超临界二氧化碳循环发电技术研究进展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环系统发电效率比同参数蒸汽循环高3%~5%,是未来面向与可再生能源共存的化石燃料发电领域重要发展方向.本文从S-CO_(2)循环发电系统产业现状和关键问题等角度,总结了国内外研究进展.有研究表明,通过锅炉模块化设计可将锅炉压降降低到与水蒸气锅炉相当甚至更低的水平,而且复合循环可解决锅炉余热利用问题.在此基础上,不同功率等级的S-CO_(2)循环示范系统为S-CO_(2)锅炉质量评价技术体系研究奠定理论和技术基础.

国外超临界二氧化碳循环发电技术发展及应用前景

超临界二氧化碳循环发电技术由于效率高、结构紧凑等优点,近年来得到快速发展。本文分析了超临界二氧化碳循环关键技术及难点,综述了美国海军和工业部门在这一领域的主要研制项目和进展现状,并阐述了超临界二氧化碳循环发电技术在舰船及民用领域的应用前景。

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。

超临界二氧化碳发电循环回热器及预冷器方案论证

回热器及预冷器是超临界二氧化碳布雷顿循环发电中核心换热部件,它们的高效性和经济性对于循环的应用意义重大,为了切实比较回热器及预冷器采用印刷电路板式换热器及管壳式换热器的差异,本文以某工程参数为基础,分别设计了两种换热器的工程方案,并对两种方案的传热性能及经济性进行比较分析。

300 MW超临界二氧化碳燃煤发电机组热经济性分析

针对300 MW超临界二氧化碳(SCO_(2))部分冷却循环和部分冷却再热循环燃煤发电系统,建立了热经济性数学模型,以循环热效率η_(t)、系统㶲效率η_(ex)及平准化度电成本C_(LCOE)为评价指标,对不同系统和不同关键参数进行热经济性对比分析。结果表明:在设计工况下,与部分冷却循环系统相比,在部分冷却再热循环下η_(t)高0.33%,η_(ex)高0.35%;在相同参数条件下,2个发电机组燃煤消耗成本占比均超过70%,锅炉成本远高于其他设备成本;存在最优的主压缩机入口压力,使得η_(t)、η_(ex)达到最大,同时C_(LCOE)达到最小;随着主压缩机入口温度的增大,η_(t)、η_(ex)逐渐减小,C_(LCOE)则逐渐增大;η_(t)、η_(ex)随着透平入口温度的增大线性提升,C_(LCOE)则先减小后增大。

基于钠冷快堆的超临界二氧化碳双透平发电系统

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有效率高、对管道腐蚀速率低、可降低电力成本等优点,被认为是钠冷快堆的理想动力转换系统。但也有不足之处,其系统正常运行时的压力较高,导致中间热交换器两侧压差大,极大地降低了安全性,限制了实际应用,因此本研究在原有系统的基础上进行改进,建立双透平发电循环,目的是在保持高循环效率的同时降低换热器冷流体侧工作压力。本研究对比了相同热功率下不同循环应用双透平发电系统的变化,并对影响效率的具体因素进行了敏感性分析。结果表明,再压缩循环最适配于钠冷快堆双透平发电系统,循环效率最高可达42.99%,其对主压缩机入口参数敏感度最高,其次是分流比和透平入口参数,而对透平分配比的敏感度最低。

核反应堆超临界二氧化碳再压缩循环优化研究

针对应用于第四代气冷堆的超临界二氧化碳再压缩循环系统进行了优化研究。通过建立完善的热力学及经济性模型,并根据核电模块化的需求引入空间紧凑性指标,从热力学性能、空间紧凑性、经济性能等多个维度对超临界二氧化碳再压缩循环系统开展研究,分析了关键参数对超临界二氧化碳再压缩循环系统性能的影响,并进一步开展了多目标优化以提高系统的适用性。结果表明:通过多目标优化研究,循环的综合性能得到提升,多目标优化得到的最优点的效率、单位功率成本率和单位功率换热面积分别为71.5%、3.11美分/(kW·h)和0.191 m^(2)/kW。

超临界二氧化碳相变做功发射技术研究

超临界二氧化碳相变做功发射技术具有安全性高、成本低、清洁环保、烧蚀小等优势,近年来已成为气体炮、发射箱/筒以及无人机发射回收装置领域的热门研究课题。阐述了超临界二氧化碳相变做功发射技术的最新研究进展,分析了产品技术特点和典型应用场景,梳理了当前超临界二氧化碳相变做功发射的关键技术,提出了工程化建议与解决途径,为相关领域的研究人员提供了参考信息和解决思路。

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。

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。

超临界二氧化碳燃煤发电系统热力性能分析

基于热力学第一、第二定律,针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩循环、再压缩再热循环、部分冷却循环、部分冷却再热循环燃煤发电系统,采用MATLAB软件分别进行参数计算与分析。随后分别讨论了分流系数,主压缩机出口、入口压力对系统循环效率、各设备及系统[火用]效率的影响,并对4种循环系统进行了对比分析。结果表明:不同循环布局下或同一循环布局,不同运行参数下,循环效率随相同参数的变化规律不同;分流系数存在使循环效率、[火用]效率达到最高的最优值,主压缩机出口、入口压力与分流系数对循环效率的影响存在耦合关系;对于不同参数变化,系统[火用]效率主要受不同设备?效率的影响;再热可提高系统循环效率和[火用]效率,有部分冷却的循环对参数变化敏感度相对较低。

耦合超临界二氧化碳储能循环燃煤机组动态特性仿真

为提高燃煤机组灵活性,该文提出燃煤机组集成超临界二氧化碳储能(compressed supercritical carbon dioxide energy storage,SC-CCES)循环的热力发电系统。基于机理建模法在MATLAB平台建立耦合SC-CCES系统的燃煤机组动态数学模型,利用仿真实验研究系统的耦合特性,获取SC-CCES系统在储能阶段、释能阶段关键参数的动态响应曲线,并开展参数动态特性研究。结果表明:系统在设计点运行时,降负荷范围可达2.53%Pe(Pe为额定负荷),该范围降负荷速率较快,可达25.735%Pe/min;升负荷范围可达0.71%Pe,该范围内升负荷速率可达5.31%Pe/min,同时升负荷阶段利用锅炉送风与SC-CCES系统耦合可使燃煤机组节约煤耗5.05g/(kW·h)。所构建的热耦合热力系统在改善燃煤机组灵活性方面有较好应用前景,可为SC-CCES系统的工程应用奠定理论基础。

基于深度学习的超临界二氧化碳临界流模型研究

破口处的临界流量决定了冷却剂丧失速度和一回路泄压速度,二氧化碳(CO2)在拟临界附近会发生物性畸变,而超临界二氧化碳(SCO2)反应堆的喷放过程涉及跨临界降压、不同相态喷放流量计算,现有研究缺乏宽参数范围高精度临界流模型。数据驱动方法可基于成长型的训练数据库提升精度,为了快速且精准地预测SCO2临界流,文章基于深度学习方法建立了SCO2临界流模型。通过敏感性分析确定了深度学习模型的特征输入;以循环神经网络(RNN)为框架,使用K折交叉验证、L2正则化得到了预测精度更高、泛化能力更强的临界流模型SCO2-RNN;基于遗传算法选取最优超参数,得到模型对预测结果平均相对误差为4.88%,最大相对误差为14.24%;对初见数据泛化的平均误差为5.73%,最大误差为20.45%;在使用迁移学习后,平均相对误差降低为1.75%,最大相对相对误差为4.15%。基于训练好的模型对新数据的泛化结果表明:深度学习模型在速度和精度方面均满足工程要求,可建立宽适用范围的高精度高效率临界流模型。

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。

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。

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-CO_(2))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-CO_(2)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 616,并且渗碳量也较小,而AISI 616有明显的渗碳现象。应力加载能够加快合金的腐蚀速率,增大其氧化膜的厚度,促进渗碳,还会改变其腐蚀产物的结构。并且,应力的加载对于AISI 616的影响远高于GH 3128。镍基合金GH 3128对于氧化、渗碳和应力腐蚀的抗性均高于马氏体合金AISI 616,更推荐GH 3128应用于550℃,20MPa的S-CO_(2)布雷顿循环发电系统。

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。

5 MW超临界二氧化碳机组锅炉闭式循环吹管工艺研究

为探索适用于新型超临界二氧化碳锅炉的蒸气吹管工艺,以某地5MW超临界二氧化碳循环发电试验机组为研究对象,结合主辅机设备特性,提出并实践了闭式循环吹管方案。该方案借助机组原有的高、低压旁路,将锅炉系统管道首尾相接完全封闭,利用循环流动的高压二氧化碳气体连续吹扫杂质,并用滤网加以捕集。闭式循环吹管方案系统简单,操作方便,吹扫质量经打靶检验合格,有力保障了试验平台的后期试运行工作。针对方案执行初期因滤网频繁堵塞而导致机组停机次数增多的问题,现场研发并投用了具有在线切换、在线清灰功能的双路过滤器,显著提高了吹管效率,降低了吹管成本,相关经验对于推动超临界二氧化碳循环发电技术的落地产业化具有重要的工程意义。

超临界二氧化碳再压缩循环发电系统安全控制试验研究

为了获得超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide power,S-CO_(2))再压缩发电系统运行特性和安全保护规律,该文对一个基于膨胀–发电–压缩一体化高速发电机组的300kW超临界二氧化碳再压缩循环发电系统开展了安全保护控制的试验研究。结果表明,通过对高低压侧联通阀开度的控制、0~10%的小流量范围内水流量的精确调节可实现两台并联压缩机的安全稳定运行。启动过程中机组推力随着系统压力的提高快速升高,引起机组安全运行风险;通过调节叶片背腔压力,降低转速、旁通阀开度和压缩机入口温度可以实现推力水平的有效控制。紧急停车过程中,控制主压缩机入口压力的升高幅度是控制机组推力升高幅度的关键。试验结果表明,所提出的安全保护策略的有效性,对于再压缩循环系统的安全保护策略设计具有参考意义。

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℃。