高速S-CO_(2)向心透平几何参数优化及变工况特性分析

透平是热力循环中实现热功转换的核心设备,优化透平几何参数以改善气动性能,是提升系统热效率的关键。该文以面向某船舶主机烟气余热利用的超临界二氧化碳布雷顿循环透平设计参数为基础,给出向心透平主要几何参数,采用耦合CO_(2)真实物性参数的CFX仿真方法,分析几何参数动、静叶包角以及叶轮出口几何角对透平性能的影响规律并进行参数优化,进一步研究非设计工况下的透平运行特性。结果表明:增大静叶包角会使动叶前缘出现扰动涡流并减少余速损失,增大叶轮出口几何角,动叶包角对透平效率的影响规律不变,但效率峰值点会沿动叶包角减小的方向移动;动、静叶包角和叶轮出口几何角分别为49°、21.5°、25°时透平设计点总-静等熵效率高达87.99%,相比优化前,提高0.54个百分点;透平偏离设计点±20%工况下等熵效率大于80%。结果可为超临界二氧化碳高速向心透平设计提供一定参考。

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。

S-CO_(2)循环用电机设计

文章介绍了S-CO_(2)发电的基本概念和应用前景,对比国外各研究机构同类型电机的基本结构,完成电机结构设计、电磁设计与校核、转子腔与蜗壳腔的密封方案设计和电机出线的密封方案设计。为高速S-CO_(2)循环电机结构、电磁设计研究提供参考。

塔河油田H_(2)S-CO_(2)-O_(2)共存体系下伴生气管道选材和内涂层评价

研究伴生气管道常用3种管材在H_(2)S-CO_(2)-O_(2)3种气体共存体系下的腐蚀行为,可为塔河油田伴生气管道的腐蚀防控提供指导依据。基于塔河油田典型腐蚀工况,以20钢、L245NS钢和3Cr钢为研究对象,利用高温高压釜试验对3种钢材典型H_(2)S-CO_(2)-O_(2)共存工况下的腐蚀速率和腐蚀产物进行研究,得到20钢腐蚀速率最大,L245NS钢腐蚀速率次之,3Cr钢腐蚀速率最小,3种管材的腐蚀产物主要是Fe、FeS、FeCO_(3)和Fe_(2)O_(3)。对塔河油田4种典型内防腐涂层进行腐蚀前后增重法和附着力测试研究涂层的耐蚀行为,涂层2的抗腐蚀性能和附着力效果最好。考虑性价比,最后选用“L245NS+涂层2”作为塔河油田伴生气管线的防腐措施。

基于S-CO_(2)的强化壳管式蓄热单元传热性能优化

为了了解壳管式蓄热单元的传热性能,提出了一种强化壳管式蓄热单元传热性能的优化方法。对不同的换热流体(HTF)进行优质选择,并基于回归正交试验对相变蓄热单元结构参数进行优化。结果表明:回归方程满足试验的显著性和失拟性检验,验证结果与计算结果的相对误差在1%以内;采用800℃、20 MPa的超临界二氧化碳(S-CO_(2))和管径比为0.666 3的组合形式最优;优化后的蓄热单元获得的最高储热量为2 674.52 kJ,比优化前增加约39.5%,传热速率范围从1.76 kW降到0.007 kW。

基于多级压缩回热过程的半闭式S-CO_(2)循环回热优化研究

在单回热半闭式超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环中,CO_(2)在不同温度和压力下的比热容差异较大,导致回热器两侧工质的温度匹配性较差,不可逆损失较大。构建多级压缩回热过程是改善单回热循环回热性能的有效方法。该文在单回热循环的基础上,通过添加分流再压缩过程,提出再压缩半闭式S-CO_(2)循环,并获得6.63%的效率提升,同时从数学公式中证明效率提高的原因是叠加了净功。进一步构建三压缩循环时,发现回热器两侧工质流量的不匹配使得回热器内部出现温度交叉,体现出半闭式S-CO_(2)循环存在多种质量流耦合匹配问题,可通过对燃料、氧气和回流CO_(2)在回热器中进行流量匹配来解决。结果表明,三压缩循环相比再压缩循环的效率可进一步提高1.47%。通过构建多级压缩回热过程,充分挖掘了半闭式S-CO_(2)循环的效率潜力,可获得较好的性能。

Q235钢在H_(2)S-CO_(2)环境下的电化学腐蚀行为

采用交流阻抗、动电位极化曲线技术对Q235钢进行电化学测试,并利用金相显微镜观察表面腐蚀形貌。研究了在H_(2)S-CO_(2)体系中,不同H_(2)S/CO_(2)比例对Q235钢电化学腐蚀行为的影响,并对其腐蚀机理进行探究。结果表明,在H_(2)S-CO_(2)体系中,CO_(2)对于H_(2)S的腐蚀有一定程度的抑制作用,H_(2)S则会加速CO_(2)对于Q235钢的腐蚀。当H_(2)S/CO_(2)为2∶1时,Q235钢的腐蚀速率最大。

用于水下航行器的铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统热力学及动态特性分析

将铅铋堆与超临界二氧化碳(supercriticalcarbon dioxidecycle,S-CO_(2))循环相结合的发电系统可为水下航行器稳定、高效供能。然而,目前缺乏水下航行器与铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统的匹配设计研究,其热力学分析仍不完善。因此,该文分别构建其热力学模型和动态模型,通过模拟仿真,开展发电系统与4种动力循环形式的匹配研究,发现简单回热循环与铅铋合金的温度匹配性较好,系统热效率在压缩机和透平入口压力分别为7.6和25MPa时达到26.81%,满足系统设计要求。进一步探讨循环关键运行参数对系统热力学性能的影响规律,结果表明,增大循环最高压力和最高温度有利于系统效率的提升。基于此,进行系统关键换热部件的设计,揭示发电系统在温度阶跃扰动条件下的动态响应特性。可知,当堆芯铅铋温度从410℃降至390℃时,循环效率在大约8s内下降1.69%。该文可为应用于水下航行器的铅铋堆超临界二氧化碳循环发电系统设计提供参考。

超临界CO_(2)板式扩散焊矩形微通道换热器扰流格栅结构优化研究

为提升超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环系统中印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)的流动传热综合性能,该文通过数值模拟的方法,基于一种全蚀刻工艺的新型矩形截面PCHE,建立以冷热通道换热单元为研究对象的数学物理模型。研究不同运行工况下,通道内扰流格栅间距对S-CO_(2)流动传热特性的影响机理和影响规律。结果表明:不同格栅间距的热通道内S-CO_(2)的流速均沿程逐渐减小,而冷通道内S-CO_(2)的流速反而沿程逐渐增大。冷热通道内的流动摩擦阻力系数(f)和努塞尔数(Nu)均随着格栅间距的增大而逐渐增大,但不同格栅间距的冷通道内的f和Nu均大于其对应的热通道内的f和Nu。当格栅间距为5.97 mm时,矩形截面通道具有相对最优的综合性能,可以在阻力损失较小的情况下实现强化换热。研究结果可为全蚀刻工艺矩形截面PCHE的性能提升和结构优化提供理论依据和数据支撑。

CO_(2)压缩机活塞环变形与制冷剂泄漏模拟

为研究活塞环在压缩机工作过程中运动及变形对制冷剂泄漏的影响,利用Solidworks软件建立活塞环三维模型,通过ANSYS软件对活塞环进行流固耦合数值模拟,进而研究活塞环在最大温度与压力载荷下的变形情况;建立制冷剂泄漏通道模型,并编写profile程序,获得活塞环位置改变及入口压力变化下通道内制冷剂泄漏速度的变化规律。结果表明:在压缩行程结束之际制冷剂泄漏量达到最大值,活塞环在膨胀行程及压缩行程下存在纵向位移,2个行程下,最下方的活塞环3速度最大,中间的活塞环2速度最小;与膨胀行程相比,压缩行程下3道活塞环的整体速度更大,其位移所需要的时间更短。研究结果对活塞环受力分析及制冷剂泄漏提供了理论依据。

回热对跨临界CO_(2)喷射制冷系统的影响

目的:研究回热对跨临界CO_(2)双级压缩/喷射制冷系统性能的影响。方法:采用仿真模拟软件建模,分析在不同气体冷却器出口温度(25~45℃)、高压侧排气压力(7.4~9.5 MPa)、蒸发温度(-40~-15℃)和中间压力(3~5 MPa)的情况下,回热对低压压缩机吸气温度、排气温度、比功率增量以及系统性能系数的影响。结果:在特定的回热度下,随着中间压力的增加,低压压缩机排气温度和比功率增量升高;但随着蒸发温度升高,低压压缩机排气温度和比功率增量逐渐降低。在标准工况下,回热系统的性能系数低于不带回热系统的,同时随着回热度的增加,回热系统的能效降低。结论:随着回热度的增加,低压压缩机吸气温度、排气温度和比功率增量显著升高。但回热改善跨临界CO_(2)双级压缩/喷射制冷系统性能效果不佳。

双相不锈钢在油田H_2S-CO_2-Cl^-环境下耐蚀性研究

通过U型弯曲恒应变应力腐蚀试验、点蚀试验、缝隙腐蚀和模拟介质的全面腐蚀试验,系统地研究了压力容器用双相不锈钢材料在油气田高含H_2S-CO_2-Cl^-环境下的腐蚀特性,分析了在这种工况条件下奥氏体不锈钢作为压力容器用材的适用性和适用范围。

H_2S-CO_2-Cl^-共存体系下的腐蚀状况

塔河油田具有CO_2,H_2S和高矿化度水共存特征,腐蚀性介质复杂。在油气水的采、储、输各生产环节中,金属管道容器的内腐蚀穿孔均有发生,并随着含水量上升,腐蚀日趋严重,已成为阻碍油气田持续发展的突出矛盾。文章针对塔河油田H_2S-CO_2-Cl^-共存体系环境,对腐蚀原因、防腐蚀措施进行了浅析。

再压缩S-CO_(2)塔式光热发电系统模拟及参数优化

建立了再压缩S-CO_(2)布雷顿循环模型,对S-CO_(2)再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的镜场效率、吸热塔效率、冷源损失等指标进行模拟以及对分流比、压比、透平入口温度等参数进行研究,同时计算得出储热所需时长随全年各月的变化曲线。通过时间序列,得出两分两至日镜场系统与储热系统的供能情况。模拟结果表明:镜场遮挡效率和余弦效率随塔高的增加而增大,大气衰减效率和截断效率随塔高增加而减小;储热时长随日均辐射总量和日照时长有明显的季节差异,春秋分以及夏至日储热系统可以保证系统在无光照情况下实现满发,但冬至日储热系统无法蓄满热,则要想使系统持续运行,则夜里发电功率仅为17.34MW。最后根据压比(2~3.6)、分流比、透平入口温度(500℃~800℃)对于系统循环效率的影响曲线,计算得出系统的参数优化值。

板式扩散焊矩形微通道换热器中S-CO_(2)流动与传热特性的数值模拟

基于加工工艺便捷高效的板式扩散焊矩形微通道换热器,建立了以冷热直通道换热单元为研究对象的数学物理模型,研究了超临界二氧化碳(S-CO_(2))在不同边界条件和通道结构下的流动与传热特性。结果表明:随着雷诺数(Re)的增大,冷热直通道内的湍流增强,传热性能得到提升,流动摩擦阻力系数减小;与无格栅时矩形通道相比,格栅水平设置在矩形通道两侧时的扰流效果和传热性能最优,综合传热增强因子(PEC)相对最高,但与半圆形直通道相比其PEC仍有待进一步提高。

梯级利用烟气余热的超临界CO_(2)与ORC联合循环

燃机+底层循环是目前可行性高、效率高、变负荷能力强的重要分布式能源技术,目前成熟的燃机底层循环是传统的蒸汽朗肯循环。为进一步提高燃机综合利用效率,寻找到可以更好的与燃机余热热源匹配并最大化余热发电量的新型底层循环,研究分析了包括有机朗肯循环(organic rankine cycles,ORC),超临界二氧化碳(supercritical carbon dixide,S-CO_(2))布雷顿循环,以及其组合形式。采用模拟计算的方法,理论分析了S-CO_(2)布雷顿循环与ORC联合循环余热利用的整体效果。对回热器和烟气加热器进行了?损失分析,对透平、压缩机、泵等设备进行了能量分析,揭示了各种循环性能优劣的本质。结果显示,几种新形式联合循环的余热发电量都比电厂原有蒸汽循环发电量大,本文提出的S-CO_(2)布雷顿循环与ORC联合循环可以比美国电力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)提出的复杂S-CO_(2)布雷顿循环相对多提供4.2%的余热发电量,并且本文的新型联合循环参数耦合效应弱,操作性更强。

S-CO_(2)煤粉锅炉NO_(x)超低排放设计与优化

为了实现超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环燃煤发电的NO_(x)超低排放,首先对一台1000 MW级S-CO_(2)煤粉锅炉进行了热力系统分析与燃烧数值试验,以获得尾部烟道温度分布以及炉膛出口烟气特性;在此基础上,构建了NO_(x)超低排放设计方案,采用数值模拟与正交试验相结合的方法研究了结构参数对脱硝性能的影响规律,并对SCR脱硝系统的内部结构进行优化.结果表明,S-CO_(2)煤粉锅炉炉膛出口温度比传统水蒸气锅炉高,需将该锅炉的空气预热器分为2级,将SCR脱硝反应器置于2级空气预热器之间,SCR脱硝反应器前端的空气预热器吸热量为215.83 MW.催化剂上游结构对催化层入口速度偏差影响最大.优化后的脱硝系统第1层催化剂入口相对标准偏差系数为10.19%.

300MW等级S-CO_(2)系统透平设计

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环发电技术是未来发电市场极具前景的发展方向,透平是循环的核心部件,直接决定S-CO_(2)发电系统的动力性和经济性。借鉴蒸汽透平的设计理论和经验进行了300MW等级S-CO_(2)系统透平设计,利用哈汽公司高性能叶型数据库进行三维叶型设计。三维气动性能分析表明,S-CO_(2)透平气动性能优良,流量、效率、功率等指标满足设计要求。有限元分析表明,典型级动叶片应力、频率合格,设计方案可行。

CO_(2)跨临界循环冷热联供机组性能实验研究

采用CO_(2)跨临界循环水-水热泵技术,测试了CO_(2)跨临界循环冷热联供机组的性能特点。通过调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、蒸发器侧乙二醇水溶液进口温度与气冷器侧进水温度等方式,测试该机组在以制热为主要目标时最优排气压力的变化,以及不同参数对制热量、制冷量、制热COP h与系统综合能效COP(制热COP_(h)与制冷COP_(c)之和)的影响规律。研究结果表明:在额定工况下,压缩机频率从80 Hz增加到120 Hz时,系统最大制热COP_(h)从3.9降到3.3;当乙二醇水溶液进口温度升高、气冷器进口水温降低时,系统的制热COP_(h)以及系统综合能效COP都随之升高。机组同时供冷供热可明显提高系统综合能效,经济性好且节能效果显著。文中的研究成果对于屠宰、酿造等同时具有冷热需求的行业推广应用CO_(2)冷热联供机组具有参考价值。

电动汽车CO_(2)空调涡旋压缩机变工况工作特性

为了提升电动汽车续航里程,研究了CO_(2)空调系统变工况运行性能及涡旋压缩机工作特性。构建了耦合涡旋压缩机一维通流模型的跨临界CO_(2)空调系统的性能预测模型,并利用试验数据校核了模型有效性。对比了压缩机简单模型与通流模型变工况条件下对系统性能预测的差异,分析了涡旋压缩机吸气预压缩及排气非对称流动的变化规律。结果表明:变工况工作条件下,用恒定效率的压缩机简单模型所预测的系统工作特性指数(系统制冷量与压缩机功耗之比),比用一维通流模型,最多高20%;压缩机吸气真空度是影响吸气预压缩程度的主要因素,压缩机转速从2500 r/min增至6000 r/min,吸气预压缩程度增加1.92%,容积效率提高4.72%;排气口通流面积变化主导排气腔压力非对称分布,减小压缩机排气腔压力非对称度,有利于提高压缩机等熵效率。