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。     

超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械研究进展

超临界二氧化碳具有密度大、黏性小的特征,将其应用于布雷顿循环动力系统中能够使系统结构紧凑、效率高,具有良好的工程应用前景。总结了近年来国内外针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究进展及相应成果。首先介绍超临界二氧化碳工质的特性及布雷顿循环的优势,其次介绍各研究机构针对超临界二氧化碳布雷顿循环的研究以及已完成的布雷顿循环实验系统。此外,进一步总结了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环透平机械即透平和压缩机的设计方法、数值分析及实验研究情况,涵盖了千瓦级至兆瓦级等各种功率等级。为我国超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究提供参考。     

超临界二氧化碳布雷顿循环系统中材料的腐蚀行为

超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环因其自身的技术优势在新型燃机、第四代核电、火电以及太阳能发电机组中具有潜在的应用。文中综述了目前有关S-CO_2布雷顿循环体系中材料的腐蚀行为以及超临界参数(温度、压力)对合金的腐蚀速率影响研究进展,重点介绍了水蒸气、含硫气体(1 mg/L量级)、空气掺杂等对超临界CO_2腐蚀行为影响规律及机理,并指出了现有研究的不足及未来研究的展开方向。     

超临界二氧化碳萃取冬凌草甲素的工艺研究

以冬凌草为原料采用对比分析、正交试验和数理统计等方法，研究用超临界二氧化碳从冬凌草中萃取冬凌草甲素的萃取压力、萃取温度、分离温度以及萃取时间对萃取冬凌草甲素产率的影响和最佳工艺条件．结果表明，在萃取压力为24MPa，萃取温度为55℃，萃取时间为2．5h，c02流量为29L／h，分离温度为40℃时，冬凌草甲素产率最高．     

超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环参数优化

针对一级再热超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环建立循环热力学模型,分析循环关键参数对循环热效率的影响。结果表明:最佳再热压力的最佳值约为第一级透平的0.5倍;在给定条件下,使压缩机入口参数接近于临界值、减小夹点温差、提高透平入口温度、提高压缩机效率和透平效率都可以提高循环热效率;透平效率对循环热效率的影响大于压缩机效率对循环热效率的影响。     

超临界二氧化碳火力发电系统模拟研究

采用Aspen plus软件建立了超临界二氧化碳布雷顿循环600 MW火力发电系统数学模型,计算分析了压缩分流系数、汽轮机分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对循环效率的影响。结果表明:压缩分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对系统循环效率的影响显著,而汽轮机分流系数对系统循环效率几乎无影响;压缩机压比与压缩分流系数之间存在最优耦合值,使得该系统的循环效率最高;系统循环效率随着汽轮机入口温度的增加而增加,随着主压缩机入口温度的增加而降低。     

超临界二氧化碳透平气缸设计方案研究

为对高参数超临界二氧化碳透平气缸进行优化设计,通过改进气缸结构和调整气缸材料及密封形式,获得3种气缸设计方案。借助有限元软件分析不同气缸设计方案在高参数超临界二氧化碳环境下的安全性,再结合成本分析,最终排除梳齿气封以及上下半气缸设计方案,选择安全、低成本的干气密封筒形缸设计方案。     

超临界二氧化碳火力发电系统比较研究

利用Aspen plus对煤基超临界二氧化碳布雷顿循环分流再压缩常规、二次再热和多级压缩火力发电系统建立了工程化系统模型,并以600MW机组为基础,研究了在相同压缩分流系数、压缩机入/出口压力、再热透平入口压力、主压缩机入口温度、高压透平和再热透平入口温度对系统循环效率和回热器换热效率的影响并进行比较,总的来说,在该系统布置状态下,压缩机分流系数、压缩机入/出口压力与主压缩机入口温度对系统性能和回热器换热效率影响显著,其他因素影响并不明显。二次再热系统性能优于原始循环系统和多级压缩系统,二次再热系统能达到最佳的系统效率,多级压缩系统并未对系统效率有效提升。     

超临界二氧化碳离心压缩机设计及性能预测

离心压缩机是超临界二氧化碳(S-CO₂)循环系统中的关键部件之一,对系统的效率和稳定运行起决定性作用。区别于传统空气工质压缩机,S-CO₂工质的独特物性使得压缩机内部流场更为复杂;基于空气物性特点建立的损失模型也需要做针对性的修正以满足S-CO₂离心压缩机的性能预测要求,因此需要数值模拟研究探明压缩机内部流场特性,以此对压缩机性能预测方法做相应的改进。首先开展压缩机一维气动参数设计,并在一维设计参数的基础上建立三维模型,分析压缩机内部流场特点,发现分流叶片对内部流场有较大影响,同时变工况下叶轮内部流场发生改变也会引起出口气流角的变化,基于此,对压缩机非设计工况下滑移因子和计算叶片数进行修正,同时改进表面摩擦系数以预测压缩机的非设计工况性能。数值模拟结果表明,改进后模型的预测误差显著降低,非设计工况下平均效率误差从2.03%下降到0.16%。     

现代超临界参数蒸汽锅炉的设计

<正> 世界性燃料销售情况及随后节约燃料的努力,都增强了提高机组效率的趋势。有一种值得注意的趋势,即通过提高电站蒸汽循环的参数来降低单位热耗和提高电厂效率。故世界各国电厂正在采用超临界循环。除了采用超临界蒸汽参数外,还有一种日益增长的需求,即提高电厂运行机动性的需求。采     

超临界二氧化碳离心压缩机性能预测模型研究

压缩机作为超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环的核心部件,对其开展部件级实验研究,测试压缩机及其附属设备的工作特性将至关重要;而建立精准的闭式S-CO₂压缩回路系统仿真模型是选取回路关键参数、建立系统控制策略的必要准备工作,也是保证压缩机可在测试参数下稳定运行的重要前提。本文针对测试回路中压缩机的热力学模型进行了研究,并对S-CO₂压缩机的运行性能进行了预测,基于传统压缩机一维损失模型,对比预测结果与公开文献实验数据,发现传统压缩机模型在偏离设计工况条件下存在较大误差,需要对其进行修正。本文引入流量系数,其定义为质量流量和转速的比值,以运行工况流量系数和设计工况流量系数比值作为修正因子,对传统损失模型进行修正。通过与桑迪亚国家实验室公开的实验数据对比可以发现,修正模型预测结果与实验值的变化趋势和数值大小保持一致,最大误差不超过3%,能够较好预测S-CO₂压缩机运行时的变工况特性。     

超临界二氧化碳离心式压缩机研究进展

作为布雷顿循环的核心部件,超临界二氧化碳离心式压缩机结构紧凑、效率高,具有广阔的应用前景.基于此,本文介绍了超临界布雷顿循环和超临界二氧化碳压缩机的发展历程和背景意义,详细综述了目前超临界二氧化碳离心式压缩机在实验测试、数值模拟以及热力设计方面的研究成果及现状,并针对超临界二氧化碳离心式压缩机的特点,对其研究方向进行了...     

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。     

超临界二氧化碳向心透平研究进展

向心透平是超临界二氧化碳(S-CO₂)动力循环系统的核心设备,其性能的优劣对系统整体性能具有直接影响。首先从理论研究角度总结了国内外S-CO₂向心透平的损失模型、落后角模型、一维优化设计方法和气动性能的研究情况,然后从实验研究角度总结了美国、韩国、日本、中国等国家S-CO₂向心透平设备的相关研究进展。研究结果可为S-CO₂向心透平的设计研发提供参考。     

直接式超临界二氧化碳再压缩塔式光热发电系统关键参数优化

基于国内外研究现状,建立了直接式超临界二氧化碳（S-CO2）再压缩塔式光热（SPT）发电系统模型,研究分析透平/主压缩机进口温度和进口压力对各子系统以及SPT集成系统总?损率的影响规律。基于正交阵列,通过遗传算法进行参数优化,以获得最小的系统总?损率,同时对第5次优化参数下的模型进行夏至日白天的时间序列计算。结果表明:透平最佳进口压力达到给定范围上限,透平最佳进口温度在784~841 ℃内,主压缩机最佳进口压力在7.68~10.00 MPa内,最佳分流系数在0.25~0.32之间;系统总?损率（SPT集成系统）最小值在70.72%~76.87%内,说明最佳循环低压并不一定要接近临界压力,最佳循环高温并不一定越高越好;不同时刻,系统总?损率由集热子系统?损率决定,8:00—11:00和16:00—18:00,定日镜?损率对其影响较大,11:00—15:00,吸热器?损率对其影响较大。本文研究结果可为S-CO2塔式光热发电系统优化设计提供一定参考。     

多级轴流超临界二氧化碳透平气动设计及仿真分析

透平是超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环系统的核心部件,目前主要面临效率低的问题。本文针对1台4级轴流S-CO₂透平进行气动设计,并对透平内部流动进行了三维数值模拟分析。结果表明,动叶叶顶间隙泄漏流是影响透平流动和性能的主要因素,泄漏流不仅会与叶片通道主流相互作用,还会影响下一级静叶流动,在入口产生较大攻角,引起静叶叶顶吸力面前缘和压力面喉口部的流动分离,并影响下游动叶叶顶端流动,导致泄漏流强度随级数累积增强,降低透平效率。根据流动仿真分析结果对透平进行了改进设计,使透平效率显著提高,达到84.44%。     

超临界二氧化碳工质品质规范研究及展望

超临界二氧化碳(S-CO2)循环发电技术是最具应用前景的先进动力循环之一,是助力我国实现碳达峰、碳中和目标、构建清洁低碳、高效灵活的能源体系的重要攻关技术.工质品质是贯穿发电机组设计分析、运行调整等环节的关键问题,深刻影响发电机组的运行安全与经济效益.由于S-CO2循环发电技术采取了全新工质,工质品质规范亟需重新建...     

超临界二氧化碳离心叶轮耦合优化设计

自循环机匣处理能够显著提升超临界二氧化碳离心叶轮小流量区域的气动性能,但对大流量工况附近的性能提升不明显。为此,考虑自循环机匣与叶轮关键参数的耦合效应,对机匣几何和叶轮叶片掠角实施耦合优化,实现了叶轮性能的全面提升。耦合优化后叶轮在大流量工况、设计工况及小流量工况下的效率分别提升了3.51%、2.60%、4.43%。耦合优化的扩稳增效机理为：在大流量工况下改善了叶片前缘进口攻角,减小了叶轮内部亚临界区,抑制了冷凝的同时改善了叶轮内部流通能力;设计工况下机匣的抽吸量增大,叶顶附近更多低能流体被移除,改善了叶轮下游流场结构;小流量工况下显著减小了叶轮内部堵塞面积,叶轮流动稳定性增强,同时改善了机匣回流造成的掺混损失,叶轮效率提升。     

超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析

以带回热的简单超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环为研究对象,详细阐述了循环效率的分析计算方法和过程,讨论了透平入口温度和压力、压缩机入口温度和压比、透平和压缩机效率、回热器效率、压损等因素对循环效率的影响。进一步对于再压缩循环的分析表明,再压缩循环可解决"夹点"问题,从而显著提高循环效率。     

超临界二氧化碳传热恶化现象研究进展

超临界二氧化碳（S-CO2）循环发电技术由于灵活性强、发电效率高、设备紧凑、可实现热电完全解耦、满足快速调峰需求等优势,成为国家能源局《能源技术创新“十四五”规划》的重要专题。虽然S-CO2作为工质带来诸多优势,但也会伴随传热恶化现象,对发电系统造成严重损害。本文从S-CO2的物性参数和传热特性2方面展开,综述了国内外针对S-CO2工质传热恶化现象的研究进展。现有研究表明:S-CO2物性获取的手段并不完善,其中高温高压区实验数据有待补充,近临界区计算精度较差;针对S-CO2传热特性进行的研究较为丰富,但涉及参数范围较窄;数值模拟湍流模型选择存在争议;现有针对传热恶化建立的标准缺乏评估和对比,适用工况有待验证。基于以上结果,对后续工作提出了建议,以期为S-CO2循环发电系统的分析设计及健康运行管理提供参考。