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。

基于NSGA-Ⅱ算法的S-CO_(2)再压缩再热燃煤系统多目标优化

以S-CO_(2)再压缩再热循环燃煤发电热力系统为研究对象,以循环热效率ηt和平准化度电成本C LCOE为系统的热力性能和经济性能指标,分析了系统关键参数对系统热力和经济性能的影响规律。基于非支配排序遗传(NSGA-II)算法建立了S-CO_(2)再压缩再热循环燃煤发电热力系统的多目标优化模型,以系统的热力学性能和经济性为目标,得到了系统关键参数的最优解。最后,以再热温度、透平入口温度、主压缩机出口压力、再热压力、主压缩机入口压力、主压缩机入口温度、分流系数为决策变量,对系统进行多目标优化。结果表明:透平入口温度、再热温度的升高会使系统的循环效率和平准化度电成本同时增大,系统的热力性和经济性不能同时达到最优;多目标优化后ηt和C LCOE分别为53.07%、453.43元/(MW·h),相较于设计工况,ηt提高了5.42%,C_(LCOE)降低了5.91%。

S-CO_(2)介质止推箔片气体动压轴承特性研究

针对超临界二氧化碳(SupercriticalCarbon Dioxide,S-CO_(2))润滑波箔型止推箔片气体动压轴承,通过反向传播(Back Propagation,BP)神经网络算法提出S-CO_(2)的物性模型,并考虑轴承工作时的非理想气体效应,提出考虑湍流效应气体润滑模型、箔片结构力学模型和气膜平均温升计算方法,对止推箔片气体动压轴承的静动态特性进行研究,并分析不同结构参数对箔片气体轴承静动态特性的影响规律.结果表明,本文提出的物性模型准确度高,相关系数高达99.997%.以S-CO_(2)为润滑介质的止推箔片气体动压轴承具有更高的承载力,且在适当范围内减小最小初始气膜厚度或增加膜厚比可以提高轴承的承载力.以S-CO_(2)为介质的止推箔片气体动压轴承的动态刚度系数和动态阻尼系数均远高于常温常压空气介质下的止推箔片气体动压轴承.随着最小初始气膜厚度减小,轴承的动态刚度系数和动态阻尼系数均迅速增加.

固体氧化物燃料电池和分部加热式S-CO_(2)循环联合发电系统设计与分析

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与余热回收相结合可进一步提高系统能量转换效率。该文设计一种SOFC与分部加热式超临界二氧化碳(partial heating supercritical CO_(2)Brayton cycle,PHSCBC)动力循环集成系统,SOFC系统的出口废气作为高温热源,驱动PHSCBC进行联合发电。建立系统的电化学模型和热力学模型,对系统的能量和(火用)进行综合评价,并通过参数分析,研究汽碳比、燃料流量、压缩机进口温度和压力以及夹点温差对联合发电系统性能的影响。对系统性能进行优化,发现当系统燃料流量为0.54 mol/s、空气流量为6.19 mol/s,可达到净发电功率、发电效率、(火用)效率分别为260.08 kW、61.20%、56.54%,其中提高燃料流量将显著提高系统发电效率。所提出的混合系统具有高效、低成本和清洁的发电和供热性能,是一种具有实际应用前景的先进能量转换技术。

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。

CO_(2)压缩机控制系统节能优化对策

河南心连心公司7台离心式压缩机机组在运行过程中长期存在防喘阀无法全部关闭的现象,导致蒸汽通过回流或放空方式做无用功,为此选取公司江西基地CO_(2)离心压缩机机组进行优化。介绍了防喘振控制系统的优化思路、原理及过程。改造后,在条件允许的情况下,防喘阀在防喘振控制系统的作用下,可关至控制的最小开度,即运行点至防喘振调节线位置骑线运行;蒸汽使用量在额定工况下比原同等工况下降低2 t/h,每年可节约费用320万元左右。

CO_(2)压缩机干气密封泄漏原因及防护措施

在CO_(2)压缩机运行过程中,干气密封系统密封件有发生损坏泄漏的风险。干气密封系统一旦发生泄漏现象,可造成CO_(2)压缩机被迫紧急停机,使得尿素装置工艺系统停运,严重时还会造成CO_(2)压缩机设备损坏的事故。通过干气密封结构和密封流程以及泄漏原因,制定了设备方面、仪表方面、工艺方面、管理方面等防护措施方案。方案实施后,可以保障CO_(2)压缩机安全平稳运行,使尿素装置工艺系统长周期平稳安全运行。

跨临界CO_(2)增压气体旁通制冷系统热力循环分析

根据某冷库项目的实际应用情况,为其设计跨临界CO_(2)增压气体旁通制冷系统,计算该系统的热力循环过程、各状态点参数值、制冷剂循环量、系统制冷量,对主要设备进行选型分析,并阐述计算及选型过程中需要注意的细节,供相关冷库设计人员参考。

CO_(2)变频空调系统软件设计研究

二氧化碳变频空调综合了二氧化碳环保理念与变频空调节能实用性两方面优点,通过理论与实践相结合的方法探究CO_(2)变频空调控制方法,总结出CO_(2)变频空调的压缩机转速控制逻辑与电子膨胀阀控制逻辑,同时对系统做出必要的3种保护。最后通过软件设计对二氧化碳变频空调的功能予以实现得出验证,在一定环境温度下系统最终进入稳定状态,且不同环境温度下系统都可以满足温度控制要求。

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。