超临界二氧化碳（sCO₂）发电循环工质纯度在线监测方案

超临界二氧化碳（sCO₂）布雷顿循环使用超临界态CO₂替代水蒸气驱动涡轮机，运行于极高压（>20MPa）和高温（>700°C）工况。微量水分与CO₂反应生成碳酸，导致酸性腐蚀；微量氧气在高温下造成剧烈氧化腐蚀。工质纯度是系统可靠运行的前提。超临界二氧化碳发电循环工质纯度监测设备的核心任务，是对水分、氧气等关键杂质建立痕量级连续监测与闭环控制。
 

2025年底，全球首台商用机组在贵州六盘水投运；2026年5月第二台机组并网，“超碳一号”全球示范工程全面建成。然而，sCO₂质量评价体系在国内外均属空白。传统水汽系统的离子杂质监测逻辑在此完全失效。sCO₂循环的商业化，不仅依赖高温材料和机械设计，更有赖于一套针对CO₂工质纯度的在线监测体系。
 

核心挑战与监控策略：追踪“ppm级”的破坏者

sCO₂循环的化学监控核心，从“防止结垢与沉积”转向“防止杂质侵入与积累”。监控节点集中于工质净化与补给系统、辅助冷却及密封系统。
 

挑战一：水分侵入——酸性腐蚀的源头

水分通过管路残留、密封泄漏或化学反应进入循环。高温高压下CO₂与水生成碳酸，对管道、涡轮叶片造成全面腐蚀。目前高压高密度sCO₂中ppm级水分的直接在线测量技术尚不成熟，主要原因在于高温高压CO₂环境对传感器材料的耐压耐温要求极高，且水分在超临界CO₂中的溶解度与分配系数与传统气相介质差异显著，使得现有湿度传感技术难以直接移植。
 

可行的策略是将监测重点放在边界系统与补给源。补给CO₂需严格监测干燥度。密封系统、冷却系统等水基辅助系统是与主循环交换杂质的高风险接口。
 

在线TOC分析仪监测工作介质中有机碳总量。润滑油等有机介质分解可产生水分和酸性产物，TOC异常升高是介质劣化或泄漏风险的前兆。在线pH计和在线电导率仪实时监测水基辅助系统，pH下降或电导率异常升高预示腐蚀或污染，增加主循环渗漏风险。三台仪器协同构成边界系统的“水质基线监控网络”，为判断辅助系统是否具备向主循环渗漏的条件提供数据支撑。
 

挑战二：氧气侵入——高温氧化腐蚀的元凶

氧气侵入导致金属材料在高温下快速氧化。sCO₂循环的工质净化单元出口需部署痕量氧分析仪，其除氧和氧监测标准应等同或严于超超临界锅炉给水。微量溶解氧分析仪的ppb级监测精度，是开发sCO₂专用氧分析仪的技术参照——其荧光法或电化学法的核心测氧单元，在原理上具备针对CO₂介质进行耐压耐温适配的可行性。
 

在专用仪器成熟前，氧气侵入的间接判断可结合两路信号实现：工质净化单元出口的溶解氧仪（精度参照）读数变化，以及系统真空度、密封气压力等运行参数的异常波动。两者关联分析，可在一定程度上评估氧气侵入风险。
 

挑战三：腐蚀产物迁移与沉积

腐蚀产生的金属离子随工质流动，在低温区域沉积，造成堵塞和传热效率下降。目前尚无直接在线监测sCO₂中金属离子的成熟商业仪器。冷却水侧（间冷或后冷）的水质监控至关重要，可防止冷却系统问题间接影响主循环。
 

在线钠表监测冷却水中碱金属离子，防止结垢。在线硅表和在线磷酸根分析仪控制冷却水处理方案，确保炉水pH和磷酸根浓度处于最优区间。在线氯离子分析仪防止氯离子对不锈钢部件点蚀。冷却水侧的水质稳定，是保障主循环工质纯净的必要条件之一。
 

系统整合与预警：构建化学“黑匣子”

对处于研发示范阶段的sCO₂电厂，构建化学数据采集系统比追求单一指标的极限精度更为重要。
 

将边界系统的TOC、pH、电导率数据与主循环运行参数（温度、压力、流量）关联分析。sCO₂主回路中水分和氧气的直接在线测量技术仍在研究阶段，主要技术路线包括可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）和基于氧化锆传感的痕量氧分析，相关研究正在进行中。当前边界系统间接监测是可行手段——密封水系统的TOC与电导率同时异常爬升时，系统应预警有机物泄漏风险并提示检查主循环工质品质。
 

长期连续的在线监测数据，是研究材料在sCO₂环境中腐蚀行为、验证净化系统效率、优化运行参数的基础资产。
 

对应上述监测需求的仪表配置

以赢润环保的在线监测产品线为例：

以“零杂质”监控护航“下一代”技术

sCO₂发电商业化面临的核心障碍之一，是在极端工况下维持工质化学纯净度。超临界二氧化碳发电循环工质纯度监测设备的监测精度与可靠性要求，与sCO₂循环的化学监控需求高度同构。提前布局这一前沿领域的工质纯度在线监测，是应对日益严苛的效率和环保要求的必要技术储备。