超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统动态特性研究

超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环因其环保性与高热电转换效率而被视为核能发电未来发展的重要方向。借助Simulink软件平台,建立了S-CO₂再压缩布雷顿循环闭环动态仿真系统,通过模拟结果与Sandia实验数据的比较,验证了系统模型的有效性。研究搭建的超临界CO₂再压缩布雷顿循环系统在稳态设计点条件下的预测热效率为31.85%,此外,还获得了热源功率和流量扰动条件下系统热力学参数的响应特征,发现热源功率的变化促使系统效率单调提升或降低,而改变系统流量未呈现类似变化趋势;扰动施加过程中,循环系统的参数对热源功率的变化非常敏感,热源功率减小15.00%,循环效率从31.85%降低到22.00%。最终基于仿真结果,获得多参量耦合关联下的变化规律与调控策略,可为S-CO₂再压缩布雷顿工程应用奠定基础。     

塔式太阳能-超临界CO2发电系统集成与优化

  [目的]  传统塔式太阳能热发电效率较低,采用超临界CO₂（sCO₂）布雷顿循环集成太阳能发电可有效提高系统效率。  [方法]  采用联立方程法建立塔式太阳能集热发电（CSP）和sCO₂布雷顿循环集成系统的非线性规划数学模型以辅助系统分析与优化。模型包含太阳能集热子系统、sCO₂布雷顿循环以及高精度CO₂状态方程的约束,无需调用外部CO₂物性数据,可实现对集成系统任意数量的设计变量的同步优化。将模型应用于塔式CSP与sCO₂简单回热布雷顿循环和再压缩布雷顿循环系统的案例研究,优化系统并分析设计变量对系统效率的影响。  [结果]  研究结果表明:集成再压缩循环系统最大热效率达29.4%,高于简单循环系统的24.9%。再压缩循环的最优透平入口温度为901 K、最优膨胀比约为3;简单循环的最优透平入口温度为826 K、最优膨胀比皆大于3.2。  [结论]  系统存在最优的透平入口温度,提高透平入口温度可提高系统效率,但过高的温度会导致系统效率下降;系统存在最优膨胀比,膨胀比对集成再压缩循环系统的热效率影响较小,但对集成简单循环系统效率的影响较大。     

不同热源下布雷顿循环系统分析

与传统能源发电相比,超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环发电系统具有系统结构紧凑、循环效率高、安全性能较好等特点。采用Aspen Plus构建了不同热源下超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统及热力学模型,重点分析了分流比、透平进口温度及压力、主压缩机入口温度对循环效率的影响。根据参数工况设计三种不同热源布雷顿系统：以煤基为热源的系统采用分流再压缩再热布雷顿循环,主气温度640℃以下再热的设置会比无再热效率高,循环效率可达46.02%。发电效率和再压缩功率随分流比的增加而增加,而主压缩机的则下降。燃气系统采用再压缩循环,透平入口温度与压力的增加可使循环效率增加,循环效率最高可达43.01%。以压水堆为热源的船舰动力系统设计为分流再压缩再热循环。存在最佳分流比,循环效率为37.41%;透平入口压力的增加使循环效率的变化先增加后变缓。主压缩机入口温度的增加使循环效率逐渐下降。     

超临界工质布雷顿循环热力学分析

  [目的]  N₂O、C₂H₆、SF₆用于制冷剂或朗肯循环的工质,这些工质的临界点和物性特征使其具有作为超临界布雷顿循环工质的潜力。  [方法]  采用自行开发的MATLAB程序并调用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的REFPROP物性数据库,对超临界N₂O(S-N₂O)、超临界C₂H₆(S-C₂H₆)、超临界SF₆(S-SF₆)布雷顿循环进行热力学分析,并与超临界CO₂(S-CO₂)布雷顿循环进行对比。选择再压缩循环方式,分别计算得到了透平入口温度为300～550 ℃、压力为15～25 MPa,预冷器出口温度为32 ℃和47 ℃的各种工况。  [结果]  热效率计算表明:S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆再压缩循环均表现较高的热效率,且比相对应的S-CO₂再压缩循环的热效率高,再压缩循环热效率总是随着透平入口温度的提高而提高,但提高压力不一定总是提高循环热效率,提高预冷器出口温度导致循环热效率显著下降。流量计算表明,S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆、S-CO₂循环的总质量流量和透平入口体积流量均远高于同等参数条件的蒸汽朗肯循环,但这四种超临界工质循环的透平出口体积流量相近。  [结论]  S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆、S-CO₂循环均有潜在应用价值。     

超临界二氧化碳布雷顿/有机朗肯循环联合系统的热力学特性

针对再压缩式超临界二氧化碳布雷顿发电循环(S-CO_2),将有机朗肯循环(ORC)作为底循环用于回收系统余热,建立了S-CO_2/ORC联合循环。采用Aspen Plus建立分析模型,根据顶循环余热温度范围和安全环保要求,选取R245fa作为ORC系统工质,分析透平进口温度、透平进口压力及分流比对循环效率的影响,并通过分析耗能设备的功率变化找到影响系统效率变化的因素。结果表明:通过顶循环低温余热的回收利用,系统热效率提高4%以上;增大透平进口温度可提高顶循环的热效率,但对底循环热效率的影响较小;随着顶循环透平进口压力的增大,顶循环热效率增加而底循环热效率下降;在透平入口温度680℃、入口压力280 MPa的条件下,存在最优的再压缩循环分流比0.66使得联合循环热效率最高;使用ORC底循环回收顶循环余热,最高可以将系统热效率从50.3%提高到53.7%,联合系统可以获得6.7%的效率提升。     

300MW超临界CO2二次再热燃煤锅炉系统设计

采用一次间冷二次再热和回热的超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环系统,并基于炉膛分区段传热计算方法,对300 MW燃煤锅炉系统进行设计,重点分析了炉膛分区布置对气冷壁和炉膛沿程温度分布以及工质压降的影响。结果表明：在设计负荷下,过热气冷壁高度为炉膛高度的0.71时,沿程烟气温度处于合理范围内,炉膛气冷壁壁面温度具有较宽的安全裕度,并且设计成本相对较低;所提出的S-CO₂二次再热燃煤锅炉系统的循环热效率达到51.82%,比同级别的S-CO₂一次再热燃煤锅炉提高了1.79%,比同级别常规蒸汽机组高出约11%。     

一种超临界二氧化碳布雷顿循环

为提高布雷顿循环热效率,在现有超临界二氧化碳布雷顿循环的基础上,提出一种基于回热技术的分级压缩与分级膨胀相结合的再压缩布雷顿循环方案,运用热力学计算软件EES对该循环参数进行热力学分析。结果表明,当分流系数约为0.47,透平入口温度为950 K,透平入口压力为29.0 MPa时,循环热效率为59%。当透平入口温度一定,分流系数在0.47～0.48时,循环热效率最高。在透平入口压力从20.0往29.0 MPa升高的过程中,最佳分流系数从0.39逐渐增加到0.47。在回热度从0.5增长到0.6的过程中,最佳分流系数从0.47增长到0.50。     

超临界CO2透平主流道及间隙流动特性分析

以超临界CO₂为工质的闭式布雷顿循环系统具有结构紧凑、效率高等特征优势,符合可持续发展的需求。利用计算流体力学软件对某超临界CO₂轴流透平的气动性能和流动特性进行数值模拟,对比了主流道及考虑气封间隙后的流动特性差异。结果表明：超临界CO₂透平通流部分级等熵焓降和气流出口马赫数较低,不利于透平效率的提高;端壁二次流对于主流影响较大,末级出口的气流角仍有较大范围受端壁二次流影响;考虑气封间隙后,泄漏量占比非常大,第1级隔板气封处的泄漏量达到了总流量的7.4%,透平总静效率也下降了7.27%。该研究结果可为超临界CO₂机组的设计提供参考和借鉴。     

基于燃机余热和地热能的联合发电系统优化设计及热力性能分析

设计了一种超临界二氧化碳(S-CO₂)再压缩系统与地热双闪蒸系统相结合的新型燃机余热利用联合发电系统。基于所建联合系统参数优化模型,应用遗传算法计算分析了联合系统内部参数和边界参数对最大输出功和燃机余热利用率的影响。结果表明：通过系统参数优化,联合系统实现了余热在2个子系统中的合理分配,加深了燃机余热的进一步利用;当一级闪蒸压力取99.89 kPa、二级闪蒸压力取29.4 kPa、S-CO₂质量流量取22.68 kg/s、分流比取0.308 5时,联合系统最大净输出功达到6.402 MW,对应余热效率为67.9%;当一级闪蒸压力在90～115 kPa、二级闪蒸压力在25～35 kPa时,联合系统均可实现较高的净输出功,与最佳值的相对偏差在0.8%以内;随着S-CO₂流量或分流比逐渐增大,联合系统的净输出功均呈现先增大后减小的规律;联合系统的最大净输出功随S-CO₂透平进口压力的增大而增加,随S-CO₂透平出口压力和预冷器出口温度的增大而减小。     

集成小型堆和可再生能源的超临界CO2循环发电系统

  [目的]  小型模块化压水堆(小型堆)核电站由于温度参数低,其发电效率不到30%,为了提高小型堆的核能利用效率,可将小型堆与可再生能源组合,并以先进的超临界CO₂循环作为热能转换为电能的装置。  [方法]  基于简单回热模式的超临界CO₂循环,并在此基础上增加一次间冷和一次再热,将小型堆与太阳能、生物质能热源集成为新型混合发电系统,对其发电效率进行了分析。  [结果]  结果表明:对于高压透平入口温度390 ℃的系统,发电效率34.13%,对于高压透平入口温度550 ℃的系统,发电效率41.22%。此外,对系统的安全性分析表明:CO₂本身是具备核安全属性的工质,并且超临界CO₂循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统,确保在严重事故工况下,反应堆持续排出衰变热。  [结论]  集成小型堆和可再生能源的超临界CO₂循环发电系统具备良好的发电效率和核安全性。     

超临界二氧化碳再压缩再热火力发电系统关键参数的研究

针对含分流再压缩和一次再热的超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统,建立了其数学模型,并用Fortran语言编制了计算程序.通过详细计算,深入分析了分流系数、主压缩机出口压力、主压缩机入口压力、透平入口温度等关键参数对循环效率的影响.结果表明:随着一次工质温度或二次工质温度的升高,循环效率线性升高;但由于超临界二氧化碳物性的特点以及高、低温回热器最小换热温差的约束,主压缩机出、入口压力和分流系数等参数对循环效率的影响均非单调变化,这与传统的蒸汽朗肯动力循环完全不同;超临界二氧化碳动力循环系统存在最优的压缩机出、入口压力和分流系数的耦合关系,使得该系统的循环效率最高.     

高炉煤气碳捕集对钢铁联合企业碳排放的影响

为了探究高炉煤气碳捕集对钢铁联合企业碳排放的影响,通过建立钢铁联合企业的CO₂排放核算模型,用来计算钢铁产品以及企业的CO₂排放量。最后以高炉煤气CO₂捕集率作为情景假设,计算不同情景下高炉煤气CO₂排放系数及高炉煤气的热值,分析不同情景下钢铁产品以及企业CO₂的减排效果。结果表明捕集率为75%时,高炉煤气的热值提高了17.6%,钢铁联合企业的CO₂减排幅度约为14.5%,钢铁产品中的铁水的碳减排幅度最大,降低了15.33%。高炉煤气的碳捕集可以有效降低钢铁联合企业的CO₂排放,对钢铁联合企业碳中和提供有效的实施路径。     

回热型SCO2循环基本性能分析与优化

考虑有限温差传热、不可逆压缩过程和不可逆膨胀过程等不可逆因素,应用有限时间热力学理论建立了变温热源条件下的回热型超临界二氧化碳布雷顿循环模型。首先,分析了工质质量流率、压比、透平效率和压缩机效率对循环净输出功率、热效率和循环最高温度的影响;然后,在总热导率一定的条件下分别以输出功率最大和热效率最大为目标,对加热器、冷却器和回热器热导率分配比进行优化。结果表明：回热型S-CO₂布雷顿循环功率-效率特性曲线呈过原点的扭叶型,存在相应的压比使得输出净功率与热效率分别达到最大;相比于初始设计参数计算的循环性能,优化后循环净输出功率可提高27.3%,最大比功可提高46.9%,最大热效率可提高17.78%。     

基于超临界CO2循环的地热与太阳能混合系统研究

超临界CO₂循环可以耦合较低温度的地热和较高温度的太阳能热组成混合热源发电系统。相比能量分析方法,火用分析方法更便于分析混合系统对提高能量利用率的作用,以及识别造成可用能损失的设备和过程。115℃地热和200℃地热分别与采用槽式聚光集热技术的太阳能热组成混合热源,构成简单回热超临界CO₂循环。分析结果表明：混合系统的火用效率比单纯太阳能热的循环系统提高了5% ~ 10%;太阳能聚光集热器的?损失最大,占80%以上,其次是除预冷器以外的各类换热器以及透平;相比之下,压缩机和预冷器的火用损失较小。减少?损失的关键是提高太阳能聚光集热器和换热器的性能,包括提高集热管运行温度,以及提高换热器效能。     

燃气轮机废热利用的新型动力系统热力学分析

基于能量等级回收和梯级利用的原则,构建了一种燃气轮机废热利用的新型动力系统。该系统主要由燃气轮机布雷顿循环(GTC)、再压缩式超临界CO₂布雷顿循环(S-CO₂)、朗肯循环(RC)、有机朗肯循环(ORC)和有机闪蒸循环(OFC)组成。该动力系统不仅克服了单个子循环热量回收范围窄的局限性,而且通过回热的方式实现了能量的梯级利用,进而提高了系统效率。通过Aspen HYSYS软件对构建的动力系统及各子循环分别进行模拟仿真,进一步研究了工况参数对系统的影响。与现有文献中的数据对比表明,该动力系统中各子循环均得到较好的验证。在相同工况条件下,文献中动力系统净功率为48 592.84 kW,热效率和火用效率分别为42.41%和62.02%,而本研究系统净功率为50 040.46 kW,热效率和火用效率分别达到43.673%和73.593%。因此,该新型动力系统具有较好的能源利用效果。     

基于CO2混合工质动力循环的塔式太阳能热发电系统四季性能分析

为高效转换塔式太阳能系统的聚光热量，将混合工质(CO₂/R290、CO₂/R600a和CO₂/R601a)应用于再压缩动力循环，建立塔式太阳能热发电系统的热力模型，并基于典型日(春分、夏至、秋分、冬至)的辐照条件对系统热力性能进行分析比较。结果表明：在混合工质不可燃的质量分数范围内，随着CO₂质量分数的增加，3种混合工质的系统热效率、效率和发电量均先升高后降低，最优质量分数分别为0.7/0.3、0.8/0.2和0.8/0.2。在3种混合工质中，CO₂/R290(0.7/0.3)的系统性能最佳，春分的系统热效率为18.99%，发电量为17.1 MWh。在不同典型日下，夏至系统热效率和效率略低于冬至，但其发电量最高。基于3种混合工质探究透平进口温度、循环最低温度、高温熔盐温度和分流比对系统性能的影响，结果表明，系统存在最佳分流比使热效率和发电量最高，相应分流比的范围为0.70～0.75。     

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统热力学分析

为了对超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统热力学进行分析,首先构建了分流再压缩和一次再热耦合的超临界二氧化碳布雷顿循环系统主要关键部件的数学分析模型,并基于Matlab软件进行计算分析。分别讨论了系统主要关键参数对系统循环效率的影响。从仿真结果可以看出存在最佳的分流系数,最优的压缩机入口温度、压力和再热压力,使得循环系统具有较高的循环效率。最后为能够全面地反映系统综合性能,引入了遗传算法作为优化分析方法,研究多参数对系统循环效率的综合影响,得到最高效率点的最优关键参数。     

回热型SCO2布雷顿循环及压气机设计

为了解决船舶、飞行器等动力装置的持续供电问题，选定超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环作为动力来源。用Aspen plus软件对简单型、回热型和再压缩型SCO₂布雷顿循环进行分析，根据设计工况下循环的热效率和功率以及循环系统的重量，最终选择回热型SCO₂布雷顿循环作为动力装置的供电循环。对回热循环进行分析，分析结果表明：在回热循环中随着压气机、涡轮效率增大，循环的热效率和循环功率也增大。压气机出口压力对循环热效率的影响可以近似为线性，涡轮入口温度对循环热效率几乎没有影响。换热器温度对效率的影响大于压力对效率的影响并且换热器对循环功率几乎没有影响。在确定回热循环压气机工况参数后，利用Concepts NREC COMPAL软件和CFX软件分别对回热循环的压气机进行了一维设计和三维计算，设计出了等熵效率能够达到90.53%的单级离心压气机。     

H2O和SO2对钙循环捕集CO2碳酸化过程协同效应的研究

采用自制恒温热重系统研究了H₂O和SO₂对钙循环捕集CO₂的协同效应,并结合吸收剂的孔径进行了机理分析。结果表明：气氛中的H₂O加速了碳酸化快速反应阶段的反应速度,改善了CaO颗粒的孔结构,从而提高了碳酸化转化率;气氛中的SO₂阻碍了CO₂的捕集,使碳酸化转化率下降,且随循环进行碳酸化转化率下降更加明显;当H₂O和SO₂协同作用于碳酸化过程时,钙循环特性受H₂O和SO₂的协同效应影响：加入0.05%体积分数的SO₂后,当H₂O体积分数从0%增加至20%时,吸收剂孔容积逐步上升,CO₂捕集能力得到改善;加入10%体积分数的H₂O后,当SO₂体积分数从0%增加至0.1%时,吸收剂孔隙堵塞更加严重,CO₂捕集能力下降,但是相较于无H_2<...     

吸收方式对燃煤电厂模拟烟气碳捕集的影响

采用散堆填料塔研究了循环吸收及单程吸收两种方式对模拟燃煤电厂烟气碳捕集的影响。结果表明循环吸收条件下当贫液中NaOH浓度较高时,CO₂吸收过程主要受气体扩散过程控制,捕集率较高,贫液中NaOH浓度降低至一定值时,CO₂吸收过程逐渐转化为反应速率控制,捕集率迅速降低,吸收液气比为10 L/m³时,贫液中NaOH浓度在1.5 mol/L时CO₂捕集率出现转折点,转折点捕集率为97.2%,吸收剂转化率85.7%,单程吸收条件下液气比7.5 L/m³捕集效果最佳,CO₂捕集率98.4%,吸收剂转化率87.9%。