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。

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。

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。

CO_(2)驱油封存泄漏风险管理系统及应用研究

CO_(2)驱油封存技术在提高原油采收率的同时能实现大规模CO_(2)封存。然而,驱油封存过程伴随着多种CO_(2)泄漏风险。针对以往CO_(2)泄漏风险管理系统的缺乏,特别是缺少基于在线监测的管理系统,难以支撑动态的风险管理,研究基于CO_(2)驱油封存泄漏风险管理体系的构建,开发了集成多环境实时风险识别和评估、多空间风险预测、多层级风险预警和全过程风险控制的动态CO_(2)泄漏风险管理系统,并应用于鄂尔多斯盆地延长石油CO_(2)驱油封存示范项目。案例应用研究表明,所开发的CO_(2)泄漏风险管理系统可以全空间动态识别CO_(2)驱油封存过程的各种泄漏风险,有效支撑泄漏风险的动态管理,为CO_(2)驱油封存项目提供全面及时的安全保障。

空间站CO_(2)去除系统节气技术研究

针对空间站CO_(2)去除系统周期性真空解吸会损失大量气体的问题,对系统的节气技术进行研究。从分子筛材料的吸附及解吸特性出发,研究影响系统气体损失量的关键因素。结合系统运行流程和运行周期,综合考虑节气泵工作特性、寿命要求和系统的CO_(2)去除性能,提出了满足指标要求的系统节气方案。采用对损失气体进行实测采样的方法对系统的气体损失量进行了试验验证。试验数据及空间站在轨运行数据表明:设计的节气方案可以控制系统的气体损失量小于45 g/d,提出方案满足设计指标要求。

超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能,然后开展了室内真三轴条件下超临界CO_(2)脉动压裂-渗流试验及超临界CO_(2)脉动压裂-声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力,采用双泵型恒速恒压泵脉动给压,具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明:超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO_(2)脉动压裂后,煤体渗透率较压裂前呈增大趋势,增大了2~9倍,且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射-超临界CO_(2)脉动压裂时期,煤体产生了新的裂隙通道,该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面,且可观测到超临界CO_(2)流体直接从煤中喷出,故超临界CO_(2)脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用,能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。

液态CO_(2)-水循环作用下煤体的物理改性规律及增润减尘效应

煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施,也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点,传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此,利用液态CO_(2)具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性,提出液态CO_(2)-水循环作用致裂增润煤体的新思路,研制了液态CO_(2)循环冷浸试验系统,联合低场核磁共振仪研究了液态CO_(2)-水循环作用对煤孔隙结构的影响规律,联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理,运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明:液态CO_(2)-水循环作用使煤体有效孔隙度(φ_(NF))增加,增幅与循环作用次数呈正相关,煤体内部束缚流体变少,自由流体增多,T2截止值(T_(2cutoff))随之降低,结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征,煤体原生孔隙经历了“扩容”的过程,微裂隙与原始裂隙形成贯通,循环作用增强了有效渗流通道连通性,优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加,煤的最大应力σ_(c)呈指数衰减至4.93 MPa,应变ε_(c)线性增加至2.29×10^(-2),煤的抗压强度减弱,变形能力增加,循环作用改变了煤基质间联结状态,产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展,脆性指数B5最大降幅为34.71%,显著减弱了煤体脆性,具有了更好的抗动载荷或冲击能力;煤体对外加能量的存储能力弱化,改变了煤在截割过程中的破坏形式,试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了74%,呼吸性粉尘占比下降至2%,大幅减弱了粉尘危害性。

基于夹点的带喷射器CO_(2)热泵系统性能分析

为了研究带喷射器的跨临界CO_(2)内部过冷热泵系统(TCISE),基于夹点建立了TCISE的热力学模型,分析了冷却水进出水温度及流量对系统性能的影响。研究表明:冷却水进水温度从25℃降低到15℃时,最优高压压力从9.3 MPa降至8.8 MPa,降低了5.4%,最大COP从3.83提升至4.27,提高了11.49%;TCISE存在临界冷却水出水温度和临界冷却水质量流量,当冷却水进水温度一定时,在出水温度低于临界出水温度或质量流量高于临界质量流量时,系统COP保持不变。

失活石灰石自活化增强循环捕集CO_(2)特性

钙循环工艺是一种低成本高效率捕集CO_(2)技术,运行过程需不断补充新鲜吸收剂并排出失活吸收剂,实现失活钙基吸收剂原位资源化利用具有重要意义。为研究颗粒状石灰石失活后自活化特性,运用双固定床反应器制备了失活石灰石,分析了自活化后石灰石碳酸化转化率随循环次数的变化规律,采用XRD、SEM、N_(2)吸附等分析测试手段探究了自活化提高失活石灰石循环捕集CO_(2)性能机理。结果表明,失活石灰石置于环境中可吸收空气中水分生成Ca(OH)_(2),吸水率φ达100%后,继续吸水生成氢氧化钙水合物,极限吸水率为130%。不同程度自活化后的石灰石循环捕集CO_(2)性能均有不同程度提高,随吸水率变化呈线性升高趋势。与分析纯CaCO3相比,失活石灰石对吸水率变化更敏感,随吸水率升高其循环捕集CO_(2)性能提高更快。吸水率为130%时,自活化后石灰石循环捕集CO_(2)性能甚至优于新鲜石灰石。微观结构分析结果显示:新鲜石灰石因高温烧结而失活过程中,CaO晶粒尺寸由41.9 nm长大至72.2 nm,孔隙结构发生坍塌阻塞,比孔容和比表面积显著降低。经过自活化,煅烧后的石灰石中CaO晶粒尺寸降低,原本密实的表面重新生成孔隙结构;吸水率为130%时,晶粒尺寸降至35.1 nm,比孔容和比表面积分别恢复至新鲜石灰石的70.5%和107.6%,特别是10~100 nm孔隙得以再生,因此失活石灰石循环捕集CO_(2)性能恢复。虽然自活化过程会加剧失活石灰石颗粒磨损速率,但吸水率100%的自活化石灰石磨损导致直径每小时减小量仅为颗粒直径的0.55%。综上所述,自活化后的失活石灰石完全可替代新鲜石灰石,作为补充钙基吸收剂用于钙循环捕集CO_(2)。

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。

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%。

回热器对CO_(2)驻车空调系统制热性能影响的研究

为了提升驻车空调的制热性能,搭建了一套带回热器的跨临界CO_(2)驻车空调系统,在焓差室中实验研究了有无回热器时气冷器出口温度与排气压力对系统的性能影响。结果表明:在排气压力分别为8.5、9.0、9.5 MPa时,气冷器出口温度从20℃升高至35℃时,制热COP_(h)降低幅度分别为29.7%、19.9%、16.4%;系统使用回热器后最优排气压力下降,下降幅度分别为4.4%、6.1%,对应的最大COP_(h)增加幅度分别为3.2%、3.7%。通过曲面拟合得到了系统使用回热器时提升制热性能的排气压力与气冷器出口温度关联式,该式对回热器在跨临界CO_(2)驻车空调系统制热模式下的实际应用有一定指导意义。

基于SOFC-GT-SCO_(2)RBC的联合循环系统热力性能

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第3代燃料电池,具有低成本、全固态、高效率、高功率密度、燃料选择多样性和可分布式发电等优点,且可结合多种设备回收尾气中的高品位余热,大大提高能源利用效率。提出并研究了一种集固体氧化物燃料电池、燃气轮机(GT)和超临界二氧化碳再压缩式布雷顿循环(SCO_(2)RBC)为一体的联合循环系统。利用GT和SCO_(2)RBC充分回收SOFC尾气中未反应的燃料以及高温余热。通过建立该系统的数学模型,利用Matlab软件对该系统进行了热力学分析,并研究了SOFC工作温度、压力、燃料流量等参数变化对联合循环系统热力性能的影响。结果表明,SOFC工作在1073 K、0.5 MPa、燃料流量0.158 mol/s时,该联合循环系统内的SOFC、SOFC-GT及SCO_(2)RBC的发电效率分别达55.36%、70.95%和40.76%,总发电效率高达74.76%,SCO_(2)RBC底循环的引入可使系统净效率增加近4%;而参数分析则表明联合循环系统总发电效率随SOFC工作温度和工作压力的增加而增加,随燃料流量和燃料利用率的增加而降低。

电动汽车CO_(2)热泵空调系统优化及制冷性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调系统的制冷性能,文章构建了中间补气+回热器的跨临界CO_(2)系统,通过仿真研究了气体冷却器出口温度(T_(go))、气体冷却器压力(P_(g))、中间补气压力(P_(m))、相对补气量(β)、回热器过热度(ΔT)对系统制冷系数(EER)、制冷量(Q_(e))和压缩机排气温度(Tco)的影响及中间补气对回热器优化能力的提升。研究表明:存在最佳气体冷却器压力和最佳中间补气压力使得EER达到最大值,并得到两者与气体冷却器出口温度的关系式;气体冷却器出口温度上升会使系统性能下降,中间补气量和回热器过热度的增加能提升系统性能,EER提升了15.64%和6.07%,制冷量提升了27.88%和4.78%;回热器过热度的增加会导致压缩机排气温度上升,中间补气可降低压缩机排气温度,当限定压缩机排气温度时,中间补气可使回热器对EER和制冷量的优化能力分别提升了203%和173.87%;相对于基础跨临界CO_(2)系统,文章构建的优化系统在所研究工况内可使系统EER和制冷量分别提升18.38%和35.03%。

菌藻共生系统污水处理及CO_(2)固定作用机制的研究进展

目前水生态环境污染严重,现有水处理工艺存在能耗高、温室气体排放等问题。菌藻共生技术是一种能同步处理污水和固定CO_(2)的绿色处理技术。文章综述了菌藻共生体系提高减污固碳效率的作用效能及作用机制,详细阐述了菌藻共生体系降解氮磷污染物及固定CO_(2)的作用机理:微藻通过同化作用实现对氮磷的吸收,并通过光合自养、异养、兼养3种固碳过程实现CO_(2)的固定;细菌通过硝化作用和反硝化作用脱氮,利用聚磷菌强化除磷,通过促进碳酸酐酶的产生来提高藻细胞的固碳效率。总结了菌藻共生体系实际应用中的现存问题,并对未来的研究方向进行了展望,为今后菌藻共生体系的进一步应用提供了理论支持。

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。

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。

CO_(2)辐射效应与生理效应对气候系统影响异同的模拟研究

基于CESM地球系统模式,模拟研究不同CO_(2)浓度变化情景下,在快响应阶段和平衡阶段,CO_(2)通过影响大气辐射传输过程的辐射效应和通过影响植被气孔的生理效应对气候系统的影响和作用机制异同。试验结果表明,在CO_(2)倍增的情况下,CO_(2)辐射效应和生理效应都会引起全球地表的增温。辐射效应在两个阶段的地表增温中均起主导作用,而在快响应阶段,生理效应在全球陆表增温中贡献率达到了(27.5±0.9)%。CO_(2)辐射效应和生理效应对全球水循环的影响有明显差异。在平衡阶段,CO_(2)辐射效应使全球地表蒸散增加(5.2±0.1)%,径流量增加(8.0±0.4)%;而CO_(2)生理效应使全球地表蒸散量下降(3.9±0.1)%,径流量增加(10.1±0.4)%。在快响应阶段,生理效应在蒸散量的变化中占据主导作用。在CO_(2)倍增试验基础上,又进行了大气CO_(2)浓度分别为400×10^(-6)、600×10^(-6)、800×10^(-6)、1000×10^(-6)的模拟试验。随着CO_(2)浓度的增加,受辐射效应影响,地表温度、蒸散量和降水量出现持续增加,但增幅有所放缓;受CO_(2)生理效应影响,地表蒸散量持续减少,下降幅度并未出现明显变化。CO_(2)辐射效应和生理效应的协同作用具有非线性。对于地表温度、降水和蒸散等变量,CO_(2)辐射效应和生理效应共同作用引起的变化与两者单独作用时引起的变化之和存在差异,且这种差异随着CO_(2)浓度的增加越来越显著。

陆地生态系统土壤CO_(2)排放对模拟增温的响应特征及影响因素

全球变暖已经成为不争的事实,陆地生态系统碳循环的研究受到了各界广泛关注,是当前全球变化研究中的重点。土壤CO_(2)排放是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一,当前陆地生态系统中土壤CO_(2)排放如何响应全球气候变暖及其影响因素仍不清楚,限制了对土壤碳循环过程及影响机制的深入认识。旨在明确全球变暖背景下陆地生态系统中土壤CO_(2)排放格局及影响因素。基于Web of Science、PubMed和中国知网等中英文期刊数据库,充分收集全球范围内的相关野外试验文献81篇,提取出65个研究位置和213组相关研究数据,采用Meta分析方法探讨陆地生态系统土壤CO_(2)排放对增温的响应特征,分析其与海拔、气候、土壤含水量、容重(BD)、pH、全氮(TN)和土壤有机碳(SOC)的相关关系。结果表明:陆地生态系统中土壤CO_(2)排放对增温整体有显著的正向响应,在农、林、草生态系统中,增温使土壤CO_(2)排放分别显著增加13.1%、18.0%、5.9%(P<0.05),森林生态系统对增温响应的正效应最强烈;增温能在短时期内促进土壤呼吸,但随着增温持续时间增加,土壤呼吸对温度的敏感性会降低,对温度变化产生适应性,从而使其对增温的响应能力减弱;响应特征受到环境因子、土壤特性以及其他试验条件等的影响,绝大多数条件下对增温表现出显著的正响应特征,不同影响因子之间共同作用、相互影响。增温通常能够改变植物生物量、土壤养分含量及微生物数量和活性,从而影响到植被根际呼吸和土壤呼吸速率。相关分析表明,海拔对土壤CO_(2)排放有显著负向影响,而年均气温、年均降水量、土壤含水量和仪器嵌入土壤深度则对土壤CO_(2)排放产生显著正向影响。这些结果对于理解全球土壤CO_(2)排放的时空变化格局有重要意义,也为准确评价全球变暖背景下土壤碳汇功能及其持续性提供理论依据。

地热水回灌耦合CO_(2)地质封存系统安全性分析

在圈闭良好的水热型地热储层,开展CO_(2)随回灌水同时注入储层的研究,既具有经济效益又具有碳封存的环境效益。建立了3D储层模型,对不同井距、地层倾角、筛管位置和采灌速率下CO_(2)突破时间以及富含CO_(2)的盐水在储层中的运移情况进行了研究。结果表明:(1)在采灌速率为20 kg/s,20 a运行时间内井距为1200 m时CO_(2)未突破;(2)在倾斜地层中,当回灌井位于开采井下游时,随地层倾角增加,CO_(2)突破时间延长,沿地层下倾方向碳酸水运移距离增大;(3)综合考虑筛管位置对突破时间和突破后开采井中CO_(2)质量分数的影响,回灌井筛管位于储层上部30 m、开采井筛管位于储层下部30 m时,有利于CO_(2)地质封存的安全性和有效性;(4)采灌速率对CO_(2)突破时间影响较大,当采灌速率为12 kg/s时,CO_(2)未突破;当采灌速率增加到28 kg/s时,突破时间缩短到11.8 a。因此,在实际工程应用中可以通过对操作参数和地层固有特性的研究延缓CO_(2)突破,提高CO_(2)地质封存安全性。