動(dòng)力系統(tǒng)是艦船的“心臟”，海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略對(duì)未來艦船動(dòng)力系統(tǒng)提出了高功率密度、高效率、高可靠性、低容積、低排放及低噪聲等要求。目前，大型水面船艦的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)主要采用新型熱源結(jié)合蒸汽朗肯循環(huán)，其在常規(guī)運(yùn)行條件下的熱效率通常不超過30%，存在效率較低且系統(tǒng)體積較大等限制因素，所以亟須充分發(fā)揮新質(zhì)生產(chǎn)力的優(yōu)勢(shì)，完成動(dòng)力循環(huán)模式、工質(zhì)及構(gòu)型的更新?lián)Q代。

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，S-CO2）循環(huán)發(fā)電技術(shù)作為熱力發(fā)電領(lǐng)域重要的技術(shù)變革，其以S-CO2作為工質(zhì)并采用閉式布雷頓循環(huán)模式，相較于主流蒸汽及燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)動(dòng)力裝置及循環(huán)模式，其具有功率密度高、循環(huán)效率高、振動(dòng)噪聲小、熱源適用性強(qiáng)、功率范圍廣等顯著優(yōu)勢(shì)，可以有力支撐艦船動(dòng)力循環(huán)和電力推進(jìn)等領(lǐng)域的發(fā)展需求。

一、S-CO?發(fā)電系統(tǒng)概述與工作原理

超臨界二氧化碳（S-CO?）發(fā)電技術(shù)是近年來熱力發(fā)電領(lǐng)域一項(xiàng)重要的技術(shù)變革，其以處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工作介質(zhì)，采用閉式布雷頓循環(huán)模式，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而發(fā)電。工程上，當(dāng)流體的溫度和壓力均超過其臨界點(diǎn)（二氧化碳的臨界溫度為31.05℃，臨界壓力為7.37MPa）時(shí)，該流體即處于超臨界狀態(tài)。超臨界二氧化碳作為一種"超級(jí)工質(zhì)"，其物理性質(zhì)介于氣體和液體之間，同時(shí)具備氣體的高擴(kuò)散性和液體的高密度特性，密度接近液體而粘度近似于氣體，擴(kuò)散系數(shù)是液體的近百倍，這種獨(dú)特的物性使其成為熱力循環(huán)的理想工質(zhì)。

S-CO?布雷頓循環(huán)的典型熱力循環(huán)過程包含四個(gè)核心環(huán)節(jié)：等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹和等壓放熱。在一個(gè)典型的簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)中，低溫低壓的S-CO?首先進(jìn)入壓縮機(jī)被升壓，然后流入回?zé)崞鞲邷貍?cè)吸收乏氣的余熱，預(yù)熱后的工質(zhì)進(jìn)入換熱器被外部熱源（如燃?xì)廨啓C(jī)排氣、核反應(yīng)堆或太陽(yáng)能集熱器）進(jìn)一步加熱，形成高溫高壓的工質(zhì)；接著，高溫高壓工質(zhì)被導(dǎo)入渦輪機(jī)（透平）中膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；做功后的乏氣依次流經(jīng)回?zé)崞鞯蜏貍?cè)和冷卻器，將余熱傳遞給壓縮機(jī)出口的工質(zhì)并最終冷卻至初始狀態(tài)，重新進(jìn)入壓縮機(jī)，形成一個(gè)完整的閉式循環(huán)。為了提高系統(tǒng)效率，實(shí)際應(yīng)用中常采用復(fù)雜循環(huán)結(jié)構(gòu)，如再壓縮循環(huán)、級(jí)聯(lián)循環(huán)等，通過優(yōu)化能量梯級(jí)利用來提升整體熱效率。

與艦船傳統(tǒng)采用的蒸汽朗肯循環(huán)相比，S-CO?布雷頓循環(huán)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在常規(guī)運(yùn)行條件下，大型水面艦艇采用的先進(jìn)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)熱效率通常不超過30%，且系統(tǒng)體積龐大，而S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在600℃等級(jí)溫度下，發(fā)電效率比傳統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)提高3%～5%；在700℃等級(jí)下，效率提升可達(dá)5%～8%。同時(shí)，S-CO?透平體積僅為同容量同參數(shù)汽輪機(jī)的1/25，回?zé)崞黧w積則為同等換熱量水循環(huán)回?zé)崞鞯?/10。這種緊湊的特性對(duì)于空間受限的艦船平臺(tái)具有重大意義。此外，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)還表現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)行靈活性，可以在0%～100%供電負(fù)荷范圍內(nèi)自由調(diào)峰，調(diào)峰速率可達(dá)6%～8% Pe/min，能夠適應(yīng)艦船動(dòng)力多變的工況需求。

二、S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展歷程

2.1 S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在艦船動(dòng)力領(lǐng)域展現(xiàn)出多重技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)主要源于其工質(zhì)的獨(dú)特物性和循環(huán)特性。高效性是S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的首要優(yōu)勢(shì)。研究表明，在渦輪入口溫度538℃的條件下，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)43%的發(fā)電效率，顯著高于傳統(tǒng)朗肯循環(huán)熱力發(fā)電系統(tǒng)33%的效率。這種高效率主要來自于超臨界二氧化碳在臨界點(diǎn)附近特殊的物理性質(zhì)——當(dāng)冷卻器端接近臨界溫度時(shí)，壓縮機(jī)入口的工質(zhì)因處于臨界壓力附近而表現(xiàn)出易壓縮的特性，從而顯著降低了壓縮耗功，提高了系統(tǒng)凈輸出功率。

緊湊性是S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的另一突出優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)和氦氣渦輪機(jī)相比，S-CO?渦輪機(jī)在同等功率等級(jí)條件下的尺寸和體積大幅減小。美國(guó)Echogen Power Systems公司的比較研究顯示，兩個(gè)發(fā)電功率均為8MW的熱發(fā)電系統(tǒng)，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積比蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積至少小1/3。這種緊湊特性使得S-CO?發(fā)電系統(tǒng)特別適合空間受限的艦船平臺(tái)，為船舶設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，甚至可以預(yù)留出更多的有效載荷空間。

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)還具有良好的熱源適應(yīng)性和環(huán)境友好性。該系統(tǒng)能夠適配多種熱源，包括化石燃料燃燒、核能、太陽(yáng)能光熱以及各種工業(yè)余熱，這一特點(diǎn)使其在艦船余熱回收領(lǐng)域具有巨大潛力。據(jù)估算，船舶主機(jī)煙氣排放熱損失約占全部輸入熱量的25.5%，是所有熱量損失形式中能量散失最多的部分。通過S-CO?發(fā)電系統(tǒng)回收這些余熱，可顯著提升船舶動(dòng)力系統(tǒng)的綜合熱效率。同時(shí)，系統(tǒng)采用二氧化碳作為工質(zhì)，具有無(wú)毒、不易燃、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，且在系統(tǒng)運(yùn)行期間不產(chǎn)生額外的碳排放，符合日益嚴(yán)格的海洋環(huán)保法規(guī)。

2.2 S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展歷程

S-CO?布雷頓循環(huán)技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯至20世紀(jì)中期。其概念最早出現(xiàn)在1948年Sulzer申請(qǐng)的專利中，但當(dāng)時(shí)并未引起廣泛關(guān)注。直到20世紀(jì)60年代末至70年代，隨著能源研究的深入，采用CO?作為循環(huán)工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。1967年，F(xiàn)eher提出了超臨界工質(zhì)再壓縮的布雷頓循環(huán)概念，并對(duì)150kW能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和44kW透平泵進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。隨后，歐洲原子能公司提議將S-CO?循環(huán)技術(shù)用于金屬快堆，開展了S-CO?在鈉冷快堆中的應(yīng)用研究。與此同時(shí)，米蘭理工大學(xué)的Angelino研究了介質(zhì)特性對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響，提出了以CO?為工質(zhì)的部分冷凝循環(huán)構(gòu)型。

20世紀(jì)70年代，S-CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)開始萌芽并初步應(yīng)用于艦船動(dòng)力領(lǐng)域。1977年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Combs研究了S-CO?簡(jiǎn)單及再壓縮循環(huán)在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用，首次提出在海軍艦艇推進(jìn)領(lǐng)域采用S-CO?循環(huán)系統(tǒng)以節(jié)省燃料，并闡述了簡(jiǎn)單緊湊型的布雷頓循環(huán)配置。這一時(shí)期，該項(xiàng)研究從循環(huán)熱力學(xué)逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用設(shè)計(jì)，在核工程和艦船動(dòng)力領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。然而，受限于當(dāng)時(shí)的工藝技術(shù)和材料水平，難以設(shè)計(jì)制造耐高溫高壓的緊湊換熱器、高效透平系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)缺乏合適的高溫?zé)嵩矗瑢?dǎo)致S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究在20世紀(jì)80年代后逐步陷入沉寂。

經(jīng)過近20年的發(fā)展瓶頸期，隨著21世紀(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和第四代核能系統(tǒng)的興起，S-CO?動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)重新受到國(guó)際能源界的廣泛關(guān)注。1999年，Petr等學(xué)者提出將S-CO?布雷頓循環(huán)與出口溫度在450～600℃范圍內(nèi)的反應(yīng)堆熱源相結(jié)合，展現(xiàn)了該技術(shù)的工程應(yīng)用前景。從2000年開始，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）開展了S-CO?布雷頓循環(huán)應(yīng)用于鉛冷卻快堆和高溫氣冷堆的研究，并開發(fā)了專用的S-CO?布雷頓循環(huán)分析程序，用于評(píng)估系統(tǒng)性能。2009年，巴伯-尼科爾斯公司和美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）相繼開展了小型S-CO?壓縮機(jī)與透平機(jī)械的試驗(yàn)驗(yàn)證，為小功率S-CO?再壓縮式布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2010年至今，S-CO?發(fā)電技術(shù)進(jìn)入了多領(lǐng)域協(xié)同拓展階段。美國(guó)Echogen電力公司開發(fā)了EPS100熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)結(jié)構(gòu)，使用工業(yè)級(jí)S-CO?作為循環(huán)工質(zhì)，當(dāng)余熱供應(yīng)溫度為532℃時(shí)，電力輸出的效率可達(dá)24%。在艦船領(lǐng)域，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室推動(dòng)了應(yīng)用于艦船電力推進(jìn)的S-CO?循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)研制工作，設(shè)計(jì)建成了100kW的S-CO?簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。與此同時(shí)，亞洲國(guó)家也積極跟進(jìn)，日本和韓國(guó)針對(duì)工業(yè)余熱回收利用場(chǎng)景，提出了千瓦級(jí)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的譜系化設(shè)計(jì)；歐盟則針對(duì)光熱電站、化石燃料發(fā)電等領(lǐng)域開展了相應(yīng)的S-CO?布雷頓循環(huán)研究。

中國(guó)在S-CO?發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域雖然起步較晚，但近年來取得了顯著進(jìn)展。在艦船動(dòng)力領(lǐng)域，中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇四研究所成功完成了面向特殊環(huán)境應(yīng)用的百千瓦級(jí)超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)研制工作，并開展了4小時(shí)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)。該系統(tǒng)是完整的基于超高速一體化（壓縮機(jī)—電機(jī)—透平一體化）核心機(jī)的百千瓦級(jí)sCO2發(fā)電系統(tǒng)，技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用至兆瓦級(jí)，意味著七〇四所基本掌握了兆瓦級(jí)sCO2發(fā)電系統(tǒng)及設(shè)備研發(fā)能力。重慶江增船舶重工有限公司自主研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組完成機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，機(jī)組進(jìn)口壓力超過20MPa，溫度高達(dá)600℃，綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。此外，中國(guó)在民用熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域也取得突破，西安熱工研究院有限公司完成了5MW級(jí)S-CO?循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組的72小時(shí)試運(yùn)行，該系統(tǒng)是目前世界上參數(shù)最高、容量最大的S-CO?發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)之一。

三、S-CO?發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的七大關(guān)鍵技術(shù)

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)雖然具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)復(fù)雜性也相應(yīng)較高，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破與集成。基于現(xiàn)有研究成果和工程實(shí)踐，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需解決以下七大關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 高效緊湊式換熱器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

換熱器是S-CO?發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要包括回?zé)崞骱屠鋮s器。由于S-CO?在臨界點(diǎn)附近的物性變化劇烈，給換熱器的設(shè)計(jì)與制造帶來了巨大挑戰(zhàn)?；?zé)崞鞯男阅苤苯佑绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的效率，需要在小溫差下實(shí)現(xiàn)高效換熱，同時(shí)還要兼顧流動(dòng)阻力控制。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)S-CO?循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)了緊湊式擴(kuò)散焊換熱器，并在專門的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。這種換熱器采用微通道設(shè)計(jì)，具有極高的面積密度，能夠在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)大面積換熱，但同時(shí)也帶來了制造工藝復(fù)雜、成本高昂的問題。對(duì)于艦船應(yīng)用場(chǎng)景，換熱器還需要考慮海水側(cè)腐蝕、生物污損以及頻繁變工況運(yùn)行等特殊要求，這使得換熱器的設(shè)計(jì)和選型更為復(fù)雜。

3.2 超高速一體化軸系與高精度動(dòng)平衡技術(shù)

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的核心是超高速一體化軸系，通常采用"壓縮機(jī)—電機(jī)—透平"一體化設(shè)計(jì)（TAC）。這種設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)在于，機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)需要在高溫高壓環(huán)境下以極高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，通常轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘。中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇四研究所研制的百千瓦級(jí)sCO2發(fā)電系統(tǒng)，成功突破了超高速一體化軸系高精度動(dòng)平衡關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了核心模塊整體集成于有限尺寸圓柱筒體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。該技術(shù)難點(diǎn)主要包括：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、臨界轉(zhuǎn)速規(guī)避、不平衡響應(yīng)控制以及高速軸承技術(shù)。特別是在接近臨界點(diǎn)附近運(yùn)行的S-CO?壓縮機(jī)，其對(duì)葉輪設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)要求極高，微小的不平衡量在高速旋轉(zhuǎn)下都會(huì)導(dǎo)致劇烈振動(dòng)，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，高速軸承系統(tǒng)需要解決潤(rùn)滑、冷卻和壽命問題，在S-CO?環(huán)境中傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式可能不適用，需要開發(fā)新型磁懸浮軸承或特殊氣體軸承技術(shù)。

3.3 特種材料與先進(jìn)制造工藝技術(shù)

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期在高溫（可達(dá)600℃以上）、高壓（超過20MPa）及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)關(guān)鍵部件的材料提出了極高要求。重慶某船舶重工有限公司研制的6兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發(fā)電機(jī)組，工作參數(shù)達(dá)到進(jìn)口壓力超過20MPa，溫度高達(dá)600℃。在這種嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，材料需要具備良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗疲勞性能以及與S-CO?介質(zhì)的相容性。特別是渦輪葉片、熱交換器等核心部件，需要采用鎳基高溫合金或特種不銹鋼等先進(jìn)材料。制造工藝方面，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)涉及多種特殊結(jié)構(gòu)件的加工，如中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇四研究所攻克的"1.9毫米微尺寸流道閉式葉輪先進(jìn)制造"技術(shù)，體現(xiàn)了該系統(tǒng)對(duì)制造精度的極端要求。此外，焊接技術(shù)、表面處理技術(shù)以及檢測(cè)技術(shù)都需要針對(duì)S-CO?環(huán)境進(jìn)行特殊優(yōu)化，確保部件在長(zhǎng)期運(yùn)行中的可靠性。

3.4 系統(tǒng)集成與緊湊化模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

艦船空間有限，要求動(dòng)力系統(tǒng)盡可能緊湊、輕量化。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其高功率密度，但要實(shí)現(xiàn)在艦船上的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的集成化和模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)集成技術(shù)包括熱力系統(tǒng)優(yōu)化、設(shè)備布置優(yōu)化、管道設(shè)計(jì)以及輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)化等。中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇四研究所實(shí)現(xiàn)了"核心模塊整體集成于有限尺寸圓柱筒體結(jié)構(gòu)"的目標(biāo)，體現(xiàn)了系統(tǒng)緊湊化設(shè)計(jì)的成果。模塊化設(shè)計(jì)則便于系統(tǒng)安裝、維護(hù)和更換，可提高艦船的可維護(hù)性和任務(wù)靈活性。對(duì)于不同艦船類型和功率等級(jí)，還需要進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，平衡標(biāo)準(zhǔn)化與定制化的矛盾。此外，系統(tǒng)集成還需要考慮與艦船原有動(dòng)力系統(tǒng)的匹配問題，包括熱源接口、電力輸出接口以及控制系統(tǒng)接口等。

3.5 變工況控制與穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

艦船運(yùn)行工況復(fù)雜多變，要求動(dòng)力系統(tǒng)具有良好的負(fù)荷適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在變工況下的行為和控制策略與傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)有顯著區(qū)別，需要開發(fā)專門的控制算法和系統(tǒng)。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室使用美國(guó)核管會(huì)（NRC）開發(fā)的TRACE程序論證穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下的系統(tǒng)控制策略，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。S-CO?系統(tǒng)的控制難點(diǎn)在于：工質(zhì)物性在臨界點(diǎn)附近劇烈變化，系統(tǒng)呈高度非線性；壓縮機(jī)近臨界點(diǎn)運(yùn)行時(shí)易進(jìn)入喘振區(qū)；回?zé)崞鲀蓚?cè)流量匹配困難；快速變負(fù)荷時(shí)參數(shù)波動(dòng)大等。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制算法，并在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，系統(tǒng)的啟動(dòng)和停機(jī)過程也需要特殊考慮，避免在臨界點(diǎn)附近運(yùn)行不穩(wěn)定。

3.6 先進(jìn)密封與潤(rùn)滑技術(shù)

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)涉及高溫、高壓和高速工況，對(duì)密封技術(shù)提出了極高要求。系統(tǒng)壓力可達(dá)20MPa以上，溫度超過600℃，傳統(tǒng)的密封方式難以滿足需求。密封技術(shù)的難點(diǎn)主要包括：旋轉(zhuǎn)軸密封防止高壓S-CO?泄漏；靜密封在高溫高壓下保持可靠性；密封材料與S-CO?的相容性等。針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸密封，可能采用干氣密封、迷宮密封或新型動(dòng)壓密封等技術(shù)。潤(rùn)滑技術(shù)方面，由于S-CO?對(duì)傳統(tǒng)潤(rùn)滑油的溶解性強(qiáng)，常規(guī)潤(rùn)滑方式可能不適用，需要開發(fā)新型潤(rùn)滑方案，如自潤(rùn)滑材料、固態(tài)潤(rùn)滑或S-CO?本身作為潤(rùn)滑介質(zhì)等。

3.7 海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與減振降噪技術(shù)

艦船運(yùn)行環(huán)境特殊，要求動(dòng)力系統(tǒng)具備良好的海洋環(huán)境適應(yīng)性，包括抗腐蝕、抗振動(dòng)、抗沖擊等特性。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)作為艦船動(dòng)力，需要進(jìn)行全面的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。減振降噪是艦船，特別是軍用艦艇的重要指標(biāo)。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)雖然本身噪聲較低，但仍需要針對(duì)機(jī)械振動(dòng)和流體噪聲采取專門措施。中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇四研究所稱S-CO?發(fā)電系統(tǒng)具有"低噪聲"優(yōu)勢(shì)，但要滿足艦船嚴(yán)格的水下噪聲要求，可能還需要采用隔振、阻尼、消聲等綜合技術(shù)。此外，系統(tǒng)還需要考慮艦船搖擺、沖擊等特殊工況下的可靠運(yùn)行，關(guān)鍵部件需要加強(qiáng)支撐和固定，控制系統(tǒng)需要考慮姿態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

四、S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在船舶動(dòng)力中的作用

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中扮演著多重關(guān)鍵角色，其應(yīng)用能夠有效解決傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)存在的若干固有問題，為船舶動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)提供技術(shù)路徑。

4.1 提升船舶動(dòng)力系統(tǒng)能效

船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能效直接關(guān)系到船舶的運(yùn)營(yíng)成本和續(xù)航力。目前，最先進(jìn)的大功率船用二沖程柴油機(jī)熱效率已接近50%，這意味著超過一半的燃料能量未被有效利用而通過各種途徑散失。以某型6800TEU集裝箱運(yùn)輸船采用的主動(dòng)力柴油機(jī)為例，其煙氣排放熱損失占全部輸入熱量的25.5%，是所有熱量損失形式中能量散失最多的部分。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)能夠高效回收這些中低溫余熱，將廢棄的熱能轉(zhuǎn)化為電能，提供船舶輔助動(dòng)力或直接用于推進(jìn)。美國(guó)Echogen Power Systems公司開發(fā)的EPS100熱回收系統(tǒng)，當(dāng)余熱供應(yīng)溫度為532℃時(shí)，電力輸出的效率可達(dá)24%。將這種系統(tǒng)應(yīng)用于船舶主機(jī)余熱回收，可提升動(dòng)力裝置整體效率約30%，顯著降低燃油消耗，減少運(yùn)營(yíng)成本。

4.2 優(yōu)化船舶空間布局

傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)體積龐大，占據(jù)了船舶大量寶貴空間。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)憑借其高功率密度和緊湊特性，能夠顯著減小動(dòng)力系統(tǒng)占地面積，為船舶設(shè)計(jì)提供更大靈活性。研究表明，在同等功率級(jí)條件下，S-CO?渦輪機(jī)的尺寸和體積遠(yuǎn)小于蒸汽渦輪機(jī)和氦氣渦輪機(jī)。美國(guó)Echogen Power Systems公司的比較研究顯示，兩個(gè)發(fā)電功率均為8MW的熱發(fā)電系統(tǒng)，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積比蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的總體安裝面積至少小1/3。這種空間節(jié)省效果對(duì)于各類船舶均具有重要意義：在軍用艦艇上，可釋放更多空間用于武器裝備或電子系統(tǒng)；在商用船舶上，則可增加貨物裝載空間或提高乘客舒適度；在漁船或科考船上，則為專業(yè)設(shè)備提供更多安裝空間。

4.3 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)多元熱源適配

S-CO?發(fā)電系統(tǒng)具有廣泛的熱源適應(yīng)性，能夠靈活匹配多種能源形式，這使得它在船舶動(dòng)力系統(tǒng)多元化發(fā)展的背景下具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)可與傳統(tǒng)柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，回收其排氣余熱；也可與核反應(yīng)堆結(jié)合，作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；還可與燃料電池、太陽(yáng)能系統(tǒng)等新能源技術(shù)結(jié)合，形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)船舶推進(jìn)及電力應(yīng)用，提出了適配小型模塊化反應(yīng)堆的S-CO?動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案，明確了其與高溫?zé)嵩唇Y(jié)合的可觀經(jīng)濟(jì)性。這種多元熱源適配能力使S-CO?發(fā)電系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同船型和任務(wù)需求，為船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供更多選擇和更大靈活性。

4.4 促進(jìn)船舶減排與環(huán)保合規(guī)

隨著國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶排放的要求日益嚴(yán)格，船舶動(dòng)力系統(tǒng)的環(huán)保性能變得越來越重要。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)本身不產(chǎn)生額外排放，且通過提高整體能效減少單位輸出功率的燃料消耗和碳排放。挪威海產(chǎn)基金會(huì)在其商業(yè)項(xiàng)目計(jì)劃中，宣布投入350萬(wàn)挪威克朗，將遠(yuǎn)洋漁業(yè)船隊(duì)的溫室氣體排放量減少50%的目標(biāo)計(jì)劃。在這種背景下，S-CO?發(fā)電技術(shù)作為有效的減排技術(shù)之一，有望在未來的船舶減排措施中發(fā)揮重要作用。此外，相比傳統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱回收系統(tǒng)，S-CO?系統(tǒng)使用天然工質(zhì)二氧化碳，不存在工質(zhì)泄漏對(duì)環(huán)境造成的潛在影響，更加環(huán)保安全。

4.5 增強(qiáng)船舶電力系統(tǒng)能力

現(xiàn)代船舶，特別是專業(yè)船舶和軍用艦艇，對(duì)電力的需求日益增長(zhǎng)。先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)設(shè)備、指揮控制系統(tǒng)以及日益增多的船員生活設(shè)施，都對(duì)船舶電力供應(yīng)提出了更高要求。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)能夠提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，滿足高敏感設(shè)備的用電需求。系統(tǒng)的快速負(fù)荷響應(yīng)能力（調(diào)峰速率可達(dá)6%～8% Pe/min）使其能夠適應(yīng)船舶電力負(fù)荷的快速變化。此外，系統(tǒng)可采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)需要配置不同功率等級(jí)的發(fā)電單元，提高船舶電力系統(tǒng)的冗余性和可靠性。對(duì)于采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)可直接作為推進(jìn)動(dòng)力源，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。

五、S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，對(duì)未來艦船設(shè)計(jì)和發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

5.1 軍用艦艇動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)

軍用艦艇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求極為苛刻，不僅要求高功率密度、高效率，還對(duì)低噪聲、抗沖擊等方面有特殊要求。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在這些方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，有望成為未來軍用艦艇動(dòng)力系統(tǒng)的重要選擇。在海軍艦艇領(lǐng)域，早在上世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院就以"佩里"級(jí)（FFG7）導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦為分析對(duì)象，開展了海軍艦艇余熱回收sCO2發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究。目前，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室已設(shè)計(jì)建成100kW的S-CO?簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為系統(tǒng)上艦應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)的低噪聲特性對(duì)潛艇尤為重要，可顯著降低水下輻射噪聲，提高隱蔽性。此外，系統(tǒng)的高功率密度可為日益增多的艦載電子設(shè)備和高能武器提供充足電力，支持未來戰(zhàn)艦的電力需求。

5.2 民用船舶節(jié)能減排應(yīng)用

國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）、現(xiàn)有船舶能效指數(shù)（EEXI）和碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）的要求日益嚴(yán)格，推動(dòng)民用船舶尋求有效的節(jié)能減排技術(shù)。S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在民用船舶領(lǐng)域主要有三方面應(yīng)用：一是作為主機(jī)余熱回收系統(tǒng)，提高主推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)效率；二是作為輔機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，提供船舶輔助電力，減少專用發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間；三是作為主推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，與其他熱源（如燃?xì)廨啓C(jī)、核反應(yīng)堆）結(jié)合，形成高效動(dòng)力系統(tǒng)。上海外高橋造船有限公司研發(fā)的全球首艘使用創(chuàng)新推進(jìn)裝置和液化天然氣（LNG）/氫氣（H2）燃料動(dòng)力超大型原油運(yùn)輸船，采用了對(duì)轉(zhuǎn)槳作為主推進(jìn)方式，結(jié)合多種減排技術(shù)，較2008年水平，該船型的二氧化碳減排效果達(dá)到70%以上。在這種背景下，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)作為高效的余熱回收技術(shù)，有望在民用船舶減排技術(shù)體系中占據(jù)重要地位。

5.3 新能源船舶動(dòng)力系統(tǒng)適配

隨著船舶新能源化進(jìn)程加速，氫能、氨能、甲醇等新型能源載體逐步應(yīng)用，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)在這些新能源船舶中也具有應(yīng)用潛力。系統(tǒng)可與燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)等新型動(dòng)力裝置結(jié)合，提高整體能效。例如，外高橋造船研發(fā)的VLCC采用了甲烷重組制氫和氫燃料電池的技術(shù)方案，在蒸汽重整器中將LNG與蒸汽結(jié)合，將LNG分子分解為氫氣和二氧化碳，然后將氫氣直接用于為內(nèi)燃機(jī)和燃料電池提供燃料。在這種多能源系統(tǒng)中，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)可以用于回收高溫過程的余熱，進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體效率。此外，隨著碳捕獲與封存（CCS）技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，如日本新來島Sanoyas造船開發(fā)的液化二氧化碳運(yùn)輸船，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)可能與這些新技術(shù)形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建船舶能源系統(tǒng)的閉環(huán)碳循環(huán)。

六、S-CO?發(fā)電技術(shù)趨勢(shì)

超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)作為一項(xiàng)具有革命性潛力的熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)，在艦船動(dòng)力領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)基于閉式布雷頓循環(huán)，以超臨界狀態(tài)的二氧化碳為工質(zhì)，具有效率高、體積小、重量輕、噪聲低、熱源適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，能夠有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前艦船動(dòng)力系統(tǒng)面臨的效率瓶頸、空間限制和排放法規(guī)等多重挑戰(zhàn)。

從技術(shù)發(fā)展歷程來看，S-CO?發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了從概念提出、研究高潮、技術(shù)瓶頸到復(fù)興發(fā)展的多個(gè)階段，目前正處于工程化和實(shí)用化的關(guān)鍵時(shí)期。在艦船應(yīng)用領(lǐng)域，多項(xiàng)演示驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成功運(yùn)行，為技術(shù)實(shí)用化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，要將S-CO?發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于艦船，仍需突破超高速一體化軸系、高效緊湊式換熱器、特種材料與先進(jìn)制造等七大關(guān)鍵技術(shù)，解決系統(tǒng)在集成度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和成本控制方面的問題。

展望未來，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，S-CO?發(fā)電系統(tǒng)有望在軍用艦艇、民用船舶以及新能源船舶等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為未來艦船動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。特別是在船舶減排壓力增大和能源多樣化的背景下，S-CO?發(fā)電技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將更加凸顯。下一步的研究應(yīng)聚焦于系統(tǒng)集成優(yōu)化、成本控制和大規(guī)模示范，加速這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵈瑧?yīng)用的進(jìn)程，為船舶動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)和航運(yùn)業(yè)減排目標(biāo)提供技術(shù)支持。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

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