壁面粗糙度对超临界二氧化碳透平性能影响数值研究

针对某型超临界二氧化碳(S-CO₂)轴流透平，结合不同工况试验测试结果进行了带粗糙度的仿真与测试的对比分析，重点讨论了壁面粗糙度对机组性能的影响。研究结果表明：采用的壁面粗糙度数值计算方法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1.82百分点；壁面粗糙度使得透平整体性能下降，对于本透平开机升功率过程中5个工况，在Ra1.6粗糙度等级下效率最大下降2.8百分点，且涡轮级粗糙度对透平性能影响更加明显；壁面粗糙程度越严重，涡轮级效率下降越大；在非设计工况，粗糙度达到Ra6.3等级时效率最大下降11.6百分点，壁面粗糙度加剧了动叶压力面的流动分离，造成了较大的摩擦损失，严重影响透平性能。研究成果为后续S-CO₂透平设计与性能研究提供了技术支撑和依据。     

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。     

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%。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

串联式干气密封对超临界二氧化碳轴流透平气动性能的影响

轴流透平叶顶不可避免地存在泄漏问题,严重影响了透平的运行效率与安全,工程上通常在叶顶布置密封结构来降低泄漏流的影响。为了进一步提升叶顶密封性能,该文基于一个1.5级超临界二氧化碳轴流透平,在动叶叶顶布置串联式干气密封,讨论了不同密封间隙下的流动特性和气动性能,并通过热流固耦合方法研究了密封端面变形特性,验证了其可行性。结果表明:串联式干气密封间隙为10mm时,无量纲相对泄漏量仅有2.43×10~(-5),透平效率相对于无泄漏结构仅降低了0.01%。随密封间隙增大,泄漏量增大,透平级内损失增大,效率降低。但在大密封间隙下,串联式干气密封结构相比于单级密封结构性能更突出。各个密封间隙下,密封端面内外径热力耦合轴向变形差均不超过27mm,且变形后透平可以维持较高效率。研究结果表明,超临界二氧化碳轴流透平叶顶布置串联式干气密封可以在保证安全性的前提下有效降低泄漏量,维持较高的气动性能。     

管壁局部粗糙对水平超临界二氧化碳湍流传热的影响

为改善水平管内超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)湍流传热，该文对管壁引入简易的均匀砂粗糙，并基于水平超临界流动传热特征，创新性地提出上壁面(传热恶化)附近特定区域粗糙化方案。模拟计算中，采用k-ωSST湍流模型并对其关于粗糙管流传热预测进行了验证以展示其可靠性，而后对管径d=4.57mm水平管道内S-CO₂的流动传热展开探究，并讨论局部粗糙化范围以及关键因素浮升力的影响。结果表明：管道上壁面特定区域粗糙化能显著降低上壁面温度，增强该区域S-CO₂传热性能，继而有效改善周向传热均匀性。低热流密度时，管壁粗糙面积在湍动能整体水平较低的加热管流前半部分影响较为明显；随着热流密度的增加，浮升力效应增强，上壁面附近高温区域逐渐扩大，而不同工况条件下使粗糙范围集中于此高温区域能够获得兼顾水平S-CO₂传热效率与附加流动阻力更优的综合性能。     

轴向非均匀热流条件下超临界二氧化碳垂直管内换热特性

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)燃煤锅炉冷却壁热边界条件的实际分布，采用SST k-ω低雷诺数湍流模型，数值模拟研究了半周加热轴向非均匀热流作用下S-CO₂在垂直圆管内的传热特性，分析了不同热流分布、质量流速对换热性能以及圆管内壁温度分布的影响。研究结果表明：轴向非均匀热流分布对S-CO₂传热具有显著影响，在平均热流相同的条件下，相较于均匀热流分布，轴向非均匀热流分布下总传热系数最大提高了约8%；轴向非均匀热流分布对传热恶化有抑制作用，有效降低了壁温峰值点；非均匀热流条件下，S-CO₂传热主要受类气膜厚度、类气膜导热系数及近壁区定压比热容的影响较大。研究结果可为燃煤S-CO₂锅炉设计提供理论指导。     

进汽结构对部分进汽损失的影响研究

喷管配汽调节级作为汽轮机的主要结构之一,可有效调节汽轮机的功率,其所产生的部分进汽损失组成复杂且造成机组效率的下降。文中采用ANSYS-CFX软件研究了一种小型涡轮的12种单级部分进汽结构在60余种运行工况下的部分进汽损失和效率特性。结果表明:部分进汽工况会给涡轮带来额外损失,且损失随部分进汽度的降低而增加,逐渐降低部分进汽度时,损失增加速率逐步增大,转速的增加能够提升相对内效率;在相同进汽度下,多进汽弧段较单进汽弧段损失更大,但受到弧段周向间距的影响,增加进汽弧段个数并不会明显降低相对内效率;进汽弧段周向间距越大,其造成的部分进汽损失越大,但在一定范围内(g/p=0.5~2.0),周向间距对效率影响不大。