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-CO_(2))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-CO_(2)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CO_(2)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-CO_(2)再压缩布雷顿工程应用奠定基础。

船用烟气余热S-CO_(2)布雷顿循环发电系统性能分析

开展船舶主机不同负荷工况下的S-CO_(2)布雷顿循环余热系统热力学特性和效能分析是其实现工程应用的必要环节。本文通过性能分析确定系统热力学参数对净输出功率和平准化能源成本的影响变化趋势,最佳运行参数范围以及系统关键热力学参数。通过主机典型负荷工况下的效能评估,分析集成S-CO_(2)再压缩布雷顿循环余热发电系统后的船舶节能减排效益。结果表明:主压缩机入口压力和压比对整个余热发电系统热力学性能和经济性影响最为显著,可调节这2个关键热力学参数以确保系统在船舶主机不同负荷下获得良好系统性能;集成该余热发电系统后,MAN8S90ME-C10.2型主机系统热效率最高可提高0.91%,燃油消耗量平均每年可减少51 t,NO_(2)和CO_(2)的排放量每年可分别减少2.28 t和760 t。

SCO2布雷顿循环耦合海水淡化系统的优化

超临界二氧化碳布雷顿循环由于其紧凑的系统布置和较高的热电转换效率,是非常有前景的新型核动力系统热电转换装置的技术方案。在传统的布雷顿循环中,超临界二氧化碳在进入压缩机前需要冷却,因此在系统中存在废热。本文研究用于小型铅冷快堆的能量转换系统,将海水淡化装置与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合,进行废热利用,扩展能量转换系统的多用途应用方向,实现淡水生产,提高系统总体的效率。

空冷和水冷超临界二氧化碳布雷顿循环冷却核能系统的构型优化研究

本研究旨在设计紧凑性强且效率高的循环系统,通过结合具有中等堆芯出口温度的核能系统,设计了合适的再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环。在考虑回热器的最小温差和循环效率的基础上,对中等堆芯出口温度的核能系统在水冷和空冷条件下的再压缩布雷顿循环进行了优化设计。本文研究了压缩机入口压力和温度、气轮机入口压力、回热器换热能力、涡轮机械效率等参数对再压缩布雷顿循环效率的影响。在水冷条件下,再压缩布雷顿循环的最佳循环效率可达到40.48%。在空冷条件下,再压缩布雷顿循环的最佳循环效率可达到34.36%(压缩机入口温度为55℃)。压缩机入口温度每升高5%,再压缩布雷顿循环的循环效率降低1.2%。

中低温超临界CO_(2)及其混合工质布雷顿循环热力学分析

基于热力学第一定律对超临界CO_(2)混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,重点讨论了在中低温热源下(200~400℃)加入气体种类及比例、透平入口温度、透平入口压力、分流比、主压缩机入口温度对循环热力学性能的影响。结果表明:加入0~10%的丙烷、新戊烷、异丁烷、正丁烷均能够提高循环效率,改善循环系统的热力学性能。在透平入口温度低于260℃时,加入乙烷的循环热效率低于单一工质CO_(2)。随着混合比例、透平入口温度和压力、分流比的增加,系统循环效率也随之提高。主压缩机入口温度增加,循环效率反而下降。

基于部件模型的超临界二氧化碳布雷顿循环性能计算

为了研究超临界二氧化碳布雷顿循环在设计状态和非设计状态下的性能,建立压气机、涡轮及换热器等主要部件的部件模型。给出各部件在共同工作时需要满足的平衡方程,同时建立求解稳态特性计算模型的非线性方程组,进而发展出1种超临界二氧化碳布雷顿循环非设计点性能计算方法和对应程序。针对简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环分别建立2种模型,并计算分析了转速、压气机和涡轮进口温度对发动机性能的影响。结果表明:在设计状态下,再压缩布雷顿循环的效率高于简单布雷顿循环的效率;在非设计状态下,再压缩布雷顿循环的性能降低速率更快。

1000MW超临界二氧化碳动力循环燃煤发电机组变工况特性研究

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))燃煤发电技术被视为可替代蒸汽朗肯循环的新型发电技术。该文针对1000MW的32MPa/620℃S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组,进行S-CO_(2)锅炉创新构型设计,可实现锅炉效率94.6%,发电标准煤耗245.6g/(kW·h)。为更好的研究机组变工况下的运行性能,基于Aspen Plus平台,建立1000MW级S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组变工况模型。结果表明:在变负荷过程中,低压透平的工质体积流量受影响较大;机组的全厂热效率会随着负荷的降低而降低;主工质温度和和再热工质温度偏差是影响机组热经济性的主要原因。研究结果对未来建设S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组具有指导意义。

船用低速机烟气余热回收SCRBC参数多算法优化

针对船用低速机烟气余热回收(WHR)的超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩布雷顿循环(SCRBC)参数优化,利用低速机台架的试验数据,建立了再压缩布雷顿循环一维仿真模型,基于神经网络模型拟合得到循环参数增压比、分流比与循环效率和净回收功的关系,通过多目标遗传算法优化(MOGA)和多准则决策方法(TOPSIS)确定低速机不同负荷下的最佳循环参数组合,提高了循环效率和净回收功.结果表明:在低速机100%负荷、分流比为0.117及增压比为1.804时,净回收功达到178.14 kW,布雷顿循环效率达到19.22%,此时,系统总效率提升了1.68%,燃油消耗率降低了6.43 g/(kW·h).通过对系统进行火用分析,冷却器火用损失最大为85 kW,火用损失效率为11.44%;换热器的火用损失为32 kW,火用损失效率为3.44%.完成了船舶低速机烟气余热S-CO_(2)再压缩布雷顿循环性能优化方法的研究,并可推广到其他低速机.

结合碳捕集的SOFC-sCO_(2)布雷顿循环集成系统性能分析

固体氧化物燃料电池是将化学能转化成电能的全固态能量转换装置,被认为是极具前景的绿色发电系统。本研究提出了结合碳捕集的固体氧化物燃料电池-超临界二氧化碳布雷顿循环集成系统,通过阳极尾气富氧燃烧实现低能耗碳捕集,并利用s CO_(2)再压缩布雷顿循环回收燃烧室余热提高系统效率。模拟结果显示,该集成系统在设计工况下的净发电效率为59.74%,二氧化碳捕集量为134.50 kg/h。此外,关键工作参数对系统性能的影响分析结果表明,合理的阳极尾气再循环比、燃料利用率和燃料流量是确保系统安全高效运行的必要前提。

超临界二氧化碳核能系统负荷运行策略研究

为了确保超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环直接冷却核能系统在变负荷工况下的安全经济运行,利用稳态和瞬态回热器换热实验验证了自主研发的瞬态分析程序SCTRAN/CO_(2)在预测布雷顿循环动态特性方面的可行性,并以该程序作为分析工具,开展了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环核能系统分别在反应堆反应性扰动和二次侧冷却水流量扰动两种典型瞬态工况下的开环动态特性研究,开发了主压缩机入口温度恒定、堆芯出口温度恒定及改变循环工质装量的负荷运行策略,研究了系统在100%~50%~100%变负荷工况下的瞬态响应。结果表明,装量控制策略能实现以额定满功率5%/min的速率追踪负荷,并保证系统安全经济运行。此过程中,堆芯压力波动0.6 MPa,堆芯出口温度波动不超过5℃。研究获得的瞬态分析工具、开环特性和控制策略为此核能系统的负荷运行策略研究提供了参考。

再压缩sCO_(2)-CPG联合循环热力优化

将CO_(2)地质封存与地热能开采相结合,利用CO_(2)羽流地热(CPG)系统开采超临界CO_(2)(sCO_(2)),并通过再压缩sCO_(2)布雷顿循环进行发电。建立了以太阳能为辅助热源的再压缩sCO_(2)布雷顿循环-CPG联合发电系统模型,研究了两类参数对联合发电系统性能的影响,并根据遗传算法进行全局参数优化以获得最大系统效率及最小度电耗sCO_(2)量。结果表明:再压缩sCO_(2)布雷顿循环-CPG联合发电系统具有较高的热效率,其中,主压缩机入口压力与分流比是影响系统热力学性能的主要参数,通过设计参数优化,系统效率可高达18.47%,度电耗sCO_(2)量减小至60.31 kg/(kW·h)。

用于高温太阳能光热发电的S-CO_2循环优化研究

在高温太阳能光热发电的应用背景下,本文研究了引入压缩机级间冷却的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环改进构型的性能提升潜力;在建立热力学模型的基础上,利用遗传算法对改进构型进行了参数优化,并在基准工况下与典型再压缩循环进行了性能对比;基于图像分析方法揭示了压缩机级间冷却提升循环性能的机理。结果表明:对再压缩S-CO2循环而言,引入主压缩机级间冷却将可能提升循环效率,改善循环性能,而再压缩机级间冷却的引入则无益于循环性能的提升。级间冷却式再压缩循环性能提升的主要原因在于冷源放热损失与高温回热过程耗散的降低。基准工况下,改进构型循环比功最高可提升22.87%,循环热效率与循环效率最高可分别提升2.767%与3.389%。

基于LNG冷能利用的多联产系统模拟与性能优化

为解决发电系统中有机工质在中高温下易热分解的问题,根据“温度对口,梯级利用”原则,将超临界CO_(2)与跨临界CO_(2)结合用于回收余热,构建了一种基于LNG冷能利用的多联产系统。利用Aspen HYSYS软件对系统工艺流程进行模拟,从热力性能与经济角度对系统进行评估,分析主要参数对系统性能的影响,进而利用Matlab软件进行系统性能多目标优化。结果表明:超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环分流比与制冷循环压比的降低不仅可以提高系统效率,还可以降低系统平均单位成本;优化后联合系统发电效率、效率、平均单位成本分别为55.83%、52.23%、16.57美元/GJ,发电效率较集成单一超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环的系统提高了14.05%。研究成果为LNG冷能利用及余热回收在发电系统中的应用提供了新的技术思路。(图9,表4,参26)