跨临界CO_(2)循环系统控制优化策略的研究进展

控制策略作为跨临界CO_(2)循环系统的重要组成部分,是保证系统高效节能运行的关键。介绍了系统最优排气压力经验计算和泊金汉π定理的反馈控制、基于梯度追踪和极值寻优的实时在线控制以及基于神经网络的预测控制等,详细分析了系统控制策略的发展历程和未来发展趋势,并总结如下:离线控制建立简单、成本低,但易受到环境因素和系统部件变化的影响而导致控制性能降低;实时在线控制策略可以实时追踪系统最大能源效率对应的排气压力,但由于寻优过程费时较长,导致控制系统的收敛时间过长;模型预测控制系统可以实现实时优化和快速收敛,有着良好的发展前景。结合新能源汽车、建筑供暖、轨道交通、商超冷藏、军工等实际场景对跨临界CO_(2)循环系统控制策略的应用特点和未来发展趋势进行分析,进一步说明了提高控制策略的适用性是未来研究的重要方向,并分析将广义预测控制、强化学习等具有自适应属性的方法应用于跨临界CO_(2)循环系统控制策略的可行性,同时探讨了开发适用于大规模循环系统和储能系统控制策略在我国“双碳”背景下的重要意义。

多种构型超临界CO_(2)循环热力学解构分析与参数优化

新型超临界CO_(2)(S-CO_(2))循环可通过流程改良提高效率,构型复杂多样。为了直观阐明各种流程改良措施对循环效率提升的作用机制,本文将预压缩、后压缩、再压缩、间冷、再热等五种构型的S-CO_(2)循环解构为若干热功转换过程,建立各解构过程与循环效率之间的关联方程,进而开展流程参数优化。研究结果表明,预压缩、后压缩和再压缩方案均是通过增加压缩耗功,减少吸热量实现循环效率提升,其中再压缩方案效果最优,再压缩流量优化后循环效率提高5.1%;采用部分间冷方案,可有效降低压缩功耗,同时避免高品位热量贬值,间冷压力优化后循环效率提高2.2%;再热方案在不改变压缩耗功的前提下,增加透平出功,再热压力优化后循环效率提高1.9%;最后,循环联用再压缩、间冷和再热三种节能措施,可使效率提高9.3%。

面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

基于过程拆分的半闭式超临界CO_(2)循环热力学分析及流程优化

面对日益紧迫的减碳降耗需求,发展高效低碳的先进热力循环愈发重要。提出了一种基于天然气的零碳排放的半闭式超临界CO_(2)循环,并通过工质拆分,将半闭式循环拆解为开式循环和闭式循环,以阐明循环热功转化的过程;进一步采用循环拆分法将复杂重构循环拆解为若干简单循环,建立不同流程重构措施的热力学评价模型,直观地揭示不同循环构型的节能机理;通过参数敏感性分析获得各个流程改良措施关键参数的最优点。结果表明:再热、分流再压缩、中间冷却、部分冷却等多种循环流程改良措施均可有效提高循环效率,其效率增益为1.79~5.59个百分点;多种流程改良措施集成优化后,系统净发电效率较基础循环提高10.18个百分点。

CO_(2)跨临界制冷系统新型分布式压缩循环研究

为了对CO_(2)跨临界蒸气压缩循环进行高效冷却并提升系统性能,提出分布式压缩循环系统(distributed compression cycle system,DCCS)。在DCCS中,气冷器出口的超临界CO_(2)不再被进一步过冷而是进行二次增压,并在常规热汇条件下进行放热冷却。通过热力学计算DCCS在不同工况下的性能随二次增压比变化情况。结果表明:相对于基础系统,DCCS可有效提升系统性能,在气冷器出口温度不变时,最大制冷COP增幅在8.2%~10.76%之间,制冷量的增幅最高可达约26%。在蒸发温度不变时,最大制冷COP增幅在8.57%~13.51%之间。DCCS中理想的二次增压比要求并不高,且对于二次增压所增加的系统功耗相对于基础系统不会超过20%。相对于目前仅采取单一过冷技术的系统,DCCS在系统性能系数上仍具有优势。DCCS的提出为跨临界CO_(2)蒸气压缩循环系统的性能提升与完善提供了全新的方向。

航空发动机热防护超临界CO_(2)闭式循环方案设计

针对航空飞行器高速飞行时发动机热环境严峻、冷源有限的问题,提出了一种应用于航空发动机热防护、以超临界CO_(2)为工质的闭式布雷顿冷却循环方案。采用能量分析法构建布雷顿循环的数学模型,对比分析了简单循环、回热循环与间冷循环3种循环结构的优劣,比较了高温部件冷却通道的串并联结构对循环性能的影响。结果表明:回热循环能够提高系统热效率约4%,但热沉利用率降低50%;间冷循环能够降低系统热沉消耗8%,但会导致系统总质量增大;超临界CO_(2)简单循环是最符合发动机中间工质冷却循环工作需求的循环结构。对于简单循环而言,高温部件冷却通道并联结构的热效率比串联结构的高6%,但需要的碳氢燃料质量流量提高了2.7%,在碳氢燃料质量充足的条件下,并联结构的性能更优。

风量对跨临界CO_(2)驻车空调系统性能的影响

为研究风量变化对跨临界CO_(2)驻车空调系统性能的影响,控制室内外风量在最优风量以降低总能耗,获得最高的能效比。通过搭建系统样机,在焓差室测试其性能并研究风量对系统性能的影响。结果表明:样机在名义制冷工况下,取系统理想制冷性能系数C_(OP)最大时对应的排气压力为最优排气压力(9 MPa)。在最优排气压力下探究风量的影响。室内风量固定时,随着室外风量的增加,排气温度先快速下降后趋于稳定。室外风量固定时,排气温度与室内风量的关系取决于室外风量的大小,当室外风量低于1500 m^(3)/h时,排气温度随着室内风量的增加而增加;当室外风量高于1500 m^(3)/h时,排气温度随着室内风量的增加呈现先减小后增大的趋势,且在室内风量为300 m^(3)/h时排气温度达到最小值。室内、外风量增加时,系统制冷量先增加后降低,总功耗先降低后升高,系统C_(OP)呈现先上升后下降的趋势。最优风量为室内风量300 m^(3)/h,室外风量1750 m^(3)/h,此时系统C_(OP)达到最大2.26,为跨临界CO_(2)驻车空调系统的设计与安全高效运行提供参考。

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.

中温烟气余热动力回收CO_2超临界回热循环优化

考虑烟气的放热特性、一般冷源条件、中高温工况对工质热稳定性的要求和工质的环境特性,提出以CO2超临界循环(CO2-SC)作为初温300—500℃的烟气余热动力回收基础循环;针对CO2-SC吸热过程工质初温低、有限循环压比下膨胀过程终温过高的问题,对CO2-SC引入回热过程得到了CO2回热超临界循环(CO2-RSC)。对CO2-SC和CO2-RSC开展了以单位质量烟气的循环净输出功(比净功)最大为目标函数,以膨胀过程初温、初压、终压和回热度(对CO2-RSC)为优化变量的优化对比研究,结果表明:回热过程的引入,有效改进了循环效率,使循环比净功明显提高;在指定的换热器传热窄点温差和系统部件效率值下,烟气初温分别为300,400,500℃时,CO2-RSC的比净功较CO2-SC高50.9%,52.7%,49.6%。回热还使得CO2-RSC工质吸热过程初温高于烟气的酸露点,避免了超临界加热器烟气侧低温腐蚀问题。

基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统

为了提高太阳能热发电系统的性能,建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临界CO2布雷顿(SCO2)循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统3个子系统的性能,并研究了太阳辐射强度和采用不同底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,最后对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热发电系统进行了对比。结果显示:吸热器的能量损失率最小,但损失率最大;随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率和效率均增大;采用有机朗肯循环和跨临CO2(TCO2)循环作为底循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;相同条件下,不同的SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太阳能电站热效率最高。

CO_2跨临界水——水热泵循环系统的实验研究

在作者设计和建立的实验台上进行了CO2 跨临界水—水热泵多种工况的循环性能实验研究 ,系统运行稳定、调节方便。实验结果表明 ,系统运行时的最大制冷 (热 )系数取决于系统的蒸发温度和气体冷却器出口温度。CO2 跨临界循环热泵较之传统工质热泵具有较大优势 ,尤其是在高温热泵领域。

反应堆超临界CO_2 Brayton循环特性

为达到满意的循环效率,目前的气冷堆氦气透平循环技术需较高的循环最高温度,即需更高的堆芯出口温度,对反应堆压力壳及燃料元件材料有较高要求,同时由于氦气本身的性质,对透平制造也提出了新的要求;而采用CO2作为循环工质,可保证在热效率相当情况下,降低循环温度,减小透平体积等,提高反应堆的安全性及经济性。根据热力学定律,建立了超临界CO2透平循环计算模型,并对该动力循环进行了详细的特性研究,得到了决定循环效率的各个参数,并分析了这些参数对循环效率的影响。结果表明,超临界CO2动力循环在相对氦气循环较低的温度下可达到满意的效率,CO2是一种理想的循环工质。

CO_2跨临界双级压缩带膨胀机制冷循环研究

针对CO2 制冷能效低的特点 ,本文建立了双级压缩带膨胀机CO2 跨临界制冷循环热力学模型 ,在考虑实际循环中不可逆损失因素影响在基础上 ,对循环进行了性能系数、热力学完善度和单位制冷量 火用 损失等指标进行了分析计算 ,并与双级压缩节流膨胀CO2 跨临界制冷回热循环和R2 2简单制冷循环进行了比较。

CO_2跨临界单级压缩带回热器与不带回热器循环理论分析与实验研究

分别对带回热器和不带回热器的CO2跨临界单级压缩循环进行了理论分析和实验性能测试.理论分析表明,与不带回热器循环相比,相同蒸发温度下,带回热器循环平均性能提高约4.55%;相同气体冷却器出口温度下,带回热器循环平均性能提高约5.23%.实验测试表明,带回热器循环制热量和制冷量分别平均提高约3.33%和5.35%,制热和制冷性能系数分别提高约11.36%和14.29%.

CO_2跨临界循环与传统制冷循环的热力学分析

以热力学第二定律和卡诺定理为基础,提出了一种新的热力学分析方法-当量温度法,并以此为基准对各种制冷循环进行了分析。与传统分析方法相比,当量温度法可以得出更加公正、合理的结论。

CO_2跨临界循环系统润滑油分析

为保证CO2跨临界循环系统的稳定运行,选择与之相适应的润滑油,在分析摩擦润滑特性的基础上,采用实验数据对比的方法,对POE、PAG、PAO和烷基芳香烃4类合成润滑油在CO2跨临界循环系统中的混合性、流动性、可溶性、黏度、长期稳定性及润滑性等性能进行了分析,结果表明POE类润滑油是CO2跨临界循环系统的一种相对较好的选择.

CO_(2)跨临界高温热泵干燥系统优化设计

干燥工艺在工、农业生产中被广泛使用但耗能巨大,通过CO_(2)热泵干燥技术有望降低其能耗并减缓环境问题。文中在CO_(2)跨临界基本热泵干燥系统的基础上,提出CO_(2)跨临界复叠式热泵干燥系统和CO_(2)跨临界双级压缩并联加热热泵干燥系统。并且通过建立热力学模型将其最优性能系数C_(OPh)和单位能耗除湿率R_(SME)与R134a双循环热泵干燥系统进行了比较。研究发现,它们相较于CO_(2)基础系统性能均有提升,尤其是双级并联加热系统,其C_(OPh)与R_(SME)均超过R134a系统。进一步的分析显示,增加蒸发温度、降低气冷器出口温度对CO_(2)跨临界热泵干燥系统的性能提升起到了关键作用。此外,文中也探究了补气系数和干燥出风温度对CO_(2)跨临界热泵干燥系统的影响。研究结果表明:经过优化改进的CO_(2)跨临界热泵干燥在高效节能方面表现出色,展现了替代R134a热泵干燥系统的潜力,同时也为解决干燥工艺高能耗的问题提供了创新性和可行性的解决途径。

350 MW超临界循环流化床锅炉SO_(2)、NO_(x)及粉尘排放特性试验

为了解煤泥、煤矸石等多元低热值煤掺烧下CFB锅炉污染物生成排放特性,以某电厂350 MW超临界CFB锅炉为研究对象,基于现场运行实测数据,研究了该锅炉在30%~99%负荷率下烟气SO_(2)、NO_(x)生成及粉尘排放随负荷变化的特性,并分析了锅炉运行负荷、平均床温、过量空气系数及流化风率等关键运行参数对其生成与排放水平的影响。试验结果表明,该机组在30%~99%全负荷条件下总排放口烟气污染物排放均能够满足超低排放标准;SO_(2)、NO_(x)排放浓度随锅炉负荷的降低基本呈现先降低后迅速升高的趋势,粉尘排放浓度随锅炉负荷的降低而降低;所研究关键运行参数中,锅炉床温对SO_(2)、NO_(x)生成与排放水平起主导作用;低负荷下锅炉平均床温较低、炉膛过量空气系数较大,SO_(2)、NO_(x)生成浓度偏高,且二者排放浓度与过量空气系数及流化风率基本呈正相关。综合考虑,应适当控制锅炉平均床温在800℃以上,过量空气系数应不高于1.3为宜;低负荷下可采取烟气再循环措施来降低烟气含氧量,同时维持物料正常流化。

CO_2跨临界循环特性对热泵干燥系统的影响

对CO2跨临界循环的超临界放热特性和运行规律进行了分析,根据这些特性,对其应用于干燥热泵系统进行了探讨,并对蒸发温度、过热度及气体冷却器出口温度对系统除湿率的影响做出分析。研究表明CO2跨临界循环放热段存在大的温度滑移,气体冷却器出口温度低有利于系统运行,这些特点非常适合干燥系统,而且干燥系统除湿率也受到这些特性的影响,系统存在最优运行压力和最佳的蒸发温度与气体冷却器出口温度组合。

LNG冷能用于CO_2跨临界朗肯循环和CO_2液化回收

提出了一种利用LNG冷能的新方案。一方面,采用CO2作为工质,利用燃气轮机的排放废气作为高温热源和LNG作为低温冷源来实现CO2的跨临界朗肯循环。由于高低温热源温差较大,循环能够顺利进行;另一方面,从燃气轮机排放的CO2废气在朗肯循环中放出热量后经LNG进一步冷却成液态产品。这样,不但利用了LNG冷能,而且天然气燃烧生成的大部分CO2也得以回收。计算分析了相关参数对跨临界循环特性的影响,包括循环最高温度和压力对系统的比功和火用效率的影响,并分析了回收的液态CO2的质量流量的变化情况。结果表明,这种新的LNG冷能利用方案是一种环境友好的高效方案。