超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望

超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环具有效率高、系统紧凑及灵活性高等优点，未来可取代或部分取代水蒸气朗肯循环，实现高效热功转换。本文从能量传递转换机理、关键部件研发以及系统设计等角度，总结了国内外研究进展。已有研究表明，目前已成功展示小型径流式透平S-CO₂循环系统，但CO₂泄漏等导致系统性能降低，大型轴流式透平系统可能不会出现小型系统类似问题。综述了我国在S-CO₂循环方面的研究进展。围绕大型S-CO₂燃煤发电系统能量传递转换机理及系统概念设计，提出了锅炉模块化设计，将锅炉压降降低到与水蒸气锅炉相当甚至更低的水平；提出了顶/底复合循环，彻底解决了锅炉烟气热量全温区吸收问题。建立了高温高压CO₂传热实验系统，获得了宽广参数范围内的实验数据，引入超临界类沸腾概念并提出超临界沸腾数及K数，获得了高精度预测超临界传热恶化及传热系数的广义关联式，提出了控制壁温的S-CO₂锅炉概念设计等。在此基础上，提出了需加强的研究方向，包括适合不同热源（核能、太阳能、化石能源）的S-CO₂循环构建，回热器、压气机及透平等关键部件设计及制造技术，关键部件及全系统的控制运行技术，以及不同功率等级的S-CO₂循环的示范系统等，为S-CO₂发电的商业应用奠定理论和技术基础。     

燃气轮机/超临界二氧化碳联合循环余热利用及动态特性分析

超临界二氧化碳(S-CO₂)循环具有透平尺寸小、压缩机功耗小、循环效率高等诸多优势。为了探究S-CO₂循环耦合燃气轮机发电系统后发电效率最高的循环配置，提出了4种循环布局；并通过遗传算法以循环效率最高为优化目标，对循环系统的主要参数进行优化；对该方案进行动态系统分析，以底部循环输入热负荷为扰动变量，探究从满负荷分别阶跃降低到90%负荷、80%负荷和70%负荷后系统的动态响应情况。结果表明：4种方案中燃气轮机/两透平S-CO₂联合循环系统循环效率最高，为44.87%；烟气换热器附近参数响应时间比较快，而由于热惯性的影响在工质流程中离烟气换热器越远响应时间越长；且在同一位置，压力的响应时间略长于温度的响应时间，高温透平附近参数的下降幅度大于低温透平。     

超临界二氧化碳循环工质热物性研究进展

超临界二氧化碳（S-CO₂）循环是近年来受到广泛关注的发电技术。工质热物性是循环设计和优化的基础。本文综述了CO₂热力学性质和输运性质的实验数据和计算模型的研究进展，并结合S-CO₂动力系统的设计和运行需求进行了分析。针对研究现状，指出了亟待解决的问题:近临界区实验和理论研究尚有不足；比热容、声速、黏度和导热系数在液相区和高温高压区实验研究存在空白；已有的多种计算模型缺乏针对发电循环应用的系统评估和比较等。建议针对S-CO₂循环需要的CO₂热物性在具有空白区域重点开展实验和模型工作，并对已有工作进行系统评估。     

集成超临界二氧化碳储能循环燃煤发电系统热力学分析

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?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?效率影响较大；当S-CO₂流量在50 kg/s至70 kg/s间增大，系统?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?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。     

基于GA-BP神经网络的超临界二氧化碳折射率及密度预测

基本光学性质折射率是研究物质物理性质的重要参数。本文以超临界二氧化碳（S-CO₂）为对象，整合各文献在不同温度、压力下对S-CO₂折射率的测量数据，使用遗传算法（GA）优化后的BP神经网络建立了预测S-CO₂折射率的模型，并基于S-CO₂密度与波长、折射率内在联系的洛伦兹-洛伦兹关系式，对S-CO₂的密度进行反演。结果表明:该模型预测 S-CO₂折射率的最大相对误差仅为0.844%；反演的S-CO₂密度值同REFPROP软件结果相比，平均误差不超过3.65％；在亚临界和超临界区，通过实验测量折射率来研究CO₂物性是可行的；在近临界区，由于CO₂物性变化剧烈，对折射率变化规律的测量及折射率与CO₂物性的关系尚需进一步研究。     

超临界二氧化碳布雷顿发电循环压缩机实验研究进展

压缩机是超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿发电循环（闭式循环）的核心部件。本文总结了国内外S-CO₂压缩机实验研究进展,包括主要测试平台及最新实验测试结果,重点关注不同功率等级的S-CO₂离心压缩机所采用的技术路线,从结构设计、气动性能以及相关运行测试问题等方面,对现有S-CO₂离心式压缩机实验研究中存在的共性与特殊性问题进行了总结与分析。此外,中国科学院工程热物理研究所完成了国内首次MW级S-CO₂闭式循环离心式压缩机多进口工况全载实验,最高实验转速32 000 r/min,质量流量约13 kg/s,总压比接近2.0,等熵效率82%。本文对该实验测试平台及相关实验研究进展进行了详细介绍。     

超临界二氧化碳工质发电系统候选材料高温腐蚀研究现状与进展

近年来，采用高温超临界二氧化碳（S-CO₂）作为工质构建新型布雷顿循环，建立超高参数、超高效率、结构紧凑的发电动力系统，在燃煤火电、核电、太阳能热发电等领域具有良好的应用前景。金属管道和部件在高温S-CO₂环境中的抗高温腐蚀性能是该新型动力系统建设的瓶颈问题之一。本文综述了候选材料铁素体/马氏体耐热钢、奥氏体不锈钢、高温镍基合金在高温S-CO₂环境中的腐蚀研究现状，探究了S-CO₂环境下的氧化-碳化耦合机理，给出了S-CO₂环境腐蚀亟需解决的问题，提出了合理抑制碳化腐蚀的方法，指明了S-CO₂腐蚀的研究发展方向和趋势。     

垂直上升加热管道内超临界二氧化碳流动不稳定性研究

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电技术被认为是最具前景的发电技术之一。在S-CO₂发电系统启动/停机或者较低负荷的条件下,主压缩机送出的S-CO₂在不能够充分回热的条件下直接进入S-CO₂锅炉,会使S-CO₂锅炉气冷壁内的大量S-CO₂工作在拟临界温度点附近,致使S-CO₂流动不稳定性成为S-CO₂锅炉必须考虑的问题。本文以S-CO₂锅炉气冷壁最为常见的布置结构（即垂直上升加热管）为研究背景,首先构建了S-CO₂流动不稳定性的计算模型,随后进行了大量的数值计算,研究了典型工况下的S-CO₂流动不稳定性特点,获取了主要边界参数对界限热流密度的影响规律。结果显示:随着入口压力或者质量流量的增大,界限热流密度显著提升,管内流动稳定性有明显提高;随着入口温度的提高,界限热流密度先降低再升高;对于不同的工况,存在1个临界入口温度,在该入口温度下,界限热流密度最低,管内流动稳定性最差。     

金属材料在超临界二氧化碳环境内腐蚀行为研究进展

超临界二氧化碳(S-CO₂)循环发电技术因其自身的技术优势成为热力发电领域一项具有划时代意义的重大变革性前沿技术，由于十分苛刻的工作环境，S-CO₂易造成设备材料腐蚀。为确保S-CO₂系统安全有效地运行，首先介绍了S-CO₂布雷顿循环系统工质运行参数范围以及系统关键设备候选材料，其次综述了目前有关金属材料在S-CO₂环境中的腐蚀行为研究现状，然后详细阐述了S-CO₂环境下的腐蚀机理，归纳了温度、压力、杂质、流速以及材料成分对S-CO₂腐蚀过程的影响，同时介绍了S-CO₂腐蚀防控技术的研究进展，最后进行了总结并指出了现有研究的不足及未来研究的主要方向，为我国S-CO₂循环系统的安全运行提供科学依据。     

超临界二氧化碳与液态金属耦合换热特性研究进展

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。     

500kW超临界CO2再压缩循环热力性能分析及优化

为研究分析超临界二氧化碳(CO₂)再压缩循环发电系统循环的特性和规律，建立了500 kW超临界CO₂再压缩循环计算模型，研究了各循环参数对热效率和分流比的影响，并以达到最高热效率为目标对各参数进行优化。计算结果表明：最低压力、最低温度、最高压力、分流比均存在使循环热效率达到最高的最佳值；热效率随着最高温度的升高而升高。对各循环参数进行优化后，工质质量流量减少了0.92 kg/s,热效率从39.51%提高到43.85%。     

超临界二氧化碳动静压干气密封稳态性能和加热模式对比研究

为提高现有超临界二氧化碳(S-CO₂)动压型干气密封的气膜刚度和降低因密封进气管路上设置加热器而增加的额外功耗，提出一种基于静环背部环体加热的S-CO₂动静压型干气密封新结构。基于共轭热传递模型，采用商用软件Fluent求解密封压力场和温度场，对比分析了S-CO₂动压型、静压型和动静压型干气密封的稳态性能和流场分布，探讨了不同加热模式和热源温度下S-CO₂动静压型干气密封的流动传热特性和功率消耗。结果表明：在给定参数下，相较于动压型干气密封，动静压型干气密封的气膜刚度增加到2倍以上，不过泄漏率也增加了35%；相较于直接气体加热模式，环体加热模式下的加热功耗降低44%，密封运行经济性更好。这为S-CO₂发电系统压缩机端干气密封的结构设计和辅助系统改进提供了新的思路。     

660 MW超临界二氧化碳燃煤机组锅炉设计及经济性分析

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电技术被认为是可以替代蒸汽朗肯循环发电的新型发电技术。本文利用热力计算方法对660 MW级S-CO₂燃煤锅炉进行了概念设计,确定了各受热面工质参数、受热面面积和烟气温度等参数,确保锅炉能适应整个S-CO₂循环系统。同时基于加权质量法解决了S-CO₂锅炉各受热面成本难以准确评估的问题,获得了S-CO₂锅炉的造价,并利用平准化度电成本（LCOE）分析了整个S-CO₂机组的经济性。结果表明:S-CO₂机组的LCOE为0.540元/(kW·h),比常规机组低11.3%,具有很强的经济潜力;S-CO₂机组中锅炉、回热器、预冷器的造价较高;S-CO₂锅炉中/低温对流受热面平均材料等级的提升是导致锅炉造价提高的主要原因。因此,仍需继续开展针对锅炉（尤其是中/低温对流受热面）、回热器和预冷器的优化研究,以降低投资成本。     

基于LNG冷能利用的燃气轮机/超临界二氧化碳循环关键参数经济性研究

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。     

高参数燃气轮机与超临界二氧化碳联合循环系统热力性能分析

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1800℃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。     

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO₂)在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响，并对各结构特性灵敏度做了量化分析；搭建了闭式循环的S-CO₂测试平台，对螺旋管内S-CO₂对流换热性能进行了试验研究，并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性；对数据进行处理，拟合出了S-CO₂的传热关联式。该研究为S-CO₂螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础，并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。     

超临界二氧化碳轴流透平进排气壳体性能影响研究与验证

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。     

提升直流炉供热机组灵活性的电热协调控制策略EI北大核心CSCD

为克服“以热定电”对直流炉供热机组变负荷性能的影响,该文引入并改进双重控制方法,从而实现电热的协调控制。基于运行数据,辨识获得热–电负荷转换的动态模型,建立直流炉供热机组电热协调控制模型;重构热负荷偏差积分信号,实现对热负荷能量的全程检测;设计电热协调的双重控制策略,一方面通过供热抽汽流量主动响应提升发电负荷响应速率,另一方面通过热负荷精准能量平衡实现热负荷的全程自主恢复。仿真结果表明:电热协调双重控制策略可使机组的变负荷速率达到额定负荷的3%/min,自动发电控制(automatic generation control,AGC)调节性能至少提升了一倍,并能维持热负荷等主要参数的稳定。所提控制策略实现了直流炉供热机组的电热协调控制,可显著提升机组的运行灵活性。     

超临界二氧化碳燃煤发电系统低温余热回收的技术经济性优化

现有超临界二氧化碳（S-CO₂）燃煤发电系统锅炉排烟温度为120 ℃左右。通过系统优化降低锅炉排烟温度，有望进一步提高燃煤发电系统效率和烟气除尘效率。为此，本文以1 000 MW S-CO₂燃煤发电系统为例，通过回热系统、烟气冷却系统和空气预热系统的耦合优化，提出了带有低温烟气余热回收系统的改进构型；建立了热力学和技术经济性分析模型，以技术经济性最优对构型进行了优化分析。结果表明:采用烟道旁路、低温省煤器及主压缩机中间冷却的改进构型4，可将排烟温度降低至约95 ℃，与基础构型相比，可提高锅炉效率1.5%，提高电厂效率1.45%。通过分析燃料成本和运行时间对度电成本的影响，证明改进构型4的度电成本最低，经济性效果最好。     

前馈修正的循环流化床机组脱硝系统多模型预测控制研究

双碳政策的深入推进对燃煤机组负荷灵活调峰能力提出了更高要求,然而机组负荷大范围变化时会造成烟气NO_x浓度的大幅度波动,提升了NO_x超低排放控制的难度。针对大范围变负荷工况下难以快速、精准调控喷氨量的难题,以某循环流化床机组联合脱硝系统为研究对象,建立关键参数前馈修正与多模型预测控制耦合的控制策略,以炉膛出口烟气温度为依据划分工况子模型,根据阶跃扰动试验及改进粒子群算法对各子模型进行参数辨识,并通过隶属度加权方法建立多模型控制器。工程应用结果表明,前馈修正的多模型预测控制方法在平稳负荷工况时波动范围达到±5.8mg/m³,变负荷工况时为±8.1mg/m³,标准差分别为2.10和2.89mg/m³,应用结果证明了该控制方法的有效性。