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...     

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。     

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。     

超临界二氧化碳循环关键部件成本模型研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,s CO₂)循环的应用在不同领域受到广泛关注,其成本效益评估体系仍不完善。获得准确的sCO₂循环部件成本,将使sCO₂循环的设计目标从效率最优转向成本效益最大化。该文分类综述sCO₂循环关键部件成本公式的研究进展。目前,成本公式通常为“缩放参数”的幂函数,函数待定系数确定方法各不相同。基于独立构建的sCO₂循环热力计算模型,对比分析现有sCO₂循环部件成本公式特点。结果表明,在主气参数与循环布置相同的情况下,不同成本公式计算结果相差较大,其中较高的成本是参考成本关系缩放不合理造成。透平成本计算结果普遍偏大,压缩机成本两级分化明显。换热器成本的研究,考虑因素多样,综合来看,基于热导确定成本更能体现换热器成本特性。针对研究现状,指出sCO₂循环部件成本计算亟待解决的问题主要有：选用非特定用于sCO₂循环的部件成本公式,缺乏合理性验证分析;成本公...     

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。     

超临界二氧化碳工质品质规范研究及展望

超临界二氧化碳(S-CO2)循环发电技术是最具应用前景的先进动力循环之一,是助力我国实现碳达峰、碳中和目标、构建清洁低碳、高效灵活的能源体系的重要攻关技术.工质品质是贯穿发电机组设计分析、运行调整等环节的关键问题,深刻影响发电机组的运行安全与经济效益.由于S-CO2循环发电技术采取了全新工质,工质品质规范亟需重新建...