来源：国际透平杂志

超临界CO2发电循环是布雷顿循环，其利用超临界CO2作为工质，将热量转化成电力。相比其它能量转换技术如蒸汽朗肯循环或有机朗肯循环，布雷顿循环在提供相对较高系统能效更具潜力；尤其在升高温度情况下运行。人们正在考虑广泛应用超临界CO2发电循环，包括燃料燃烧系统，废热回收，集中式太阳能发电，核电以及储能等。

超临界CO2独特性是作为闭式或半开式循环里的工质其提供的收益超过了蒸汽，可吸收热能，进行压缩，然后在将动力传递给透平进行发电。CO2的超临界状态通常指高于31℃，7.4MPa，很容易获得。超出这些条件就成了超临界流体，相比蒸汽或空气，其具有可压缩性和较高的密度。这就导致对于给定的功率等级其透平机械的体积就相对较小（10:1的系数）。

14. 基于这些优点，超临界CO2发电循环可提供多个潜在效益：
14. 鉴于超临界CO2独特的流体和热力学特性，该循环可提供较高的循环效率；
14. 燃料使用较少，排放减少；
14. 结构紧凑，成本低，装置尺寸小，占地少，对负载瞬变快速响应；
14. 使用水减少，包括干燥冷却应用情况下不需要水；
14. 热源灵活性，既适用于零排放热源，也用于低排放热源。

为促进透平入口温度高的非直接燃烧超临界CO2循环的发展和商业布局，需要进行中试规模试验，验证部件和系统是按照足够的尺寸在现实条件下的性能。

因此GTI能源公司、西南研究院以及通用电气全球研发中心正在进行超临界转换电力（STEP）示范项目，设计、安装、调试和运行整体式可配置的10MWe超临界CO2中试装置试验设备。

该项目由美国能源局、项目团队成员、部件供应商以及JIP成员共同投资。设施位于美国德克萨斯州西南研究院的圣安东尼奥。目标是促进超临界CO2循环发电商业化。设计阶段已经完成，目前的第二阶段正在一个占地面积22000平方英尺的建筑内顺利进行。

对于该项目记住有多个目标。除了展示sCO2动力循环的可操作性，研究人员还希望验证组件的性能，并展示生产更低电力成本的潜力，热力循环效率超过50%，以及高于700°C的透平进口温度。此外，他们计划验证再压缩闭式布雷顿循环(RCBC)配置。

对两种不同的配置将进行测试。初始系统配置将是超临界CO2简单循环运行在透平入口温度500℃和压力250巴。它包括一个单一的压气机、透平、回热器和冷却器。这种配置提供了最短的时间和“获得稳态和暂态数据的最低风险”。它特别适用于小型简单循环燃气轮机的余热回收应用。随后将采用RCBC配置，在715℃和250巴的温度下运行，以演示在最先进的已知和批准的材料限制下可能实现的最高效率。

部件和制造创新

为了保证各种部件达到其预期设计功能，各家也做了大量工作。

商业规模的再压缩闭式布雷顿循环配置潜在热动力学循环效率大于50%。（图片来源：透平杂志）

该10MW透平已经在一个前身项目中进行了测试，功率为1MW，温度715°C，转速为27,000 rpm。对10WMe测试的改进包括延长转子寿命(100,000小时)，剪切环固定替代螺栓，轴两端的联轴器，优化蜗壳流动面积，改善气动性能。

在紧急情况下控制流向涡轮的流量和关闭需要一个特殊的控制阀，从GE Power商用汽轮机改装而来，以适应sCOa流体和工作温度。当需要紧急关闭时，它将在0.2秒内关闭。它采用了Haynes 282高温镍合金材料、先进的阀杆密封和紧凑的独立执行器，这些执行器借鉴了贝克休斯的商业设计。

该压缩机利用了贝克休斯现有的商业产品线，以及GE和西南研究院在美国能源局资助的APOLLO项目中所开展的工作。为减小尺寸压气机转子而采用单体设计。和单体透平一样，这些叶轮都是由贝克休斯在意大利佛罗伦萨的车间用五轴EDM加工而成。

讨论了各种运行场景，包括在液体或两相条件下压缩机的低速启动。在加压保持期间，sCO2循环将冷却到环境温度，液态CO2很可能形成。需要用液体或两相CO2重新启动，以避免回路泄漏，在低负荷下进行预热需要特别小心和监测控制灵活性，避免潜在的设备损坏。

该系统的组件调试正在进行中，计划在2023年初完成工厂建设。该团队预计将在2023年晚些时候完成初始阶段的测试，随后公布结果和研究结果。