基于S-CO_(2)布雷顿循环的太阳能发电储能一体化系统性能分析

设计了一种以S-CO_(2)和石英石为储能介质、再压缩S-CO_(2)布雷顿循环为动力循环的塔式太阳能热发电储能一体化系统。基于Gensystem计算平台,建立了动力循环、太阳能集热系统、S-CO_(2)斜温层储热罐的数学模型,研究了集热系统性能和S-CO_(2)斜温层储热罐的储、释热动态特性。在此基础上,分析了一体化系统的热力性能和经济性能。结果表明:经过13次循环储、释热过程,斜温层储热罐出口温度趋于稳定。释热结束时,斜温层储热罐热流体出口温度下降了63 K,储热结束时,冷流体出口温度升高了46 K。与配置双储热罐的塔式太阳能热发电系统相比,一体化系统夏至日和冬至日日均发电效率分别提高了1.8%和1.7%,系统总投资降低了9.46%,平准化度电成本下降了9.45%,投资回收期缩短了1.8 a。

SCO_(2)布雷顿循环布局的过程特性的现状与评价

为了探究超临界CO_(2)布雷顿循环布局形式对循环性能的总体影响,应用控制变量法和统计学方法分别对简单循环(简单回热循环)、高级循环(再压缩、分级膨胀、再压缩再热循环)和联合循环(联合回热循环和再压缩回热循环组合)进行了分析比较,确定了循环中关键操作参数对循环效率的影响,并对其进行技术评价。结果表明,循环效率随透平进口温度增加而增高,主压缩机进口温度超过CO_(2)临界温度时循环效率下降,分别随主压缩机入口压力、压比和分流比的增加而先升高后下降。从技术角度来看,循环效率与循环布局的复杂性呈正相关。特别是有机朗肯SCO_(2)再压缩回热循环和再压缩再热循环是优选的类型。从经济性角度来看,随着循环复杂度增加,所需成本增加,因此应综合考虑其成本问题。

再压缩S-CO_(2)布雷顿循环性能分析及多目标优化

结合储热的太阳能热发电技术输出稳定、调峰能力强,引入超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环可进一步提升热电转换效率。既有研究大多采用单一指标对S-CO_(2)循环进行性能评估,结果相对片面,因而有必要开展多指标综合性能评价以客观反映循环性能状况。建立了35 MW再压缩式S-CO_(2)循环的热力学和经济性模型,考察了关键参数对循环性能的影响。构建了反向传播神经网络结合遗传算法的优化方法(BP-GA),对循环性能进行多目标优化。结果表明,回热器总热导率的增加可提升循环效率,但存在上限;透平入口温度、循环最低和最高压力、分流比与循环性能分别存在显著的非单调作用关系,优化后的设计值依次为639.14℃、8.10 MPa、29.74 MPa和0.70。与初始设计值下的循环性能相比,优化后的循环系统度电成本降低了11.1%,循环热效率和比功分别提高了5.1%和27.6%。

布雷顿循环系统在核能中的应用及研究进展

布雷顿循环系统具有高效、紧凑、清洁等特点,是小型核能发电装置动力转换部分的优选方案。介绍了不同工质布雷顿循环系统在核能发电装置中的应用情况,并从4个方面探讨了布雷顿循环系统的发展方向。

布雷顿循环冷端空冷换热器设计与变工况运行特性分析

作为布雷顿循环系统中的重要冷端部件,气体冷却器的性能对循环系统结构紧凑性和运行高效性有重要影响。分析了一种新型横流印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)—板翅混合式气体冷却器的工作性能及影响因素,对该种换热器建立了一个数值计算模型,并编写MATLAB程序验证其可靠性;基于此,对该类冷却器进行了设计,其功率密度均在1 MW/m^(3)以上,属于紧凑型换热器;其次进行了变工况性能分析,给出了冷却器的压降和换热性能随循环工质和冷却空气进口状态的变化规律,并比较了布雷顿循环工质为超临界二氧化碳、氮气、空气时冷却器的换热特性和压降特性,结果表明,冷、热流体流量的改变对换热特性的影响最明显。研究结果对布雷顿循环空冷换热器的设计与运行具有参考意义。

SCO_(2)布雷顿循环及其在光热发电中的应用综述

由于化石能源的消耗以及环境的恶化,各国都开始寻找新型发电技术。SCO_(2)布雷顿循环身为新兴的技术,具有临界参数易达到、体积小、重量轻、循环效率高等优点。将布雷顿循环工质进行比较,得到SCO_(2)是最适合布雷顿循环的。之后将SCO_(2)布雷顿循环与朗肯循环进行比较,得到SCO_(2)布雷顿循环与光热发电相结合的效率更高。基于光热发电系统,对SCO_(2)布雷顿循环结构进行了分析比较,得到再压缩循环既简单又高效,适合光热发电系统。接着在光热发电系统中对布雷顿循环关键参数进行优化,从而使循环效率达到最佳。最后研究了SCO_(2)布雷顿循环的设备,包括向心透平、离心式压缩机和印刷电路板式换热器,其中印刷电路板式换热器作为一种新型换热器,因为它的紧凑高效性等特点常被用于SCO_(2)布雷顿循环。

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。

超临界CO_(2)布雷顿循环余热回收系统性能分析与优化

为了经济高效地回收超临界CO_(2)布雷顿循环(SCBC)的余热,分别采用卡琳娜循环(KC)和有机朗肯循环(ORC)作为底循环,设计了SCBC/KC及SCBC/ORC这2种系统方案.对2种方案系统进行参数分析并利用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对联合循环系统进行多目标优化计算,将优化结果与SCBC系统性能进行比较,突出联合循环系统的性能优势.参数分析结果表明:2种联合循环系统热力性能均存在最佳压比;升高底循环膨胀比有助于提升系统热力性能;提高底循环涡轮机进口温度有助于改善系统[火用]经济性能.对比结果表明:优化后的SCBC/KC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高了9.27%和8.69%,[火用]经济成本仅升高了0.92%;SCBC/ORC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高10.73%和10.08%,?经济成本升高了1.87%.通过比较分析可知,SCBC/KC系统更经济,而SCBC/ORC系统更节能.

基于碳捕集系统半闭式S-CO_(2)布雷顿循环性能分析

针对高温钙基碳捕集技术回收储存过程中未利用CO_(2)的超临界、流量大等特点的问题,采用半闭式超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环系统取代传统CO_(2)回收系统,以降低由于碳捕集系统所造成的热量损失。利用Aspen Plus软件搭建耦合钙循环碳捕集的燃气轮机发电模型,在其CO_(2)回收系统中耦合S-CO_(2)布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳(T-CO_(2))布雷顿循环系统,使用精准度更高的REFPROR物性方法研究主压缩机出口压力、透平入口温度、透平入口压力及分流系数对循环系统净做功的影响。结果表明:CO_(2)回收系统中耦合S-CO_(2)布雷顿循环系统可以使全厂热效率提升1.7%,全厂[火用]效率为26.98%;采用分流纯净烟气的方法作为S-CO_(2)布雷顿循环系统的热源,可使同一热源的热效率提升6.7%。

空间堆氦氙布雷顿循环研究进展

氦氙混合物为工质的布雷顿循环具有循环效率高、系统结构紧凑、化学稳定性好等优势,适合作为空间核反应堆的能量转换系统。在深入调研空间堆氦氙布雷顿循环发展历史和国内外研究进展的基础上,对其关键技术问题和重点研究方向的相关研究进展进行了综述,发现主要研究方向包括氦氙混合物工质特性、氦氙布雷顿循环关键部件、循环性能提升、循环动态特性及控制策略等方面;而有待继续深入研究的关键技术问题包括不同比例氦氙工质的高精度物性及流动传热模型、高性能叶轮及高效紧凑式换热器设计及试验、不同功率等级下系统全工况优化、耦合反应堆的系统全局动态特性及控制策略等。分析结果可为推动空间堆氦氙布雷顿循环技术发展提供参考。

微型堆SCO_(2)布雷顿循环系统构型及参数优化

超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环具有循环效率高、结构紧凑等优点,适合作为微型核反应堆的能量转换系统。本文以不同构型SCO_(2)布雷顿循环系统为研究对象,建立了设备模型及系统整体分析模型,进行了系统关键部件选型及热力设计,并开展了不同评价指标下系统不同构型参数优化,获得了不同优化目标下最佳构型及最优参数配置。结果表明:以发电效率最大作为优化目标,最优构型再压缩再热循环的发电效率最高达到47.5%;以功率密度最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率密度最高可达282.42 kW/m^(3);以功率质量比最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率质量比最高可达98.81 kW/t。通过不同构型对比发现,再压缩构型具有较高的功率密度和功率质量比,能较好兼顾高效性和紧凑型,更适合作为可移动微型堆能量转换系统。

超临界二氧化碳布雷顿循环冷源扰动控制研究

[目的]旨在应对超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环发电系统外界条件扰动对运行参数可能造成的影响,保证系统高效、安全稳定地运行。[方法]基于Matlab/Simulink平台搭建简单S-CO_(2)布雷顿循环发电系统动态数值仿真模型,并进行系统瞬态运行特性分析;模拟冷却器参数发生变化时热力循环系统运行参数的变化规律,分析冷源温度波动对系统各部件进出口参数和系统循环效率的影响以及调节手段。[结果]结果显示,由搭建的系统瞬态仿真模型所得结果与实验结果间的最大误差为3.658%;冷却水温度升高2 K会导致压缩机入口温度升高1.4 K,系统需300 s恢复稳定;增加PID控制系统后,压缩机入口温度变化幅值降低50%,系统稳定时间减少62%。[结论]建立的模型能够准确反映系统运行情况,由冷却水温度升高和流量增加对系统影响的对立性为基础而搭建的PID控制系统能够保证系统内CO_(2)工质始终处于临界点以上,可以保障系统安全稳定运行。

兆瓦级超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统特性分析

针对兆瓦级超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环建立计算模型,采用规划求解方法研究了热力参数对循环热效率的影响。结果表明,循环热效率随主压缩机进口温度的升高呈递减趋势,随透平进口温度的升高而增加,在临界点附近存在较为合理的主压缩机进口参数范围;随着循环压比的增大,循环热效率出现先增大后减小的规律,对于不同的透平进口温度存在一个最佳循环压比。

逆布雷顿(Reverse-Brayton)循环空气制冷机系统试验台的建立

采用逆布雷顿循环的空气制冷机在普冷和深冷领域得到了越来越广泛地应用 ,而且随着国际上对CFCs工质的限制 ,对环境无污染的空气制冷机具有更加广阔的应用前景。同时 ,对逆布雷顿循环低温制冷机的研究有利于空间和宇航制冷技术的发展。为了更好地对逆布雷顿循环制冷机系统的性能进行研究 ,西安交通大学低温工程研究所搭建了逆布雷顿循环的空气制冷机系统多功能试验台 ,可对透平膨胀机、换热器和制冷系统的性能进行试验研究 。

太阳能布雷顿循环耦合蓄电池平抑光伏输出波动策略研究

为研究太阳能布雷顿循环耦合蓄电池平抑光伏输出功率波动性策略问题,建立了光伏-光热-蓄电池联合发电系统,以光伏为主要出力,太阳能空气布雷顿循环和蓄电池为辅稳定光伏输出功率波动,并根据微燃机高效运行方式及联合发电系统变负荷方式提出了4种运行策略。结果表明:4种策略均能在一定程度上降低光伏输出功率波动性,且在相同蓄电池容量下,策略二光伏输出功率波动性最小,策略三蓄电池最大充电功率最小;随着蓄电池容量的增加,4种策略光伏输出功率波动性均在减少,并且策略二和策略一在平抑输出功率波动性能力上不断接近;在储热与储电容量比例为3∶4时,策略一~策略四相对仅光伏运行时的输出功率波动性分别减少了80.7%、88.3%、50.5%和55.1%。

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环离心压缩机试验研究

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循环控制策略研究综述

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO_(2))布雷顿循环在以第四代核能和太阳能为代表的清洁能源高效利用领域具有巨大发展潜力,而合理可靠的控制策略是保证S-CO_(2)布雷顿循环系统安全、稳定、高效、灵活运行的关键。调研总结了S-CO_(2)布雷顿循环控制特点,并对不同应用场景下S-CO_(2)布雷顿循环相关控制策略进行了总结和对比。结果表明,S-CO_(2)布雷顿循环控制包括运行状态控制、叶轮机械控制、热源控制等,变负荷控制策略主要有容积控制法、透平旁路控制法、透平进口节流阀控制法、压缩机转速控制法等。分析结果可为相关发电领域S-CO_(2)布雷顿循环控制策略选择提供参考。

预热型S-CO_(2)布雷顿循环(火用)效率分析与优化

预热型超临界二氧化碳布雷顿循环在燃气轮机余热回收应用领域中具有较高的发展潜力,对其开展性能分析与优化研究具有重要意义。应用有限时间热力学理论,建立变温热源条件下存在有限温差传热、不可逆压缩、不可逆膨胀等不可逆因素的预热型超临界二氧化碳布雷顿循环模型,并对其进行数值模拟;分析工质质量流率、压缩机和透平效率、压比、换热器热导率以及分流系数对循环(火用)效率的影响;在总热导率一定的约束下,以(火用)效率最大为目标对预热器、加热器、回热器和冷却器的热导率分配比进行优化。结果表明:随着工质质量流率的增大,可通过降低加热器和回热器热导率、提高冷却器和预热器热导率的方式提升循环(火用)效率,且在考虑4个换热器热导率分配比的情况下,(火用)效率最大所对应的工质质量流率范围在92~95kg·s^(-1),功率可达到11.8~12.05MW;经由优化后,循环(火用)效率相比于初始设计点可提高17%以上,其所对应的循环热效率可达到34%以上,循环净功率可达到10.98MW以上。模型具有一定的普适性,研究结果可为实际工程装置的设计与运行提供理论指导。

空气布雷顿循环系统不同构型参数分析及优化

空气布雷顿循环技术成熟度高,环境适应性强,应用于可移动微小型可电源能量转换系统有待进一步选型设计。该文通过建立闭式空气布雷顿循环系统模型,探究不同循环构型关键参数对系统性能影响规律,并分别以最大循环效率和最大功率密度为目标对不同构型进行参数优化。结果表明,采用级间冷却和再热能提高系统发电效率和(火用)效率,但会增大系统体积,使功率密度下降;以发电效率最大作为优化目标,最优构型是再热间冷回热循环,其发电效率可以达到37.95%,但其功率密度较低,仅为206.9kW/m^(3);以功率密度最大作为优化目标,最优构型是简单回热循环,其功率密度可以达到336.7kW/m^(3),换热器体积仅为4.36m^(3),但其发电效率只有29.4%,低于其他构型。因此,以最大功率密度为目标优化后的简单回热空气布雷顿循环更适合作为可移动微小型核电源能量转换系统应用。

小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环冷端特性研究

氟盐冷却高温堆与SCO_(2)布雷顿循环耦合发电系统具有固有安全性高、效率高、可模块化建造等优点,但SCO_(2)布雷顿循环系统对于冷端参数十分敏感,严重影响循环系统性能。本文以小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环系统为对象,开展在SCO_(2)冷端扰动下系统的动态特性研究,并探究变负荷过程中冷端参数变化对系统性能的影响。结果表明:在降负荷过程中,主压缩机对入口温度和入口压力的敏感性逐渐增强;低负荷状态下,主压缩机入口温度扰动1℃,出口压力变化最高7 MPa,效率变化最高6.82%;主压缩机入口压力扰动0.1 MPa,出口压力变化最高6.33 MPa,效率变化最高6.23%。