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。     

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。     

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。     

超临界二氧化碳透平机械用气体轴承的研究进展及关键技术

气体轴承可应用于超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)布雷顿循环透平机械(压缩机、涡轮机)中,以适应高转速并提高旋转机械运行的稳定性。文中总结了国内外对S-CO₂透平机械所用气体轴承的研究现状,介绍应用于S-CO₂透平机械中气体轴承的类型以及应用特点、理论分析和实验研究情况,为我国S-CO₂透平机械所用气体轴承的研究提供参考。此外,进一步总结今后S-CO₂透平机械气体轴承研究和应用需重点关注的问题,主要包括S-CO₂实际气体雷诺方程修正、止推气体轴承载力问题、径向轴承动态特性问题、风阻损耗计算问题、箔片轴承的热问题以及耐高温固体涂层问题等。对S-CO₂透平机械气体轴承的发展方向进行展望。     

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。     

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。     

钠冷快堆耦合超临界二氧化碳布雷顿循环中的PCHE研究进展

本文首先介绍了超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环的特点,包括临界点的重要性、回热器“夹点”问题、冷却器冷却工质问题等。然后,针对钠冷快堆（SFR）,总结了国内外应用于SFR耦合布雷顿循环系统中的印刷电路板换热器（PCHE）的相关研究,包括在Na/CO₂换热器、回热器、冷却器中运行的重要工质——S-CO₂的流动换热性能,以及影响PCHE自身性能的流道结构优化设计。结果表明,针对具体的SFR应用,目前仍无明确结论认为哪种流道结构更为优越,需要针对具体应用场景进行相应的数值分析或实验研究。     

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。     

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。     

高速高压超临界二氧化碳干气密封性能试验研究

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)布雷顿循环发电技术具有多方面优势，未来应用潜力巨大。S-CO₂叶轮机械一般选用泄漏量极低的干气密封，但是S-CO₂的特殊物性对干气密封的密封性能的影响显著，针对S-CO₂干气密封的性能研究多以理论仿真为主，少有试验研究支撑。针对不同运行工况下的S-CO₂干气密封的稳态性能，该文搭建高速高压干气密封试验台，试验研究不同转速、进气压力、进气温度对SCO₂干气密封的泄漏量和摩擦耗功的影响规律，并将泄漏量的理论计算结果与试验值进行对比。结果表明：S-CO₂干气密封的泄漏量及摩擦耗功随转速、压力的升高及温度的降低而增大，转速与压力的影响较大，温度的影响较小。泄漏量计算值与试验值存在一定偏差，最大偏差在20%左右。结果可为理论计算模型及计算方法的修正提供参考，以进一步分析S-CO₂干气密封的密封性能。     

超临界二氧化碳燃煤发电系统锅炉耐热钢选材分析

采用超临界二氧化碳(S-CO₂)循环时，炉膛管内工质温度较高，耐热钢钢材等级需提升。S-CO₂管内工质温度与壁温相差较大，远高于水蒸气锅炉30～50℃的温差范围。工程应用的水蒸气锅炉受热面选材的要求与依据，无法直接用于S-CO₂锅炉。在材料边界条件下，从材料的高温强度和腐蚀特性出发，综合成熟耐热材料的使用情况和经济性能，探讨将T23、T91、T92、TP347HFG、Super304H等耐热钢应用于S-CO₂锅炉的可行性，得到SCO₂锅炉的选材特点。研究结果表明：在一定管结构条件下，T91可用于冷却壁选材，传统水蒸气锅炉水冷壁管材，如12Cr1MoVG、T21和T23等铁素体耐热钢将无法使用；对于过热器，只有热强性更好的奥氏体钢TP347HFG与Super304H在一定管结构参数条件下才符合受热面选材要求。     

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。     

GH 3128和AISI 616在超临界二氧化碳布雷顿循环动力发电系统环境下的腐蚀行为

针对超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)布雷顿循环发电系统中高温部件合金材料的腐蚀问题，为进一步研究不同种类合金的抗腐蚀性能，该文选取镍基合金GH 3128和马氏体合金AISI 616，研究其在550℃、20MPa的S-CO₂环境下的腐蚀行为(最高900h)，并利用四点应力装置研究应力加载对合金腐蚀行为的影响。使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱技术(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等表征方法对实验后样品的微观形貌、氧化物的物相以及氧化膜厚度进行分析。结果表明：镍基合金GH 3128生成单层的Cr₂O₃氧化膜；而马氏体合金AISI 616生成双层氧化膜结构，外层主要是Fe3O4，内层是富Fe、Cr氧化物。随着腐蚀时间增长，两者氧化膜厚度都有所增长，但GH 3128最终厚度远小于AISI...     

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。     

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。     

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。     

5 MW级超临界二氧化碳燃气锅炉性能评价研究及程序集成

以超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环发电机组中主设备S-CO₂锅炉作为研究目标，以5MW试验机组作为研究对象，开展S-CO₂锅炉性能指标评价体系研究。S-CO₂锅炉的核心性能指标为锅炉燃料效率、换热面吸热量占比、空气预热器性能、工质系统压降和锅炉NOx排放浓度等。燃料效率计算中，通过计算尾部烟气含氧量进行过量空气系数推算燃料消耗量和风量，并改进排烟热损失的计算方法。引入了换热面吸热量占总吸热量比值作为SCO₂锅炉工质侧性能考核指标。建立了5 MW S-CO₂燃气锅炉性能指标评价体系并集成程序且完成案例分析。实际工况与研究对象的设计参数(设计效率93.53%)基本相当，最终计算获得锅炉燃料效率未经修正为92.05%，锅炉燃料效率修正为93.79%。     

超临界二氧化碳轴流透平冷却系统耦合传热特性数值研究

针对某型超临界二氧化碳(S-CO₂)轴流透平开展了冷却系统设计，通过抽取压缩机后管道中低温S-CO₂对干气密封、转轴和壳体进行冷却，以保证干气密封工作温度低于200.0℃。采用耦合传热方法分析了该冷却系统的流动和传热特性，对比了不同冷却方案的干气密封、转轴与壳体等固体域的温度分布。结果表明：采用转轴冷却方案时转轴温度降幅达到220.3℃，干气密封最高温度为229.1℃；进一步引入温度更低流量更大的S-CO₂对壳体进行冷却，能抑制透平进口处高温主流的加热作用，转轴温度降幅增加到244.1℃，干气密封最高温度下降到181.2℃，同时S-CO₂轴流透平干气密封、壳体和转轴等被冷却部件温度梯度可控。该冷却系统为S-CO₂轴流透平的安全可靠运行提供了解决方案。