针对中国提出的“将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的目标以及既有燃煤电厂碳捕集代价过高的问题。本文提出并研究一种集成超临界水煤气化技术和碳捕集的燃气蒸汽混合工质循环系统（GSMC-C循环）。该循环以超临界水煤气化产物合成气与纯氧的燃烧产物加循环H2O为循环工质,具有煤炭清洁利用、高效发电、零NOx、CO2排放、移峰储能等特点,非常适合用于既有电厂改造。本文采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法构建GSMC-C循环的基础物理模型、并基于热力学和传热学建立GSMC-C循环的数学模型、利用MATLAB软件调用热物性参数数据库REFPROP进行数值模拟计算,研究关键参数对GSMC-C循环循环性能的影响,并以此为依据对循环流程和运行参数进行优化。本文的主要研究内容和结论如下:首先,构建了基于朗肯循环的集成超临界水煤气化技术和碳捕集的燃气蒸汽混合工质循环系统（GSMC-C循环）的基本物理模型。GSMC-C循环具有气化炉系统、燃烧室系统、透平发电系统、冷凝器、8级抽汽回热系统、CO2捕集系统。以超临界水煤气化合成气的纯氧燃烧产物加循环H2O（给水）形成以H2O为主要成分的CO2/H2O混合工质。高温高压的CO2/H2O进入具有一级再热和8级回热的透平系统做功,设置前置透平提升参数至超临界状态以提升热效率,再热燃烧室出口的CO2/H2O混合工质为气化炉提供气化反应热以及超临界水升温热。透平乏气进入冷凝器,采用物理降温的方式利用制冷机冷冻盐水的冷能从抽取冷凝器不凝性气体的水环式真空泵出口混合气体中冷凝H2O,实现CO2和H2O的分离。分离出的CO2气体经两级压缩后利用分离器出口H2O以及液氧冷能实现CO2的液化捕集。循环H2O经8级抽汽回热后,经超临界增压泵升压分为两股分别进入高压燃烧室和气化炉。其次,基于质量守恒、能量守恒以及道尔顿分压定律建立了GSMC-C基本循环的热力学模型。本文忽略气化压力对合成气组分的影响,使前置透平进口压力与气化压力一致,在25～35 MPa的范围内变化。研究了前置透平进口参数、冷凝参数、ASU单位制氧功耗对GSMC-C循环性能的影响,对GSMC-C循环有无前置透平出口换热器的方案进行了对比研究。研究结果表明:前置透平进口温度对循环净效率的影响大于压力;空气分离单元ASU能起到调节电网峰谷负荷的作用;由于液氧冷能的限制,CO2捕集参数提升到4 MPa/5℃。在采用低热值褐煤为燃料,前置透平进口参数和冷凝参数分别为30 MPa/650℃、30 k Pa/30℃,ASU的单位制氧功耗为0.245 k Wh·kg-1（O2）,在实现CO2全捕集参数4 MPa/5℃的工况条件下,高压透平进口参数541.4℃,改进后的GSMC-C的循环净效率和毛效率分别为41.34%和48.06%。第三,为了摆脱气化炉压力对前置透平进口压力的限制并进一步提升循环最高压力,在气化炉出口增加一台燃料压缩机（简称GSMC-C2循环）,并对其进行CO2捕集过程的优化分析。超临界水煤气化合成气显热用于预热进入气化炉的超临界水,合成气经降温升压后进入高压燃烧室与纯氧进行过氧燃烧（过氧系数约5%）。8级抽汽回热后的循环H2O分为两个支路分别经超临界增压水泵加压到不同压力进入高压燃烧室和气化炉。计算结果表明,再热燃烧室合成气比例在0.25～0.285的范围内时,能够保证再热燃烧室出口温度高于720℃,中压透平温度不高于540℃。GSMC-C系列循环的CO2捕集过程需要制冷机组提供外部冷能协助完成。在CO2捕集液化过程中,液O2、制冷机组冷冻盐水、分离器出口冷水提供的冷能的比例分别为33.94%、44.40%、21.66%。以低热值褐煤为燃料,在前置透平进口参数30 MPa/650℃,冷凝器参数30 k Pa/30℃,ASU单位制氧功耗0.245 k Wh·kg-1（O2）,高压透平进口参数541.4℃,CO2捕集参数4 MPa/5℃的工况条件下,实现CO2全捕集后基于褐煤低热值的毛效率和净效率分别为48.67%和41.96%。在相同的工况下,CO2捕集过程优化的GSMC-C2循环的净效率相比增长0.73%,CO2捕集过程的功耗降低0.019 MW·kg-1。本文对以CO2捕集为目标,以超临界水煤气化合成气为燃料的燃气蒸汽混合工质动力循环系统（GSMC-C循环）的集成与优化进行了创新性研究。GSMC-C循环具有煤炭清洁利用、煤电转化效率较高、零NOx、CO2排放,以及移峰储能等独特优势,可作为CO2捕集电厂的替代方案,尤其适合于既有燃煤电厂的CO2捕集升级改造。