超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析

以带回热的简单超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环为研究对象,详细阐述了循环效率的分析计算方法和过程,讨论了透平入口温度和压力、压缩机入口温度和压比、透平和压缩机效率、回热器效率、压损等因素对循环效率的影响。进一步对于再压缩循环的分析表明,再压缩循环可解决"夹点"问题,从而显著提高循环效率。     

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环压缩机升速过程实验和模拟EI北大核心CSCD

为探究超临界二氧化碳闭式布雷顿循环稳定的压缩机启动控制方案和压缩机单独运行时的系统特性,该文依托MW级实验机组开展压缩机升速实验和对应的动态仿真。结果表明:压缩机的工作特性变化,引起压缩机入口状态发生超临界态到气态的相互转变。阀门切换还造成压缩机处于不稳定工况。分析系统各部分参数非均衡响应特性,由模拟结果可知,阀门切换后80s内压缩机处于正向流动减弱阶段,此后889s内为逆压波动阶段,出口负压差先增大后降低,最终恢复正向流动,模拟结果与实验基本一致。其中开启压缩机旁路阀后,各部分压力和CO_(2)存量变化分别小于2.3%和3.6%。因此,开启压缩机旁路阀和单独采用膨胀机旁路阀调压,可有效避免压缩机出口出现大幅度压力变化,利于压缩机稳定升速启动。     

超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环参数优化

针对一级再热超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环建立循环热力学模型,分析循环关键参数对循环热效率的影响。结果表明:最佳再热压力的最佳值约为第一级透平的0.5倍;在给定条件下,使压缩机入口参数接近于临界值、减小夹点温差、提高透平入口温度、提高压缩机效率和透平效率都可以提高循环热效率;透平效率对循环热效率的影响大于压缩机效率对循环热效率的影响。     

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。     

超临界二氧化碳闭式循环性能仿真研究及应用

为了研究超临界二氧化碳闭式循环动力系统的稳态性能,本文通过整合压缩机、透平、换热器、管道等动力系统主要部件的数学模型,形成各部件共同工作需要满足的非线性方 程组,发展出了超临界二氧化碳闭式循环系统级模型。采用建立的系统级模型对比分析了10 MW等级简单循环和再压缩循环系统在设计状态和非设计状态的性能。结果表明:在设计状态下,再压缩循环的热效率高于简单循环;在非设计状态下,如果不优化分流比,再压缩循环的性能下降速率更快。     

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环多目标优化

建立超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环多目标优化模型,研究分流系数、循环压比、主压缩机吸气压力和膨胀机入口温度对系统性能的影响规律,并进行综合评价.结果表明:随着分流系数的增大,多目标函数先增大后减小,同时分流系数具有最优值;随着主压缩机吸气压力的增加,多目标函数和系统热效率均降低;膨胀机入口温度越高,多目标函数越小;4个...     

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。     

采用压缩储能的新型超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统性能分析

基于超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环的特点,提出一种新型的采用压缩CO2储能 的S-CO2布雷顿循环塔式太阳能热发电系统。该系统利用多余的太阳能将处于临界点附近的CO2压缩至高压状态,在夜间利用燃气锅炉燃烧天然气加热高压的CO2,使其进入透平做功,带动发电机发电。通过Ebsilon软件分别建立采用熔盐储热和采用压缩CO2储能的塔式太阳能热发电系统模型,并优化底循环工质,得出最佳效率条件下的运行参数。在此基础上,分析典型日运行工况,计算2个系统的热经济性。结果表明,在储热时长为8 h的情况下,相比熔盐储热系统,新型的采用压缩CO2储能的太阳能热发电系统夏至日日均效率提升0.31%,冬至日日均效率提升0.97%,具有较好的应用前景。     

超临界二氧化碳布雷顿循环的透平旁路启动特性

针对正在建设中的低碳超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)循环试验台,为制定试验台启动策略、研究系统启动过程动态特性,采用模块化建模方法建立循环系统的动态模型,设计具体的透平旁路启动控制策略。针对启动过程中的旁通切换,提出手动切换、自动切换以及考虑冲转的旁通自动切换3种策略。研究表明：采用手动切换时,可以较好的控制加热器出口压力、压缩机流量的波动,但是压缩机进口压力变化较为明显,透平转速控制效果较差;采用自动控制旁路切换则不需要预设切换时的阀门对应开度,同时比较有效地控制压力、流量等参数波动;在考虑透平冲转时,采用自动切换控制,加热器出口压力最大相对变化量约为5.7%,压缩机流量最大相对变化量约为16%。采用提出的考虑冲转的透平旁路自动切换的启动策略,启动过程中参数变化平稳可控,可为后续试验台调试运行提供一定参考。     

高温储能金属氧化物研究综述及其与超临界二氧化碳循环耦合研究

大规模储能是保障电网安全和提高可再生能源消纳的关键技术,是新能源进一步发展的战略核心。对基于金属氧化物的高温热化学储能技术进行了详细综述,分析表明,单一金属氧化物储能性能受制于循环稳定性和动力学速率,而掺杂钴、锰、铜以及钙钛矿型的金属氧化物的性能有较明显提升。在此基础上,构建了100 MW太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环与金属氧化物储能耦合系统并建立了对应的稳态模型。模拟结果表明,在典型晴朗春分日,该系统循环热效率可达51.2%,光电转换效率可达25.2%,可实现24 h连续运行。     

不可逆闭式布雷顿循环有限时间热力学性能的解析公式

在作者原先工作的基础上，导出恒温和变温热源条件下不可逆闭式布雷顿循环的功率输出、热效率与压比间的解析公式，由此可导出最大功率和最大效率对应的最佳压比，及在一定压比下获得最佳功率和效率的热导率最佳分配和工质与热源间热容率的最佳匹配．     

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...     

具备碳捕集功能的半闭式再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环的经济性分析

近零排放发电技术是我国实现碳达峰、碳中和目标的重要技术手段之一。针对半闭式再压缩超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环,建立了热力性能计算模型,并基于平准化发电成本和碳捕集成本,构建了其经济性能评价模型,并进行了关键参数的敏感性分析。结果表明:在几乎100%碳捕集率的情况下,半闭式再压缩S-CO2布雷顿循环的净效率为46.05%,平准化发电成本为609.4元/(MW·h),碳捕集成本为204.1元/t,远低于我国电力行业的平均碳减排成本。此外,燃料价格对平准化发电成本和碳捕集成本有重要的影响。燃料价格增长40.0%,导致平准化发电成本增长33.6%,碳捕集成本增加17.2%。     

不可逆闭式布雷顿循环有限时间热力学最优化

本文研究恒温和变温热源条件下不可逆闭式布雷顿热机循环的有限时间热力学性能，导出其最佳功率输出与效率问的关系，并讨论工质与热源间的最佳匹配和非共沸工质动力循环的优化问题。所得结果对实际动力工程有一定指导意义．     

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...     

二氧化碳动力循环在太阳能热利用的应用分析

在太阳能热利用领域,以二氧化碳为工质的动力循环主要有跨临界朗肯循环和超临界布雷顿循环。在太阳能集热器温度为200~1000℃和二氧化碳工质压力在10~40 MPa的范围内,采用MATLAB软件编程,计算和比较这两种循环的热效率。在较高温度下,随工质压力升高,两种循环热效率均增大;但在较低温度下,两种循环热效率的变化却相反;并且在一定温度以上,超临界布雷顿循环热效率总是高于跨临界朗肯循环。通过拟合得到两种循环热效率相等的关联式。结合实际条件,太阳能集热器温度为350℃以上时应采用超临界布雷顿循环;而在350℃以下,宜采用跨临界朗肯循环。     

新型超临界二氧化碳分流再压缩一次再热燃煤发电系统设计优化

基于基准300 MW超临界二氧化碳(S-CO2)分流再压缩一次再热布雷顿循环,提出了一种利用冷却器工质余热预热空气的新型S-CO2布雷顿循环系统。通过计算新系统与基准系统的能耗分布,揭示了新系统煤耗降低的原因,并进行了初步经济性分析。结果表明:新系统附加煤耗中锅炉占比最大,达81.72%,其次为冷却器;与基准系统相比,新系统可有效降低发电标准煤耗率,当空气预热器入口温度加热至80℃时,新系统可节煤4.53 g/(kW·h),且静态投资回收期为6.98年,新系统发电标准煤耗率降低主要是由于冷却器和锅炉附加煤耗减少。     

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。