600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器设计及传热特性研究

为对超临界二氧化碳循环预冷器进行概念设计并探究其传热特性,构建了印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)预冷器的变结构分段设计模型,对600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器开展设计计算和传热特性研究,在定换热量条件下分析冷热侧质量流量与预冷器设计参数的变化关系,探讨其内部传热特性,并给出预冷器设计方案。结果表明:预冷器内S-CO_(2)拟临界工况使温度呈非线性变化,热侧工质物性变化对预冷器整体传热性能的影响更加明显;热侧单通道入口质量流量增加3倍能使平均传热系数提高54.21%,但最小温差值降低53.38%,冷侧单通道入口质量流量的增加仅能强化冷侧传热;设计时可优先选取体积为优化目标以确定截面通道数及热侧入口参数,冷侧水量选取应权衡尺寸及压降关系;最终,该方案选取预冷器内冷热侧单通道入口质量流量分别为2.2和0.75g/s,与已有结果相比该预冷器体积可减小10.50%,夹点温差提高1℃。

基于LNG冷能利用的燃气轮机/超临界二氧化碳循环关键参数经济性研究

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环具有循环效率高、设备尺寸小、运输安装方便、易于达到临界点等优势。考虑到液化天然气(LNG)具有的巨大冷能,不仅可以作为冷却剂应用于联合循环系统,且换热后的天然气既可以作为联合循环的燃料输入,剩余部分又可供给城市用户。故提出了一种基于LNG冷能利用的燃气轮机/S-CO_(2)联合循环系统,选择合适成本公式对循环发电系统的投资成本、运行收益以及回收周期进行计算分析;对联合循环系统中一些关键参数的变化(如最高温度、最高压力、最低温度、最低压力和分流比)对S-CO_(2)循环的发电特性、经济性影响进行研究。结果表明:每个单参数的增大都会使设备投资成本呈现先增大后减小的趋势,但是发电量的大小对收益的影响占主导地位;以收益作为衡量标准,最高温度越高越好,最低温度越低越好,其他参数下均存在最佳值使收益达到最大;对关键参数以累计收益最大为优化目标进行遗传算法优化,优化后的回收周期为5.86年,20年累计收益为22.87亿元。

褐煤抽气预干燥超临界二氧化碳循环发电系统性能分析

为了提高褐煤发电系统能效,提出了一种基于抽气预干燥的褐煤超临界二氧化碳循环发电系统。首先以高温回热器热侧出口工质携带的高温热量为热源预热褐煤,使褐煤中的水分蒸发。其次预干燥褐煤抽气工质在干燥机中放热后,可以进入低温回热器加热冷侧低温工质,减少能量损失。基于热力学第一、第二定律,建立了新型超临界二氧化碳动力循环褐煤发电系统与褐煤预干燥系统高效耦合热力计算模型,并对直燃褐煤发电系统和褐煤抽气预干燥发电系统进行对比分析。以内蒙古锡林浩特胜利煤田原煤为例进行计算,结果表明:相比于直燃褐煤发电系统,褐煤抽气预干燥发电系统通过利用高温抽气干燥褐煤,可以使发电效率提高1.50%,发电标准煤耗率降低8.41 g·(kW·h)^(-1);进一步[火用]分析结果显示,系统能效的提高主要得益于锅炉燃烧[火用]损的降低,预干燥褐煤使得锅炉燃烧[火用]损降低4.47%,故系统[火用]效率提高1.34%;干燥机效率和褐煤干燥程度越高,褐煤抽气预干燥发电系统节能潜力越大。

超临界二氧化碳循环热电联产系统初步研究

超临界二氧化碳闭式循环(sCO_2循环)是新型的闭式循环系统,具有效率高、系统简单、运行灵活、维护方便等优点。结合分布式发电系统的要求,对sCO_2循环热电联产系统的适用性进行了研究。通过对传统的闭式循环相关文献的研究以及对sCO_2循环的分析,发现小容量的sCO_2循环发电系统保持了传统的闭式循环发电系统在控制、运行、维护等方面的优点,并且在发电效率上具有显著优势,特别是用于热电联产,能量利用率可达90%。随着系统中关键设备的技术成熟度和经济性的提高,sCO_2循环有望在未来用于分布式发电系统。

超临界二氧化碳循环应用于火力发电的研究现状

超临界二氧化碳动力循环(sCO_2循环)系统简单、结构紧凑、效率高,可与采用化石燃料燃烧方式的热源结合,形成先进的火力发电系统。sCO_2循环有间接加热和直燃加热两种方式,前者可采用燃煤锅炉间接加热获得热能,后者可采用燃气直接燃烧获得热能。基于对当前国内外的研究现状的文献调研,可以得出结论:sCO_2循环可应用于火力发电,并有望开发大型的清洁、高效火力发电系统,突破传统火力发电技术发展瓶颈。

耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能冷热电联供系统特性研究

为研究耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能冷热电联供系统特性,以循环效率、[火用]效率、度电成本及度电综合环境效应指数为指标,对所提出系统进行综合性能分析与参数分析,并将其与传统压缩空气储能系统进行对比。基于遗传算法,构建2个多目标函数组合,对所提出系统展开多目标优化。结果表明:相比传统压缩空气储能系统,所提出系统的循环效率及效率分别提升12.89%和5.37%,度电成本及度电综合环境效应指数分别降低0.32美分/(kW·h)及2.50;随着低压燃气透平进口压力的升高,循环效率、[火用]效率、度电成本的变化均存在拐点;组合(1)对应的最优循环效率、[火用]效率及度电成本分别为61.90%、52.77%和6.36美分/(kW·h);组合(2)对应的最优?效率、度电成本及度电综合环境效应指数分别为52.71%、6.35美分/(kW·h)和84.53。

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,sCO_(2))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sCO_(2)循环部件成本,将使sCO_(2)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sCO_(2)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sCO_(2)循环热力计算模型,对比分析现有sCO_(2)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sCO_(2)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sCO_(2)循环的部件成本公式,缺乏合理性验证分析;成本公式中应包含温度、压力等校正因子;对成本公式不确定性的量化研究尚有不足。

超临界二氧化碳循环发电技术应用

超临界二氧化碳循环可应用于火力发电、核能发电、太阳能热发电等多种发电技术领域,作为新型的动力循环系统替代目前广泛使用的汽轮发电机组或燃气轮机发电机组。在进入商业化应用之前,需要对超临界二氧化碳循环技术在各种应用场景下的优势及其潜在的社会和经济效益进行探讨。通过分析超临界二氧化碳循环的特点和优势,探索其与化石能源、核能、太阳能、生物质能、余热等各种热源相结合的可行性,提出多种发电系统方案,可为今后超临界二氧化碳循环的商业化应用提供参考。随着超临界二氧化碳循环技术不断成熟,设备成本进一步降低,其系统简化、结构紧凑、效率高等优势将更加突显。

基于超临界二氧化碳循环的电热储能系统

超临界二氧化碳循环具有应用范围广、效率高、系统简化、设备紧凑的优点,储能是超临界二氧化碳循环潜在的应用领域之一,针对大规模电力储能发展的迫切需求,提出了基于超临界二氧化碳循环的电热储能系统的概念设计。采用铜作为相变储热材料,以超临界二氧化碳循环作为热电转换装置,建立了分流再压缩超临界二氧化碳循环和简单回热超临界二氧化碳循环模式的储能系统方案,并运用热力学方法对储能效率进行了分析。研究结果表明,基于超临界二氧化碳循环的电热储能系统储能效率有望达到60%,结合低温余热回收,可进一步提高储能效率到67%,并且此电热储能系统具有较好的经济性。因此,基于超临界二氧化碳循环的电热储能系统可用于构建大规模电力储能系统。

太阳光热发电-超临界二氧化碳循环系统经济性分析与优化

在太阳能光热发电(CSP)系统中,采用超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环相较于传统蒸汽朗肯循环可获得更高的发电效率。本文建立了塔式CSP-S-CO_(2)布雷顿循环集成电站系统的数学模型,以最小化电站平准化度电成本(LCOE)为目标,采用联立方程法对集成系统进行了参数优化,并对循环的关键参数进行了敏感性分析。将模型应用于50 MW级塔式CSP-S-CO_(2)布雷顿循环电站的优化设计,结果表明:当蓄热时长为8 h、透平入口温度520.85℃、透平和压缩机入口压力分别为25 MPa和8.63 MPa时,可将系统LCOE降低至0.817元/(kW·h),较塔式CSP-蒸汽朗肯循环(0.994元/(kW·h))降低17.81%;蓄热时长越长,系统LCOE越小;存在最优的透平入口温度、分流比和压比,使系统LCOE最小;提升透平与压缩机的等熵效率可显著降低系统LCOE。

金属材料在超临界二氧化碳环境内腐蚀行为研究进展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环发电技术因其自身的技术优势成为热力发电领域一项具有划时代意义的重大变革性前沿技术,由于十分苛刻的工作环境,S-CO_(2)易造成设备材料腐蚀。为确保S-CO_(2)系统安全有效地运行,首先介绍了S-CO_(2)布雷顿循环系统工质运行参数范围以及系统关键设备候选材料,其次综述了目前有关金属材料在S-CO_(2)环境中的腐蚀行为研究现状,然后详细阐述了S-CO_(2)环境下的腐蚀机理,归纳了温度、压力、杂质、流速以及材料成分对S-CO_(2)腐蚀过程的影响,同时介绍了S-CO_(2)腐蚀防控技术的研究进展,最后进行了总结并指出了现有研究的不足及未来研究的主要方向,为我国S-CO_(2)循环系统的安全运行提供科学依据。

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-CO_(2))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。

低温热阱环境下超临界二氧化碳动力循环概念设计研究

针对低温热阱应用环境下的核能动力转换系统,在简单回热循环和再压缩循环的基础上进行了冷端优化设计研究,根据循环冷端工质压缩状态的不同,提出了3种冷端优化方式。研究建立了热力学分析程序,并验证了热力学分析程序的准确性。使用程序针对100 MW规模发电机组分别对透平入口温度为550℃的中高温反应堆热源和温度为315℃的中低温反应堆热源进行了计算分析。研究发现,冷端优化后的超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环系统运行压力降低,循环效率提高了2%~4%。S-CO_(2)动力循环冷端优化构型在具有低温热阱的核能动力转换应用中具有较好的应用前景。

部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统热力学性能分析

再压缩二氧化碳布雷顿循环具有结构简单、循环效率高的优点。然而,再压缩循环应用于燃煤电站时面临锅炉压降大、冷却壁温高和余热利用难的问题。部分冷却二氧化碳循环凭借其本身的循环特点,在与燃煤锅炉集成时可有效缓解以上问题。利用MATLAB软件编写了600 MW部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统的热力计算程序。首先研究了单一参数变化时系统循环效率的变化情况。结果表明:主压缩机入口压力和温度在临界点附近约7.8 MPa/32℃时循环效率达到最大值;预压缩机工作在临界点附近时系统效率突降;分流系数和再热压力分别在0.35和17 MPa时系统效率达到最高。随后,应用粒子群算法对部分冷却循环进行参数优化,结果表明部分冷却循环在合适的设计参数条件下,可以实现接近于再压缩循环的效率。相比于再压缩循环,部分冷却循环的质量流量下降了17.46%,锅炉入口温度从462.45℃降低到429.39℃。

超临界二氧化碳增压流化床燃煤发电系统方案及特性研究

增压流化床炉(pressurized fluidized bed combustion boiler,PFBCB)超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环燃煤发电系统具备实现发电系统整体小型化与提高发电效率的潜力。围绕S-CO_(2)循环应用于燃煤发电领域面临的烟气热能全温区吸收这一共性问题,该文基于再热再压缩循环(Recompression cycle with reheating,RC+RH)提出两类耦合增压流化床炉的S-CO_(2)燃煤发电系统,可分别称为PFBCB-(RC+RH+RC)和PFBCB-(RC+RH),同时提出应用空气压缩机燃气轮机(air compressor-gas turbine,AC-GT)系统替代常压锅炉空气预热器系统的方案。根据计算可知,方案PFBCB-(RC+RH+RC)的效率低于PFBCB-(RC+RH),因为后者取消了RC底循环,因此系统布置更为简单,效率更高。但方案PFBCB-(RC+RH+RC)的炉内压力可维持在1~2MPa,而方案PFBCB-(RC+RH)炉内压力可达2.8~4.5MPa,故从锅炉侧看,前者更容易实施。此外,PFBCB-(RC+RH)系统可通过高压运行AC-GT,实现热能的回收,可有效解决余热问题。当主气温度处于620℃/30MPa时,该系统的发电效率为47.97%,当主气温度处于700℃/35MPa时,系统的发电效率为51.15%,体现出明显的效率优势。

超临界二氧化碳动力循环余热利用方案优化研究

针对燃气轮机余热利用问题,以有回热的超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环为基础,引入中间冷却、中间再热和分流再压缩技术,建立6种循环方案。分别以S-CO_(2)动力循环的循环效率最高和循环净输出功最大为优化目标,采用遗传算法对各方案的参数进行优化,并对每个方案的优化结果进行经济性比较。结果表明:以循环效率最高为优化目标时,引入一次中间冷却、一次中间再热和一次分流再压缩都能不同程度提高循环效率,其中引入一次分流再压缩和一次中间再热的方案6循环效率最高,达到43.29%;以循环净输出功最大为优化目标时,引入一次中间冷却可以增大输出功,引入一次中间再热会减小S-CO_(2)动力循环净输出功,而一次分流再压缩退化为无分流方案,其中引入一次中间冷却的方案2净输出功最大,为82620.02 kW;6个方案的经济性均在以S-CO_(2)动力循环净输出功最大为优化目标时更具优势,原因在于这种情况下对燃气轮机排烟的余热利用效率更高,其中方案2运行20年收益最大,为50.65亿元。

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。

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO_(2))在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响,并对各结构特性灵敏度做了量化分析;搭建了闭式循环的S-CO_(2)测试平台,对螺旋管内S-CO_(2)对流换热性能进行了试验研究,并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性;对数据进行处理,拟合出了S-CO_(2)的传热关联式。该研究为S-CO_(2)螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础,并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。

超临界二氧化碳动力循环在钠冷快堆中的应用综述

超临界二氧化碳循环系统在气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆中极具应用前景。综述了应用于钠冷快堆的超临界二氧化碳动力循环系统及其样机关键部件研究现状和有关进展,结合钠冷快堆的热源特征,分别就典型超临界二氧化碳动力循环结构、印刷电路板式换热器换热特征系数、不同功率等级S-CO_2压缩机与透平类型选择以及轴承与密封关键特征进行了总结与分析,分析结果为后续开展适用于钠冷快堆的S-CO_2布雷顿循环设计及样机开发提供可借鉴的参考与依据。

基于向心透平效率预测的超临界二氧化碳循环的热力学分析

透平是超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环的核心部件之一。通常,小流量的循环常采用向心透平。透平的效率和循环的设计参数密切相关。在关于S-CO2循环的研究中,透平效率通常设置为定值。目前并没有关于采用透平效率预测对于S-CO2循环,性能影响的研究。本篇文章提出了采用一维向心透平效率的S-CO2循环再压缩循环模型。并在不同的循环参数下,对采用一维透平效率和固定透平效率的S-CO2循环的热力学性能进行对比。结果显示当循环参数改变时,可以采用合适的固定透平效率。然而,当热源流量变化时,探究变工况情况下的透平效率相当重要。