超燃冲压发动机用SCO_(2)闭式回热布雷顿循环的热电转换系统性能分析

针对高超声速飞行器的供电和热防护需求,本文提出了一种基于超临界二氧化碳(SCO_(2))闭式回热布雷顿循环(RCBC)的热电转换系统,建立了一个由超燃冲压发动机燃烧室、壁面冷却通道和SCO_(2),RCBC组成的耦合模型来评估系统性能。对比了燃烧室与冷却通道耦合和不耦合的差距;分析了冷却流体进人冷却通道时的进口参数对系统热防护以及供电的影响。结果表明,热电转换系统通过将部分热量转化为电能,在对发动机进行热防护的同时,可以为高超声速飞行器提供25.14kW的电能。

500kW超临界CO_(2)再压缩循环热力性能分析及优化

为研究分析超临界二氧化碳(CO_(2))再压缩循环发电系统循环的特性和规律,建立了500 kW超临界CO_(2)再压缩循环计算模型,研究了各循环参数对热效率和分流比的影响,并以达到最高热效率为目标对各参数进行优化。计算结果表明:最低压力、最低温度、最高压力、分流比均存在使循环热效率达到最高的最佳值;热效率随着最高温度的升高而升高。对各循环参数进行优化后,工质质量流量减少了0.92 kg/s,热效率从39.51%提高到43.85%。

非纯净超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环的热力学分析

针对实际超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))发电系统中CO_(2)为非纯净这一问题,以S-CO_(2)再压缩循环为研究对象,基于热力学第一定律建立了再压缩循环的数学模型,纯CO_(2)和非纯净CO_(2)的热物性采用NIST物性数据库,研究了CO_(2)纯度对系统热力学性能的影响。结果表明,在近临界压力区,空气质量分数对密度、焓值的影响较大,远离临界压力区影响较小。主压缩机和透平入口参数对系统热效率影响较大。空气质量分数越大,循环热效率越小。在计算工况内,非纯CO_(2)系统循环热效率较纯CO_(2)系统减小约1~6百分点。研究结果对实际S-CO_(2)循环设计提供一定的理论指导,具有重要的工程意义。

夹点温差对sCO_(2)再压缩循环性能及经济性的影响

以超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环发电系统为对象,研究了低温回热器夹点温差ΔT_(p,LTR)和高温回热器夹点温差ΔT_(p,HTR)对循环性能和经济性的影响,并基于循环系统各部件的热功分布和损分布分析了夹点温差对循环性能和经济性产生影响的原因。结果表明:与ΔT_(p,HTR)变化相比,循环热效率ηth和效率ηexe对ΔT_(p,LTR)的变化更敏感;回热器总换热面积与循环性能对ΔT_(p,LTR)和ΔT_(p,HTR)的敏感性相似;在指定循环热效率下均存在ΔT_(p,LTR)与ΔT_(p,HTR)的最佳匹配,使回热器总换热面积最小。

微型堆SCO_(2)布雷顿循环系统构型及参数优化

超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环具有循环效率高、结构紧凑等优点,适合作为微型核反应堆的能量转换系统。本文以不同构型SCO_(2)布雷顿循环系统为研究对象,建立了设备模型及系统整体分析模型,进行了系统关键部件选型及热力设计,并开展了不同评价指标下系统不同构型参数优化,获得了不同优化目标下最佳构型及最优参数配置。结果表明:以发电效率最大作为优化目标,最优构型再压缩再热循环的发电效率最高达到47.5%;以功率密度最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率密度最高可达282.42 kW/m^(3);以功率质量比最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率质量比最高可达98.81 kW/t。通过不同构型对比发现,再压缩构型具有较高的功率密度和功率质量比,能较好兼顾高效性和紧凑型,更适合作为可移动微型堆能量转换系统。

小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环冷端特性研究

氟盐冷却高温堆与SCO_(2)布雷顿循环耦合发电系统具有固有安全性高、效率高、可模块化建造等优点,但SCO_(2)布雷顿循环系统对于冷端参数十分敏感,严重影响循环系统性能。本文以小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环系统为对象,开展在SCO_(2)冷端扰动下系统的动态特性研究,并探究变负荷过程中冷端参数变化对系统性能的影响。结果表明:在降负荷过程中,主压缩机对入口温度和入口压力的敏感性逐渐增强;低负荷状态下,主压缩机入口温度扰动1℃,出口压力变化最高7 MPa,效率变化最高6.82%;主压缩机入口压力扰动0.1 MPa,出口压力变化最高6.33 MPa,效率变化最高6.23%。

基于燃机余热和LNG冷能的sCO_(2)朗肯循环系统构建

构建了以燃气轮机烟气为热源、LNG气化热为冷源的超临界二氧化碳(sCO_(2))朗肯循环与天然气直接膨胀耦合的余热发电系统。针对300万t/a LNG气化站,开展了循环参数对热力学性能的敏感性分析以及优化计算。结果表明:该系统的总出力可达528.57 MW,可匹配约342 MW等级燃机,LNG贡献电能为0.095 7 MJ/kg,联合系统燃料热效率达到63.54%;相比传统的燃气蒸汽联合循环,系统净功提高3.5%,燃料热效率提升2.15个百分点。

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。

基于CO_(2)混合工质动力循环的塔式太阳能热发电系统四季性能分析

为高效转换塔式太阳能系统的聚光热量,将混合工质(CO_(2)/R290、CO_(2)/R600a和CO_(2)/R601a)应用于再压缩动力循环,建立塔式太阳能热发电系统的热力模型,并基于典型日(春分、夏至、秋分、冬至)的辐照条件对系统热力性能进行分析比较。结果表明:在混合工质不可燃的质量分数范围内,随着CO_(2)质量分数的增加,3种混合工质的系统热效率、效率和发电量均先升高后降低,最优质量分数分别为0.7/0.3、0.8/0.2和0.8/0.2。在3种混合工质中,CO_(2)/R290(0.7/0.3)的系统性能最佳,春分的系统热效率为18.99%,发电量为17.1 MWh。在不同典型日下,夏至系统热效率和效率略低于冬至,但其发电量最高。基于3种混合工质探究透平进口温度、循环最低温度、高温熔盐温度和分流比对系统性能的影响,结果表明,系统存在最佳分流比使热效率和发电量最高,相应分流比的范围为0.70~0.75。

再压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环的特性研究

为研究再压缩式S-CO_2布雷顿循环的性能,建立了该循环的分析模型,分析了主压缩机入口温度和压力、透平入口温度和压力、设备效率等对循环效率的影响,并阐述了其影响机理,对再压缩式S-CO_2布雷顿循环的最佳工况点进行了优化设计。结果表明:循环效率随透平入口温度和压力的提高而单调增大,随主压缩机入口温度的提高而单调减小;主压缩机存在一个使循环效率达到最高的最佳入口压力;循环效率与循环中各设备的效率有关,其中透平的等熵效率和高温回热器的传热效率对循环效率的影响最明显。

燃气-SCO_(2)联合循环的热力学性能及分析

以燃气循环作顶循环,超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环作底循环构建了燃气-SCO_(2)联合循环。建立了关键部件的数学模型,分析了循环参数对系统性能的影响,并从分析的角度探索了燃气-SCO_(2)联合循环实现能量梯级利用的理论基础。结果表明:底循环效率随透平入口参数在低压段(14MPa~20MPa)变化明显,高压段(20MPa~26MPa)趋于平缓。高压条件下,提高透平入口温度对联合循环效率增益作用更明显。分流比与最高循环压力存在最佳配比。压缩机入口压力较低时入口温度对热力性能影响较大,随着压缩机入口压力增加,压力逐渐成为主要影响因素。单个再压缩循环余热回收能力有限,为提高能量利用率可增加底循环数量。

SCO_(2)再压缩循环的非设计性能及控制策略研究

SCO_(2)循环的部件性能随系统负载降低会发生显著变化。因此,本文首先建立了10 MW输出功率的SCO_(2)再压缩循环。然后分别在库存控制和涡轮旁通控制下研究了系统的非设计性能。结果表明,当系统负载减小到10%时,库存控制的热效率降至21.04%,再压气机趋向失速;涡轮旁通控制的热效率至13.56%,压气机发生堵塞。基于此,提出了库存–旁通混合控制策略。该混合策略的使用改善了两单一策略下的压气机运行状态,且系统性能介于两单一策略的之间。

sCO_(2)循环部分负荷运行特性研究

超临界二氧化碳(supercritical CO_(2), sCO_(2))循环发电系统结构紧凑,具有灵活高效的特点.本文以300 MW级s CO_(2)循环发电系统为研究对象,基于存储控制(inventory control)运行方式构建了耦合部件非设计(off-design)计算的系统部分负荷模型.部分负荷运行时,回热器和涡轮机械运行参数都会发生变化,且变化规律不同,为剖析系统性能损伤机理,设置了两种不同研究方案:(1)涡轮机械主要运行参数(主气压力和等熵效率)不变,研究回热器对系统热效率的影响;(2)涡轮机械和回热器参数均发生变化.不同研究方案结果表明,随负荷率减小回热器效率增加,压降减小,对系统性能产生正效应.部分负荷运行时主气压力的减小对透平做功影响较大,同时透平效率降低明显,对系统产生负效应.标准存储控制条件下,系统热效率随负荷率呈抛物线变化. 100%~75%负荷时,系统中正效应大于负效应,热效率大于设计热效率,在85%负荷时系统热效率达到最大值49.82%. 75%~30%负荷时,系统中正效应小于负效应,热效率小于设计热效率.研究结果可为sCO_(2)循环系统的变负荷运行提供指导,并可为系统动态调控过程提供目标值.

燃煤火力发电机组与钙基CO_(2)捕集系统的一体化设计与分析

燃煤机组捕集CO_(2)对于我国“双碳”目标的实现至关重要。将燃煤发电机组和钙基碳捕集系统进行一体化集成,改造锅炉受热面布置与热力系统的配置,可提升系统能量集成度;分别构建基于蒸汽朗肯循环(steam rankine cycle,SRC)和SCO_(2)-蒸汽联合循环(SCO_(2)-steamcombinedcycle,CSCC)的发电、碳捕集一体化系统,利用?方法和热效率法计算其热力性能,基于平准化发电成本和碳捕集成本评价其经济性。结果表明,CSCC一体化系统?效率为39.05%,捕集CO_(2)造成的?效率损失为3.91%;利用SCO_(2)替代水蒸汽回收碳捕集系统余热能够减少?损失,使得CSCC一体化系统性能优于SRC一体化系统;CSCC一体化系统的平准化发电成本为654.9元/(MW·h),碳捕集成本为135.1元/t CO_(2)。一体化系统可实现燃料化学能和碳捕集余热的一体化协同转化和高效利用,并能降低碳捕集成本。

预压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环的特性研究

为了分析预压缩式超临界CO_2(S-CO_2)布雷顿循环的性能,建立了预压缩式S-CO_2布雷顿循环的分析模型,分析了系统关键参数对再循环效率的影响并阐述了具体影响机理,对循环的最佳压比及最佳预压缩压力进行了计算,并开展了预压缩循环与再压缩循环的对比分析。结果表明:预压缩循环的效率与预压缩压力有关,且存在一个最佳预压缩压力使得循环效率达到最高;预压缩循环的效率随着循环最低温度的升高而降低,随着循环最高温度以及最高压力的升高而提高;在相同条件下,预压缩循环的效率较再压缩循环稍高,但优势不明显。

不同超临界CO_2布雷顿循环性能的对比研究

以超临界CO_2布雷顿循环为研究对象,分析了5种不同S-CO_2布雷顿循环的性能差异,分析了循环最低压力、最低温度、最高压力、最高温度等参数对循环效率的影响及不同循环的效率对比,研究了不同循环在主要参数相同情况下透平及压缩机的做功情况;分析了再热压力、预压缩压力及循环压比对循环效率的影响。结果显示,S-CO_2循环中增加再热环节及预压缩环节都可以提高系统循环效率,不过增加再热环节后循环效率提升更明显;对再压缩循环中包含再热及预压缩环节的循环,分别存在一个最佳的循环压比、再热压力、预压缩压力使得循环效率最高。

再压缩sCO_(2)-CPG联合循环热力优化

将CO_(2)地质封存与地热能开采相结合,利用CO_(2)羽流地热(CPG)系统开采超临界CO_(2)(sCO_(2)),并通过再压缩sCO_(2)布雷顿循环进行发电。建立了以太阳能为辅助热源的再压缩sCO_(2)布雷顿循环-CPG联合发电系统模型,研究了两类参数对联合发电系统性能的影响,并根据遗传算法进行全局参数优化以获得最大系统效率及最小度电耗sCO_(2)量。结果表明:再压缩sCO_(2)布雷顿循环-CPG联合发电系统具有较高的热效率,其中,主压缩机入口压力与分流比是影响系统热力学性能的主要参数,通过设计参数优化,系统效率可高达18.47%,度电耗sCO_(2)量减小至60.31 kg/(kW·h)。

超临界二氧化碳布雷顿循环的参数优化

本文通过建立二氧化碳布雷顿再压缩循环模型,研究了各参数对循环效率的影响及各参数间的关系,并对循环参数进行优化,阐述二氧化碳循环高效能量转换的机理。结果表明,超临界二氧化碳再压缩循环是一种较为理想的能量转换方式,适宜为出口温度较低的反应堆做能量转换。

超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统研究进展

超临界二氧化碳(SCO)闭式布莱顿循环凭借高热效率、高紧凑性和高经济-环保性等优势,已成为能源与动力领域的热点技术之一。针对超临界二氧化碳闭式布莱顿循环,详细介绍了工作原理、优势及国内外相关研究进展,总结了循环总体热力、超临界工质叶轮机、紧凑高效换热器、控制及储热等相关关键技术的研究现状,并对当前工程应用面临的问题和未来技术发展方向进行了分析和展望。分析表明,循环总体热力设计阶段应涵盖部件低维性能分析,以评估部件性能指标的可实现性,并综合考虑全寿命周期性能、紧凑性、经济性等指标。工质的剧烈物性变化导致叶轮机与换热器内部特殊流动与换热机理,需发展充分考虑工质特殊物性影响的叶轮机和紧凑换热器设计方法;通过理论分析和机器深度学习相结合构建不同工质叶轮机相似方法,可为超临界二氧化碳叶轮机气动性能试验验证提供理论基础。此外,鲁棒高效的控制策略可实现超临界二氧化碳闭式布莱顿循环有效可靠调控,而集成新型介质储热技术的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环系统将为高温光热发电提供关键技术支撑。

结合碳捕集的SOFC-sCO_(2)布雷顿循环集成系统性能分析

固体氧化物燃料电池是将化学能转化成电能的全固态能量转换装置,被认为是极具前景的绿色发电系统。本研究提出了结合碳捕集的固体氧化物燃料电池-超临界二氧化碳布雷顿循环集成系统,通过阳极尾气富氧燃烧实现低能耗碳捕集,并利用s CO_(2)再压缩布雷顿循环回收燃烧室余热提高系统效率。模拟结果显示,该集成系统在设计工况下的净发电效率为59.74%,二氧化碳捕集量为134.50 kg/h。此外,关键工作参数对系统性能的影响分析结果表明,合理的阳极尾气再循环比、燃料利用率和燃料流量是确保系统安全高效运行的必要前提。