部分预热超临界二氧化碳/吸收式动力循环联合循环余热发电系统性能评价与比较

部分预热超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环系统被广泛认为是一种很有前途的余热回收方案。提出了以LiBr-H_(2)O和NH_(3)-H_(2)O为工质对的2种部分预热S-CO_(2)循环系统和吸收式动力循环的联合循环发电系统(部分预热S-CO_(2)/APC系统)。建立并验证了所提出的部分预热-CO_(2)/APC系统的热力学模型。基于单目标和多目标优化结果,从热力学和经济学角度比较了所提出的S-CO_(2)/APC系统与单一S-CO_(2)系统的性能。单目标优化结果表明,与单一S-CO_(2)系统相比,S-CO_(2)/LiBr-H_(2)O系统和S-CO_(2)/NH_(3)-H_(2)O系统的净输出功和净效率分别提高了7.40%和4.30%。多目标优化结果表明,S-CO_(2)/LiBr-H_(2)O系统和S-CO_(2)/NH_(3)-H_(2)O系统的净效率分别提高了7.94%和5.13%,单位投资成本分别提高了12.35%和9.02%,表明S-CO_(2)/LiBr-H_(2)O系统具有较大的发展潜力。[火用]损分析结果表明,[火用]损主要存在于冷却器和加热器中,所提出的S-CO_(2)/APC系统可以显著降低单一S-CO_(2)系统冷却器约45%的[火用]损。

超临界二氧化碳核能动力系统的兴起和发展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))核能动力系统以S-CO_(2)为工质,通过直接或间接循环将核释热转换为电能或机械能。本文总结了国际上S-CO_(2)核能动力系统的概念初创、研究重启、协同创新3个历史阶段近60年的发展历程,分析了S-CO_(2)核能动力系统在核反应堆设计、材料工艺、热工流体力学、换热器、涡轮发电系统、系统运行、控制及安全策略等方面的研究现状,并提出了S-CO_(2)核能动力系统在基础研究和工程攻关中面临的技术挑战和攻关方向。目前,以中美为代表的能源强国已初步完成S-CO_(2)动力转换系统的实验室级测试,预计可在5~10年内实现中等规模工程示范甚至规模化应用。S-CO_(2)核能动力系统基本具备了走向工程的前提条件,有望引领先进核能技术变革。

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。

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。

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。

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。

核动力船舰超临界二氧化碳循环系统建模与性能分析

为探究以超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO2)布雷顿循环耦合核反应堆所构成的新型船舰动力装置的系统性能,选取4种高效紧凑的S-CO2循环(再压缩、内冷、部分冷却及再热)耦合4种典型船用核反应堆(铅冷快堆、高温气冷快堆、钠冷快堆及压水堆),构建了16种核动力船舰S-CO2循环动力系统及其热力学模型,研究分流比、透平入口压力、压缩机入口压力和循环最低温度对循环效率的影响.结果表明:存在最佳分流比及压缩机入口压力使循环效率达到最高;各系统循环效率随透平入口压力的提高,呈先迅速增长后趋于稳定趋势;S-CO2再热循环应用于上述4种典型船用核反应堆二回路系统时效率最高,分别为46.6%、50.8%、 44.5%及32.5%;根据高温气冷快堆S-CO2再热循环系统热力性能最佳,提出了其整体系统布置方案.

300MW超临界二氧化碳锅炉气动力特性及壁温分布

超临界二氧化碳布雷顿循环有着全流量回热、回热量大的特点,使得其进入热源的工质温度远高于同参数的蒸汽朗肯循环。与以水为工质的传统超临界锅炉相比,超临界二氧化碳锅炉具备入口工质温度高,再热气吸热比例较高,锅侧流体远离大比热区等特点。因此,深入研究超临界二氧化碳锅炉气动力特性(对应水工质锅炉的水动力特性)对煤基超临界二氧化碳发电技术的发展意义重大。以300MW,600℃等级的超临界二氧化碳锅炉为例,通过数值模拟和气动力建模计算相结合的方法,对垂直管圈气冷壁和再热气冷壁的气动力特性进行了详细计算和分析,获得了相应的流量分配规律以及气温和壁温分布特点。

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。

煤基直接加热式超临界二氧化碳动力循环系统建模及性能分析

利用Aspen Plus软件分别构建了煤气化直接加热式和煤直接燃烧式sCO_(2)动力循环系统模型,对空气分离装置(ASU)子系统、热力发电子系统和烟气净化压缩子系统进行耦合计算,并分析各主要参数对整体循环性能的影响规律。结果表明:对于煤气化sCO_(2)循环,在透平入口1150℃/30 MPa的参数条件下,系统净效率可达40.67%,同时可实现接近100%的碳捕集;在考虑系统整体能耗后,ASU出口O_(2)存在最佳纯度,当O_(2)纯度由95%增加至99.5%时,系统净效率由40.16%升高到40.67%;在相同关键循环参数条件下,由于取消了煤气化及合成气压缩装置,煤直接燃烧式sCO_(2)循环的系统净效率相比煤气化直接加热式循环提高了7.54%。

超临界二氧化碳布雷顿循环塔式光热系统及光伏-光热混合系统运行性能分析

本文对超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环塔式光热系统及光伏-光热混合系统在典型天气下的运行性能进行了研究。探究光热电站通过灵活调控出力,从而辅助间歇性出力的光伏电站发电并网的能力;分析光伏电站的接入对光热电站运行性能的影响;对比S-CO2布雷顿再压缩和部分冷却循环所组成的光热电站在不同运行场景下的热力性能。研究结果表明:光热电站可与光伏电站良好地配合,实现混合电站高效发电并网;光伏电站的接入会导致光热电站的运行效率降低,如晴天时,为辅助光伏电站并网,再压缩循环光热电站的运行效率由20.23%降至18.34%;在光热电站独立发电的运行场景下,再压缩循环光热电站性能更优,而在混合电站联合发电的运行场景下,部分冷却循环光热电站性能更优。

超临界压力下二氧化碳容器泄压影响因素研究

CO2意外泄漏是超临界CO2动力循环系统主要安全问题之一。本文基于一套小规模实验装置研究超临界CO2容器快速泄压特点,压力容器体积为50.0 L。测量了不同破口尺寸(1.0~5.0 mm),初始压力(8.1~12 MPa)和初始温度(35℃~50℃)条件下超临界CO2容器泄漏过程中介质压力和温度以及质量流量,分析了容器泄漏过程中泄压特性以及参数影响机制。通过分析得到,初始温度高于和低于拟临界温度,超临界CO2容器泄压会经历不同泄压过程。初始温度低于拟临界温度,泄压时工质温度下降的更低。泄压时间主要与破口尺寸和初始压力有关。本文的实验结果对理解事故过程和验证模型具有重要意义。

超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述

超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环是当前最具有发展前景的能量转换系统之一,适用于核能、太阳能、分布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域。阐述了S-CO2布雷顿循环原理及特点,综述可应用于核电领域的S-CO2简单布雷顿循环典型结构布局、不同布局下循环性能参数以及优缺点,分析结果能够为相关发电领域S-CO2布雷顿循环系统设计与应用提供参考。

集成余热回收的超临界二氧化碳燃煤发电系统研究

锅炉排烟余热和冷端余热回收利用对提高超临界二氧化碳(S-CO2)燃煤发电系统发电效率具有重要意义。为此,本文提出一种集成排烟和冷端余热回收的S-CO2燃煤发电系统,并对该系统与常规S-CO2燃煤发电系统进行对比分析。结果表明:相比常规系统,集成排烟和冷端余热回收的S-CO2燃煤发电系统通过回收排烟余热和冷端余热,可使系统发电效率提高0.56%,发电标准煤耗率降低3.00 g/(kW·h);该系统可回收2.8 MW冷端耗散㶲,并有效降低锅炉传热㶲损7.3 MW,降低排烟㶲耗散4.9 MW,使得锅炉㶲效率提高0.65%,最终使系统㶲效率提高0.51%。

醛类在超临界二氧化碳中的部分氧化

据德国Karlsyuhe研究中心CPV技术化学研究院的研究人员称，己醛生成己酸的选择性氧化反应具有工业价值。该反应过程无需添加催化剂，尤其是对以二氧化碳为反应介质的工艺开发，进行了良好的验证试验。下面简要介绍从基础研究、相平衡和反应动力学的确定、直到工艺设计的开发过程。

S-CO_(2)部分膨胀循环余热利用系统热力学特性研究

针对通过热力循环实现余热利用的系统,解决循环热效率与热源利用率之间的相互制约问题是构建高效余热吸收系统的关键。以超临界二氧化碳循环为例,为拓宽余热吸收温区从而提高余热利用效率,构建了新型循环即部分膨胀循环,耦合燃气轮机排气后,余热利用系统的发电效率为28.62%,循环热效率34.03%,热源利用率84.11%。为论证部分膨胀循环的优势,进一步构建了基于单回热布雷顿循环与再压缩布雷顿循环的余热利用系统,并对3种循环进行对比,通过热力学第一定律、第二定律计算分析,发现部分膨胀循环的发电效率均高于其他2种经典循环;通过分析循环流程,揭示了部分膨胀循环效率较高的原因,即部分膨胀结构拓宽了吸热温区,使得热源利用率大幅升高,从而提高了发电效率。

内燃机余热驱动的超临界CO_(2)循环非设计工况性能分析

超临界二氧化碳动力循环是一种回收内燃机排气余热的重要方式。为了揭示回收内燃机余热的超临界二氧化碳动力循环在非设计工况下的运行特性,基于热力学第一定律,建立了压缩机、透平、换热器、阀门等系统关键设备的非设计工况热力计算模型,进而构建了整个循环的非设计工况计算模型,并对非设计工况下循环热力学性能进行了分析。结果表明:设计工况下,循环热效率和输出净功率分别为45.00%和200 kW;相比于设计工况,当主压缩机入口温度升高到40℃时,循环热效率和净功率分别降低到11.54%和24.50 kW;当透平入口温度降低到450℃时,循环热效率和净功率分别降低到39.00%和162.43kW;当主调阀阻力增加到6.84 MPa时,循环热效率和净功率分别降低到37.18%和116.97 kW;针对两种系统负荷调节方式,当负荷率由100%降低到60%时,转速控制方式和阀门控制方式下,循环热效率分别降低至44.25%和38.00%。总体上,主压缩机入口温度的升高、透平入口温度的降低和主调阀阻力的增大均会导致循环性能降低;其中,主压缩机入口温度变化对循环性能影响剧烈,故应尽可能维持在设计温度运行;转速控制方式调节系统负荷时,系统循环性能变化较小,具有较高的热经济性。

超临界CO_2循环与燃煤锅炉集成技术研究

针对再压缩超临界CO_2循环与燃煤锅炉集成时,工质进入锅炉温度高、吸热温度区间窄、流量大的问题,提出部分冷却循环以及在此基础上的工质分流冷却锅炉尾部烟气方案和改进的空气预热方式,并对循环进行了详细的热力学分析。结果表明:相比再压缩循环,部分冷却循环与锅炉集成可显著改善上述问题;通过工质分流冷却锅炉尾部烟气,可控制锅炉排烟温度,确保锅炉效率;当工质从主压缩机出口分流时,循环效率随着分流比增大而降低,当工质从高温回热器入口分流时,循环效率起初随着分流比增大保持不变,当分流比超过临界值后逐步降低;2种改进的空气预热方式均可达到提高二次风预热温度、降低工质进入锅炉温度的效果。

船载GT-sCO_(2)双布雷顿联合循环经济分析与多目标优化

为了进一步提高船载动力系统中燃气轮机的效率且降低能源消耗与经济成本,本文对由燃气轮机循环与超临界二氧化碳循环组成的双布雷顿联合循环系统GT-sCO_(2)进行了热力性能与经济性能的分析与优化。对拟建系统进行了[火用]经济分析,选取6个决策变量并研究参数对[火用]效率和单位电力成本两个目标函数的影响。采用基于非支配排序遗传算法的多目标优化方法,对联合循环进行优化以获得最优的系统参数。结果表明,在设计工况下,相对于单一的燃气轮机循环,GT-sCO_(2)联合循环净功率增加了29.44%,[火用]效率提高了29.21%,单位电力成本降低了6.2%,联合循环从热力性能和经济性能上都具有明显优势。联合循环各部件的[火用]损失之和约占总输入[火用]的31.66%,[火用]损失成本占总成本的69.85%,需要优化关键部件的热力参数以提高循环的[火用]经济性。通过控制变量进行的参数研究结果表明,系统[火用]效率及单位电力成本具有不同决策变量的最优值。多目标优化获得联合系统最佳的[火用]效率为48.44%,最佳的单位电力成本为0.292 6元/(kW·h),循环的净输出功率为42 804 kW。本文从热力性和经济性的角度为船舶燃气轮机循环及其余热回收循环的联合性能研究提供参考。