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。     

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。     

超临界二氧化碳动力循环余热利用方案优化研究

针对燃气轮机余热利用问题，以有回热的超临界二氧化碳(S-CO₂)动力循环为基础，引入中间冷却、中间再热和分流再压缩技术，建立6种循环方案。分别以S-CO₂动力循环的循环效率最高和循环净输出功最大为优化目标，采用遗传算法对各方案的参数进行优化，并对每个方案的优化结果进行经济性比较。结果表明：以循环效率最高为优化目标时，引入一次中间冷却、一次中间再热和一次分流再压缩都能不同程度提高循环效率，其中引入一次分流再压缩和一次中间再热的方案6循环效率最高，达到43.29%；以循环净输出功最大为优化目标时，引入一次中间冷却可以增大输出功，引入一次中间再热会减小S-CO₂动力循环净输出功，而一次分流再压缩退化为无分流方案，其中引入一次中间冷却的方案2净输出功最大，为82 620.02 kW;6个方案的经济性均在以S-CO₂动力循环净输出功最大为优化目标时更具优势，原因在于这种情况下对燃气轮机排烟的余热利用效率更高，其中方案2运行20年收益最大，为50.65亿元。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

S-CO2发电系统负荷跟随控制策略及动态特性研究

为了解决超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)发电系统负荷跟随控制策略难以兼具变负荷快速和宽负荷高效的问题，该文针对600 MW S-CO₂再压缩循环发电系统，将阀门控制与库存控制耦合并对CO₂库存罐的布置形式进行改进，提出一种新型负荷跟随控制策略。与变负荷快速的阀门控制相比，该控制策略在75%～100%变负荷过程中使得系统循环效率最高提升13.73%，循环最高压力降低可达28.2%，降负荷速率相等。通过改进CO₂储罐位置使得系统升、降负荷速率分别提升2.75和1.96倍，一次调频性能得到明显提升。最后，通过对51%～100%变负荷过程系统关键参数的动态特性进行研究，证明所设计负荷跟随控制策略的合理性和有效性。     

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。     

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。     

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。     

不同流道结构的印刷电路板烟气换热器性能对比研究

内燃机余热回收技术对节能减排具有重要意义,其中超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环系统因成本低、环境友好等优点,受到越来越多的关注。烟气换热器作为S-CO₂动力循环系统的关键部件,其换热性能直接影响循环整体效率。印刷电路板换热器具有换热效率高、结构紧凑的特点,但目前鲜有在内燃机余热回收上的应用。因此,本文开展印刷电路板烟气换热器的结构设计及优化工作。设计了3种S-CO₂侧流道结构的烟气换热器,并通过数值模拟,对比了不同流道结构对换热器内部流动及换热性能的影响。结果表明,镂空流道烟气换热器的单位质量换热量与Kv值远高于直角流道换热器和圆角流道换热器,说明镂空流道印刷电路板换热器可以更好地满足小型化、紧凑化的要求。     

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。     

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。     

FLNG船舶能量管理系统设计与性能优化

浮式液化天然气生产储卸装置(floating liquefied natural gas system,FLNG)特种液货船作为开发海上天然气田的新式装置,极大的方便了对处于深海的气田的开发利用,该文以“Prelude”号FLNG作为母船,提出一种新型FLNG低温能量管理系统。该系统主要利用液态空气作为媒介储存和释放能量,通过液态空气冷能与混合制冷循环相结合实现天然气液化过程,在提高LNG生产性能的同时集成了CO₂液化循环和电力的生产,通过CO₂液化和剩余冷能发电提高系统的输出性能,实现了FLNG船舶冷能的多级利用,也为FLNG船舶冷能利用提供新方法,新途径。所提系统相较于基准模型具有更好的性能,在7.04年可实现成本回收。最后采用多目标性能优化,进一步提高系统(火用)效率达60.67%,同时降低约2.3%的成本。该FLNG低温能量管理系统有高效、低耗、稳收益、低碳化等特点,可更好优化海上LNG供应链,促进航运业“双碳”发展。     

5 MW超临界二氧化碳实验锅炉热力特性与壁温耦合计算模型

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环逐渐成为国内外研究的热点。相对于传统蒸汽朗肯循环的广泛应用，S-CO₂锅炉的热力计算还缺乏相关研究。本文以某5 MW S-CO₂实验锅炉布置方案为例，将锅炉管道、炉膛、高温受热面作为串联管路，将热力特性与壁温进行耦合计算建立数值分析模型。该计算模型气温、壁温计算结果能够同时满足工程计算要求，对S-CO₂锅炉研究具有重要意义。