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%。     

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环离心压缩机试验研究EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环系统是一种具有广阔应用前景的新型能源动力系统。S-CO_(2)压缩机是S-CO_(2)布雷顿循环系统的核心部件,对系统运行具有重要影响。该文设计S-CO_(2)离心式压缩机,建设百kW级S-CO_(2)压缩机性能试验系统,开展压缩机进口CO_(2)超临界态建立试验、不同转速下的压缩机性能试验和压缩机进口状态控制试验。试验结果表明:压缩机可实现最高转速(40000r/min)、宽工况、超临界态运行,试验最高压比达到1.34;较好地实现压缩机进口状态的稳定性控制,当转速为9000和20000r/min时,进口压力波动小于0.12MPa,进口温度波动小于1℃。试验结果对S-CO_(2)压缩机设计及S-CO_(2)布雷顿循环系统级控制策略研究具有重要意义。     

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...     

MW级超临界二氧化碳发电系统中主压缩机首级设计及其入口凝结性能分析

为实现MW级超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的开发,由气体动力学参数分析得到主压缩机的适宜进口参数范围。结合超临界二氧化碳强烈非线性的实际物性,引入叶轮内损失模型,改进热力设计得到主压缩机第1级叶轮模型。采用数值模拟方法,分析所设计叶轮的流场,对比不同进口参数下,叶轮进口流动凝结对压缩机性能的影响。结果发现:对于不同进口总温和总压,温度对气流凝结的影响更大。为得到较接近临界参数的工作点,可在本文工作基础上对叶轮进行优化设计。     

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%。     

超临界二氧化碳压缩机非平衡冷凝研究进展

压缩机是超临界二氧化碳（S-CO2）动力循环系统的核心设备,其工作在S-CO2的近临界区域,因此S-CO2工质在压缩机内流动时易发生非平衡冷凝,影响系统性能与可靠性。压缩机内部的S-CO2非平衡冷凝实验观测难度大,数值模拟复杂,相关S-CO2压缩机设计经验也较为缺乏。本文结合近年研究成果,从研究方法、数学模型和实验研究等角度总结了目前S-CO2非平衡冷凝的研究进展,指出了需进一步开展的研究方向,如改变喷管几何结构参数,从而改变成核区体积,以改变流体在亚稳态区的滞留时间;改进气体状态方程进而提高亚稳态区域热物性精度,从而准确进行数值模拟;在设计S-CO2压缩机时,利用实验测得的Wilson线设定压缩机进口条件,构建新的安全边界等。     

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。     

超临界二氧化碳压缩测试系统动态模型

建立超临界二氧化碳（S-CO2）压缩测试系统的动态仿真模型对于系统设计、系统性能预测以及控制策略的建立具有重大意义。首先,考虑冷却器和管道的时滞效应,建立了冷却器、压缩机和节流阀等部件的热力学模型,并结合系统焓方程形成系统动态仿真模型,并验证了模型的静态与动态精确性。在此基础上,研究了某350 kW S-CO2压缩测试系统对节流阀开度扰动的动态响应特性。结果显示:在节流阀开度增大过程中,压缩机进口温度几乎不变,压比降低,压缩机效率与输出功率先增大后减小,稳定后压缩机效率略有增大、输出功率几乎不变;在节流阀开度线性增大时,回路流量和压缩机进口温度存在最大调节量,二者均与节流阀开度变化率呈近似线性关系;在压缩机前增设300 L缓冲罐将使系统稳定时压缩机流量、压比和效率等参数出现偏移,但不影响压比和效率等参数在节流阀开度调节过程中的变化趋势,增强了压缩机对节流阀开度扰动的鲁棒性。     

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。     

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。     

超临界二氧化碳循环混合工质热力学性质研究进展

超临界二氧化碳（S-CO2）循环因清洁、高效、低碳的特性受到广泛关注,其中半闭式循环使用的工质为CO2混合体系,因此对CO2混合体系热力学性质的认识和描述提出了新的要求。本文综述了含CO2混合体系热力学性质的研究进展,并结合S-CO2循环系统设计需求对研究现状进行分析。结果表明:相对于CO2纯工质,CO2混合体系的单相区密度（即pvTx性质）、比热容、声速等基础数据均非常缺乏;已有的半理论状态方程精度需要进一步提升,多参数状态方程需扩大有效应用范围。建议面向S-CO2循环需求,开展有针对性的热物性实验与理论研究工作。     

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。     

超临界二氧化碳600 MW燃煤发电系统热力学性能仿真研究

本文采用Ebsilon软件对超临界二氧化碳布雷顿循环600 MW燃煤发电系统进行仿真研究,分析该系统主压缩机入口/出口压力、再热透平入口压力、压缩分流系数以及主/再热气温对其热力学性能的影响。研究结果表明:系统发电功率和循环效率随主/再热气温的提升而升高;主压缩机入口和出口压力存在最佳值;系统循环效率受压缩分流系数的影响较大,压缩机的总耗功量随压缩分流系数的升高而增大,导致系统发电功率降低;再热透平入口压力对系统循环效率影响较小。通过遗传算法对发电系统多参数进行优化可得,当主压缩机入口及出口压力分别为7.94、30.94 MPa,再热透平入口压力和压缩分流系数分别为17.88 MPa和0.30时,系统循环效率最高可达48.89%。     

超临界二氧化碳再压间冷分流光热发电系统性能仿真分析

为提高基于光热的超临界二氧化碳（S-CO₂）循环发电效率,提出了1种改进的再压间冷分流循环发电方案。通过建立热力学模型对系统进行参数优化,在循环效率最大和熔融盐出口温度为290 ℃ 2种情况下,将该方案与传统再压缩循环方案进行了效率和系统总热导对比。计算结果表明:相较于再压缩循环方案,改进方案的效率提高了1%,总热导增加了4%;降低熔融盐出口温度可以减小系统总热导;当熔融盐出口温度限定为290 ℃时,再压间冷分流方案的效率降低至36%,系统总热导降低了10%。该结果可为塔式光热发电系统的设计和参数选择提供参考。