以水为工质的蒸汽动力循环及发电系统是能源利用的主流核心技术，大量应用在大型火力发电、核能发电及太阳能发电中。随着能源环境问题的重要性，水蒸汽动力循环在原理上也碰到一些问题，体现在两个方面。对于大量存在的低品位热能，水蒸汽动力循环收到很大限制，要研发有机工质朗肯循环。对于大型火力发电及核能发电系统，希望提高蒸汽参数，遇到高温高压水与金属材料相互作用，产生氧化等问题，为此，我们探索CO₂循环发电系统。

我国是化石能源为主的国家，在石油化工、水泥建材、火力发电、钢铁冶炼等领域存在大量的余热资源。2014年共消耗的能源是42.6亿吨标准煤，其中有1/3的能源以余热的方式排放到环境中，大量的中低温余热没有得到充分利用，直接排向大气，能耗高，污染大。采用先进的动力循环热功转换技术能够有效的将余热充分的利用起来，同时也可以用于新能源的开发利用、太阳能热发电、地热能发电等领域。

1. 有机工质朗肯循环(Organic Rankie Cycle)

有机工质朗肯循环是中低品位热能利用的共性关键技术，但是与该循环相关的科学问题和技术研发远没有成熟，实验室从以下方面开展了研究。

（a）ORC工质筛选的临界温度准则

ORC工质筛选是国际性难题，现有文献结果非常分散。实验室提出热源与ORC耦合热力学反问题及积分平均温差，研究了近60种有机工质，发现临界温度可作为ORC工质筛选的唯一准则，这一结论对于亚临界及超临界ORC都成立，结束了工质筛选的争论，为ORC设计和运行提供了指导依据：临界温度与热源温度相近的工质具有优良的ORC性能，临界温度大于热源温度的工质对ORC性能下降较小，也是可用的。

1. ORC原理样机性能测试及控制策略

建设了ORC实验机组，如下图所示，测试了涡旋膨胀机逐渐加载时的ORC性能参数随时间的阶跃过程。发现膨胀机入口压力和温度在转矩调整后快速响应并逐渐趋稳，保证了机组的稳定运行；出口压力和温度响应过程有明显过冲，之后迅速回升并逐渐平稳，表明系统冷凝侧有足够的缓冲能力保证系统稳定。在140℃热源温度下，膨胀机最大输出功率为2530W，最大系统热效率为6.5%，该指标在国际上具有先进性，证明ORC设计建造是合理的。建立了ORC余热利用系统机理模型，提出了ORC余热利用过程控制策略，取得了满意的控制性能。开发了新的自适应控制算法，用于烟气余热利用过程控制中。目前，百千瓦级有机朗肯循环发电机组正在设计建造中，正在推进产业化应用。

图1 研制的有机朗肯循环发电系统正在运行

1. 高温跨临界CO₂动力循环及发电系统

目前煤炭仍然是我国能源消费的主要来源，到2030年我国能源消费结构中，煤炭将从目前的70%左右将至50%左右。煤炭生产和消费亟需革命性转变，亟需清洁高效，解决燃煤、煤化工的污染物控制和水资源消耗问题；亟需前沿部署，逐步降低煤炭在终端消费中的比例，确保煤炭的基础能源地位，确保国家能源安全。需要研发超净排放技术和效率超过50%的发电技术，绿色开发和环境可承载的转化技术等重大前沿技术，带动产业发展。水是燃煤发电的工质，超超临界压力，700度蒸汽参数是未来的发展方向。但需克服水冷壁材料在高温高压条件下的腐蚀等技术难关。

超临界二氧化碳发电是能源领域重大前沿课题，一旦突破，将对发电行业产生革命性影响：CO₂临界点参数低（7.38MPa,31℃）,在产生700℃高温蒸汽时，可运行在较低的压力下（如10-15MPa）,降低了锅炉压力容器的要求；CO₂化学性质极为稳定，在高温下不和金属材料产生化学反应；CO₂发电具有和水蒸汽发电同样热效率，甚至比水蒸汽发电效率还高；CO₂本身是灭火剂，如发生爆管事故等，有助于电厂自动熄火。另外，超临界CO₂发电技术，可推广应用到太阳能及核能发电中，因此有广阔的应用前景。实验室正在研究超临界CO₂发电的热力学循环、热源与机组的耦合机理、超临界及亚临界压力CO₂传热、CO₂循环热功转换（如汽轮机或膨胀机）理论及技术，CO₂发电的经济性、环保性及全生命周期评价等，力争在高温跨临界CO₂发电循环方面有所突破。