液态金属快堆/太阳能光热系统与超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电系统深度融合，必将引领能源动力领域革命性发展。由于液态金属与S-CO₂的特殊物理性质，液态金属普朗特数远低于常规流体，S-CO₂的物理性质奇异性变化，其流动换热特性与常规流体存在显著差别，其流动与传热机理比较复杂，耦合传热机理尚不明朗。本文归纳总结了国内外关于S-CO₂、液态金属、耦合换热与耦合换热器在实验、数值模拟、传热预测模型的主要研究成果，指出液态金属与S-CO₂流动换热及其耦合传热研究中存在的问题，为先进动力循环系统以及多工质耦合动力系统的设计和安全运行提供参考依据。

基于二氧化碳热力循环的储能技术，结合二氧化碳循环的优良性能和捕集后二氧化碳的再利用需求，有望在未来以新能源为主体的能源体系中发挥出重要作用。针对基于二氧化碳循环的储能技术进行了定义，并依据各储能方案的技术特点将该储能划分为电热储能，低、中和高压储气的压缩二氧化碳储能，低温和近常温储液的压缩二氧化碳储能，以及恒压储气的压缩二氧化碳储能；讨论了各类储能技术的研究现状、具有的优势和存在的不足。低压储气的压缩二氧化碳储能技术最为成熟，目前已有大型工程示范机组建成；高压储气的压缩二氧化碳储能和大规模电热储能的综合性能较好，但成本较高；低压端储存液态二氧化碳的压缩二氧化碳储能的循环效率最低，但储能密度最高；恒压储气的压缩二氧化碳储能效率最高，可达74%~76%，储能密度接近2（kW·h）/m³，是极具发展前景的压缩气体储能技术之一。

超临界二氧化碳布雷顿循环与铅冷快堆的结合被认为是最为理想的动力循环之一，系统通过中间换热器传递热量，其性能影响着整个发电系统的高效与安全运行。由于超临界二氧化碳和液态铅铋合金（LBE）物理性质和热输运性质差异显著，对称式结构无法匹配两侧工质的换热要求，构建了1种非对称式紧凑式耦合换热器，采用数值模拟方法研究了超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热特性。结果表明：提升冷侧流体入口速度会显著增强换热；增加热侧LBE入口速度时，总换热系数先降低后增加；提升换热器冷热流体入口温度，换热器的换热系数先减小后增大，存在最优值；在拟临界区内，强浮力作用会大幅提升冷侧换热，而加速效应则抑制换热。

针对印刷电路板式换热器由于加工误差以及服役过程中变形导致的实际换热性能与理论存在偏差问题，利用超景深显微镜技术，测量获取了实际微通道的形状特点，对不同通道形状的微通道换热进行了数值模拟，分析了通道形状对热工性能的影响，综合考虑物性变化、通道形状变化的影响，根据数值模拟结果获得了新的传热特性关联式，可为评估实际服役的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器的换热性能提供理论基础。

针对超临界二氧化碳（S-CO₂）燃煤锅炉冷却壁热边界条件的实际分布，采用SSTk-ω低雷诺数湍流模型，数值模拟研究了半周加热轴向非均匀热流作用下S-CO₂在垂直圆管内的传热特性，分析了不同热流分布、质量流速对换热性能以及圆管内壁温度分布的影响。研究结果表明：轴向非均匀热流分布对S-CO₂传热具有显著影响，在平均热流相同的条件下，相较于均匀热流分布，轴向非均匀热流分布下总传热系数最大提高了约8%；轴向非均匀热流分布对传热恶化有抑制作用，有效降低了壁温峰值点；非均匀热流条件下，S-CO₂传热主要受类气膜厚度、类气膜导热系数及近壁区定压比热容的影响较大。研究结果可为燃煤S-CO₂锅炉设计提供理论指导。

为探究二氧化碳和水蒸气工质在透平叶栅中损失特性的异同，采用数值方法研究了2种工质在轴流透平静叶栅以及级内的流动特性，获得了亚音速条件下透平级高效运行的最佳马赫数。结果表明：随着马赫数增大，流动损失先增大后减小；当马赫数较低时，扩压段范围较大且易回流，使得壁面边界层增厚并分离，总体流动损失增大；当马赫数较高时，通道内二次流强度较大，且在叶片尾缘附近产生激波，其流动损失主要源于二次流和激波；与水蒸气相比，二氧化碳的动力黏度略大，密度约是水蒸气的2倍，在相同马赫数时其主流速度较低，边界层较厚，因此在马赫数较低时其壁面摩擦损失较大，总体损失较大；马赫数低于0.30时，以二氧化碳为工质的透平级总总等熵效率较低，马赫数高于0.50时，二氧化碳的效率略高于水蒸气；在叶型最佳出口马赫数约为0.60时，2种介质在级环境下的总总等熵效率均达到最高。该研究结果将为进一步提高水蒸气和二氧化碳轴流透平的设计水平以及深入理解不同介质在透平级内的流动特性提供参考。

实际气体效应和湍流效应对超临界二氧化碳（S-CO₂）干气密封性能影响很大。建立了典型的螺旋槽干气密封计算模型，采用CFD软件求解S-CO₂干气密封端面流动方程，获取流体在密封槽间隙间的流动状态，研究了不同转速下实际气体效应和湍流效应对密封性能的影响。结果表明：实际气体效应和湍流效应使气膜端面压力分布发生显著变化；实际气体效应会提高气膜开启力和泄漏量，对开启力的增强作用随转速增大而变强，但对泄漏量的影响程度几乎不随转速变化；低转速时，湍流效应对开启力影响微弱，随着转速增大，湍流效应使得开启力急剧增大，且增幅随转速增大而增大；在高转速S-CO₂干气密封中，实际气体效应和湍流效应的共同作用使得气膜端面的开启力显著提高，且湍流效应的影响程度大于实际气体效应。

研究了水平管内低质量流量超临界二氧化碳（S-CO₂）异常传热行为，采用Fluent软件模拟了水平管内低质量流量条件下S-CO₂传热过程，分析了加热和冷却条件的异常传热行为和热流密度对传热影响。结果表明：热边界条件为压力8MPa、质量流率200 kg/（m²·s）、热值比q/G=0.2kJ/kg时，S-CO₂管内流动冷却过程中上、下壁面温度均沿程降低，在S-CO₂主流温度达到拟临界温度时，距离入口551.0 mm处上壁面换热系数出现突变峰值，该处传热强化；S-CO₂管内流动加热过程中上壁面温度均先沿程升高，而后下降至395 K后缓慢上升，下壁面温度短暂降温后缓慢升温，距离入口69.5mm处上壁面传热系数出现谷值，该处传热恶化；热流密度的增大使加热条件下换热恶化程度加剧，但对冷却换热并无明显影响。由此可见，特征截面的热物性分布是导致出现不同换热行为的主要原因。最后，基于低质量流量条件、热物性及浮升力影响，构建了预测超临界强化传热关联式，为超临界流体换热设备的设计与运行优化提供理论指导。

基于热力学第一、第二定律，针对超临界二氧化碳（S-CO₂）再压缩循环、再压缩再热循环、部分冷却循环、部分冷却再热循环燃煤发电系统，采用MATLAB软件分别进行参数计算与分析。随后分别讨论了分流系数，主压缩机出口、入口压力对系统循环效率、各设备及系统㶲效率的影响，并对4种循环系统进行了对比分析。结果表明：不同循环布局下或同一循环布局，不同运行参数下，循环效率随相同参数的变化规律不同；分流系数存在使循环效率、㶲效率达到最高的最优值，主压缩机出口、入口压力与分流系数对循环效率的影响存在耦合关系；对于不同参数变化，系统㶲效率主要受不同设备㶲效率的影响；再热可提高系统循环效率和㶲效率，有部分冷却的循环对参数变化敏感度相对较低。

为提升燃煤机组运行灵活性，提出了燃煤发电集成超临界二氧化碳（S-CO₂）储能循环的热力系统，并基于热力学㶲分析方法，研究了运行参数对系统不可逆损失的影响。研究结果表明：该系统储能效率可达56.14%，S-CO₂流量及S-CO₂压缩机/透平压比对系统㶲效率影响较大；当S-CO₂流量在50 kg/s至70 kg/s间增大，系统㶲效率从44.0%增大至61.0%；当压缩机/透平压比在3.0至6.0间增大，系统㶲效率从27.5%增大至52.5%。本文提出的方法为提升燃煤机组运行灵活性提供了理论参考，并为可再生能源大规模并网提供了思路。

构建高参数燃气轮机与超临界二氧化碳（S-CO₂）联合循环模型，并开展热力性能分析。顶循环采用燃烧室排气温度为1 800 ℃的高参数燃气轮机，底循环采用S-CO₂朗肯双透平循环，同时采用三级烟气加热和两级透平排气回热；通过惩罚函数法，得到优化后的联合循环工况下的参数和热力性能，分析了高参数燃气轮机顶循环和S-CO₂朗肯底循环主要参数对联合循环性能的影响规律。结果表明：在燃气轮机压比为35.5，燃烧室出口温度为1 800 ℃时，联合循环热效率可达68.61%，燃气轮机与S-CO₂朗肯循环效率比燃气-蒸汽联合循环提高2.3百分点。

超临界二氧化碳（S-CO₂）循环具有循环效率高、设备尺寸小、运输安装方便、易于达到临界点等优势。考虑到液化天然气（LNG）具有的巨大冷能，不仅可以作为冷却剂应用于联合循环系统，且换热后的天然气既可以作为联合循环的燃料输入，剩余部分又可供给城市用户。故提出了一种基于LNG冷能利用的燃气轮机/S-CO₂联合循环系统，选择合适成本公式对循环发电系统的投资成本、运行收益以及回收周期进行计算分析；对联合循环系统中一些关键参数的变化（如最高温度、最高压力、最低温度、最低压力和分流比）对S-CO₂循环的发电特性、经济性影响进行研究。结果表明：每个单参数的增大都会使设备投资成本呈现先增大后减小的趋势，但是发电量的大小对收益的影响占主导地位；以收益作为衡量标准，最高温度越高越好，最低温度越低越好，其他参数下均存在最佳值使收益达到最大；对关键参数以累计收益最大为优化目标进行遗传算法优化，优化后的回收周期为5.86年，20年累计收益为22.87亿元。

针对燃气轮机余热利用问题，以有回热的超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环为基础，引入中间冷却、中间再热和分流再压缩技术，建立6种循环方案。分别以S-CO₂动力循环的循环效率最高和循环净输出功最大为优化目标，采用遗传算法对各方案的参数进行优化，并对每个方案的优化结果进行经济性比较。结果表明：以循环效率最高为优化目标时，引入一次中间冷却、一次中间再热和一次分流再压缩都能不同程度提高循环效率，其中引入一次分流再压缩和一次中间再热的方案6循环效率最高，达到43.29%；以循环净输出功最大为优化目标时，引入一次中间冷却可以增大输出功，引入一次中间再热会减小S-CO₂动力循环净输出功，而一次分流再压缩退化为无分流方案，其中引入一次中间冷却的方案2净输出功最大，为82 620.02 kW；6个方案的经济性均在以S-CO₂动力循环净输出功最大为优化目标时更具优势，原因在于这种情况下对燃气轮机排烟的余热利用效率更高，其中方案2运行20年收益最大，为50.65亿元。

离心压缩机是超临界二氧化碳（S-CO₂）循环系统中的关键部件之一，对系统的效率和稳定运行起决定性作用。区别于传统空气工质压缩机，S-CO₂工质的独特物性使得压缩机内部流场更为复杂；基于空气物性特点建立的损失模型也需要做针对性的修正以满足S-CO₂离心压缩机的性能预测要求，因此需要数值模拟研究探明压缩机内部流场特性，以此对压缩机性能预测方法做相应的改进。首先开展压缩机一维气动参数设计，并在一维设计参数的基础上建立三维模型，分析压缩机内部流场特点，发现分流叶片对内部流场有较大影响，同时变工况下叶轮内部流场发生改变也会引起出口气流角的变化，基于此，对压缩机非设计工况下滑移因子和计算叶片数进行修正，同时改进表面摩擦系数以预测压缩机的非设计工况性能。数值模拟结果表明，改进后模型的预测误差显著降低，非设计工况下平均效率误差从2.03%下降到0.16%。

透平作为超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电系统的核心设备之一，目前缺乏针对机组整体性能的可靠评估与试验验证。针对某S-CO₂机组轴流透平不同工况试验测试结果进行了仿真与测试的对比分析，重点讨论了进排气壳体对机组性能的影响。研究结果表明：采用的数值计算方法和综合考虑进排气壳体的计算模型能够较为准确地评估透平不同负荷工况性能；与测试结果相比，效率误差最大为1.77百分点，流量误差最大为5.6%。该透平动叶采取叶冠型式可降低泄漏掺混损失，与普通叶顶间隙型式相比，机组效率提升1.4百分点。有无进排气壳体的仿真结果显示，透平机组（涡轮级+进排气壳体）效率与涡轮级效率相比，最大降低了2.9百分点，主要是由进排气壳体内部的流动损失造成。研究成果为后续S-CO₂轴流透平设计与性能研究提供了技术支撑和依据。

针对某型超临界二氧化碳（S-CO₂）轴流透平开展了冷却系统设计，通过抽取压缩机后管道中低温S-CO₂对干气密封、转轴和壳体进行冷却，以保证干气密封工作温度低于200.0 ℃。采用耦合传热方法分析了该冷却系统的流动和传热特性，对比了不同冷却方案的干气密封、转轴与壳体等固体域的温度分布。结果表明：采用转轴冷却方案时转轴温度降幅达到220.3 ℃，干气密封最高温度为229.1 ℃；进一步引入温度更低流量更大的S-CO₂对壳体进行冷却，能抑制透平进口处高温主流的加热作用，转轴温度降幅增加到244.1 ℃，干气密封最高温度下降到181.2 ℃，同时S-CO₂轴流透平干气密封、壳体和转轴等被冷却部件温度梯度可控。该冷却系统为S-CO₂轴流透平的安全可靠运行提供了解决方案。

采用超临界二氧化碳（S-CO₂）循环时，炉膛管内工质温度较高，耐热钢钢材等级需提升。S-CO₂管内工质温度与壁温相差较大，远高于水蒸气锅炉30~50 ℃的温差范围。工程应用的水蒸气锅炉受热面选材的要求与依据，无法直接用于S-CO₂锅炉。在材料边界条件下，从材料的高温强度和腐蚀特性出发，综合成熟耐热材料的使用情况和经济性能，探讨将T23、T91、T92、TP347HFG、Super304H等耐热钢应用于S-CO₂锅炉的可行性，得到S-CO₂锅炉的选材特点。研究结果表明：在一定管结构条件下，T91可用于冷却壁选材，传统水蒸气锅炉水冷壁管材，如12Cr1MoVG、T21和T23等铁素体耐热钢将无法使用；对于过热器，只有热强性更好的奥氏体钢TP347HFG与Super304H在一定管结构参数条件下才符合受热面选材要求。

以超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电机组中主设备S-CO₂锅炉作为研究目标，以5 MW试验机组作为研究对象，开展S-CO₂锅炉性能指标评价体系研究。S-CO₂锅炉的核心性能指标为锅炉燃料效率、换热面吸热量占比、空气预热器性能、工质系统压降和锅炉NO_x排放浓度等。燃料效率计算中，通过计算尾部烟气含氧量进行过量空气系数推算燃料消耗量和风量，并改进排烟热损失的计算方法。引入了换热面吸热量占总吸热量比值作为S-CO₂锅炉工质侧性能考核指标。建立了5 MW S-CO₂燃气锅炉性能指标评价体系并集成程序且完成案例分析。实际工况与研究对象的设计参数（设计效率93.53%）基本相当，最终计算获得锅炉燃料效率未经修正为92.05%，锅炉燃料效率修正为93.79%。