）和碳强度指标（CII）的要求日益严格，推动民用船舶寻求有效的节能减排技术。S-CO₂发电系统在民用船舶领域主要有三方面应用：一是作为主机余热回收系统，提高主推进动力系统效率；二是作为辅机发电系统，提供船舶辅助电力，减少专用发电机的运行时间；三是作为主推进动力系统，与其他热源（如燃气轮机、核反应堆）结合，形成高效动力系统。上海外高桥造船有限公司研发的全球首艘使用创新推进装置和液化天然气（LNG）/氢气（H2）燃料动力超大型原油运输船，采用了对转桨作为主推进方式，结合多种减排技术，较2008年水平，该船型的二氧化碳减排效果达到70%以上。在这种背景下，S-CO₂发电系统作为高效的余热回收技术，有望在民用船舶减排技术体系中占据重要地位。

5.3 新能源船舶动力系统适配

随着船舶新能源化进程加速，氢能、氨能、甲醇等新型能源载体逐步应用，S-CO₂发电系统在这些新能源船舶中也具有应用潜力。系统可与燃料电池、氢内燃机等新型动力装置结合，提高整体能效。例如，外高桥造船研发的VLCC采用了甲烷重组制氢和氢燃料电池的技术方案，在蒸汽重整器中将LNG与蒸汽结合，将LNG分子分解为氢气和二氧化碳，然后将氢气直接用于为内燃机和燃料电池提供燃料。在这种多能源系统中，S-CO₂发电系统可以用于回收高温过程的余热，进一步提高系统整体效率。此外，随着碳捕获与封存（CCS）技术在船舶上的应用，如日本新来岛Sanoyas造船开发的液化二氧化碳运输船，S-CO₂发电系统可能与这些新技术形成协同效应，构建船舶能源系统的闭环碳循环。

 

六、S-CO₂发电技术趋势

超临界二氧化碳发电技术作为一项具有革命性潜力的热功转换技术，在舰船动力领域展现出广阔的应用前景。该系统基于闭式布雷顿循环，以超临界状态的二氧化碳为工质，具有效率高、体积小、重量轻、噪声低、热源适应性强等突出优点，能够有效应对当前舰船动力系统面临的效率瓶颈、空间限制和排放法规等多重挑战。

从技术发展历程来看，S-CO₂发电技术经历了从概念提出、研究高潮、技术瓶颈到复兴发展的多个阶段，目前正处于工程化和实用化的关键时期。在舰船应用领域，多项演示验证和实验系统的成功运行，为技术实用化奠定了坚实基础。然而，要将S-CO₂发电系统广泛应用于舰船，仍需突破超高速一体化轴系、高效紧凑式换热器、特种材料与先进制造等七大关键技术，解决系统在集成度、可靠性、环境适应性和成本控制方面的问题。

展望未来，随着关键技术的不断突破和工程经验的积累，S-CO₂发电系统有望在军用舰艇、民用船舶以及新能源船舶等多个领域发挥重要作用，成为未来舰船动力系统的重要组成部分。特别是在船舶减排压力增大和能源多样化的背景下，S-CO₂发电技术的独特优势将更加凸显。下一步的研究应聚焦于系统集成优化、成本控制和大规模示范，加速这项创新技术从实验室走向实船应用的进程，为船舶动力系统升级和航运业减排目标提供技术支持。

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