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。

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。

高温高压和高速工况下SCO_(2)动压密封端面的热弹变形研究

在高参数工况下,超临界二氧化碳(以下简称SCO_(2))动压密封的端面容易发生热弹变形,从而影响动压密封性能,针对该问题,建立了SCO_(2)动压密封热流固耦合数值分析模型。在考虑了粘性耗散的基础上,求解了密封环温度场,采用CO_(2)真实物性数据求解了流体膜压力场,将温度场和流体膜压耦合到密封环上,求解了密封端面的热弹变形;对比研究了热变形和弹变形对热弹总变形的影响,分析了转速、压力和温度对密封端面热弹变形的影响规律,提出了减少热弹变形的方法。研究结果表明:SCO_(2)在动压密封高温下宜减小密封环的温差,以减小端面变形,高压下宜采用高弹性模量材料以减小端面变形,高转速下依靠动环热变形与弹性变形互相抑制关系以减小端面热弹总变形;密封环的端面最大轴向间隙与介质温度呈线性关系增大,与压力呈线性关系减小;转速则使其先减小,后增大。

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。

sCO_(2)太阳能热发电流化床固体颗粒/sCO_(2)换热器建模与仿真研究

为了研究不同运行工况条件下的换热特性,利用分段集总参数法搭建流化床固体颗粒/sCO_(2)换热器的仿真数学模型,并对换热系统在不同输入变量扰动下的动态特性及对关键参数的敏感性进行分析和研究。结果表明:换热系统输入侧入口温度的扰动对换热器输出温度的影响幅度较大,而输入侧质量流量的扰动对输出温度的影响较小;小管径和低管数有利于获得较高的sCO_(2)侧换热系数;同时,在符合最小流化条件下,小粒径和较低的流化气体速度有利于颗粒侧传热系数的提高。

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。

大容量sCO_(2)锅炉烟气侧与工质侧匹配策略

为解决压降效率惩罚问题,大容量超临界二氧化碳(supercritical CO_(2),sCO_(2))锅炉需采用模块化设计。由于sCO_(2)锅炉入口工质温度高、管内换热系数低,炉膛冷却壁极易超温,冷却壁安全性为锅炉设计的关键难点。锅炉中,烟气侧热负荷分布与sCO_(2)侧参数与管排结构具有各自的分布特点。对烟气侧与sCO_(2)侧进行适当的匹配可有效降低冷却壁壁温。该文以1000MW等级二次再热sCO_(2)锅炉为例,建立耦合热力学循环与锅炉模块流动传热的数值模型,分析不同布置方案下冷却壁壁温,提出降低大容量sCO_(2)锅炉冷却壁壁温的烟气侧与sCO_(2)侧匹配策略。结果表明,在烟气全温区范围内,遵循低温工质匹配高热负荷原则,冷却壁分成6个模块的方案可有效降低冷却壁壁温;在炉膛内,遵循高许用热负荷匹配高热负荷原则,调整冷却壁模块的布置,可进一步降低冷却壁壁温。该文提出的匹配策略显著降低了冷却壁壁温,可为模块化锅炉的设计与布置提供一定参考。

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.

超临界压力下CO_(2)在旋流通道内对流换热试验研究

将缠绕管式换热器代替目前普遍使用的印刷电路板式换热器(PCHE)用于超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环发电系统具有潜在前景,而SCO_(2)在变物性和旋流强化支撑体交互作用下的传热与流动试验研究仍十分匮乏。搭建了一套SCO_(2)闭式循环测试平台,对超临界压力下CO_(2)在受热竖直旋流通道(管外径6.35 mm、管内径4.57 mm、螺距50 mm、螺旋直径80 mm、总长度1000 mm)中的对流换热特性进行试验研究,并与直管进行对比。揭示旋流通道内SCO_(2)在变物性、浮升力、离心力耦合作用下的湍流传热特性,并基于1071个试验工况数据得出了新的传热准则式,为缠绕管式回热器热力设计方法奠定了基础。该研究进一步丰富和发展了SCO_(2)测试系统,对缠绕管式SCO_(2)换热器在核电以及光热发电中的应用及推广具有一定的工程应用价值。

超临界CO_(2)透平机主轴冷却装置静动态特性分析

以超临界二氧化碳(SCO2)透平机主轴冷却装置为研究对象,基于流体域圆柱曲面展开法建立了流体域压力分布的数学模型,推导出压力分布及承载力的函数表达式;采用CFD分析方法,针对进气压力、主轴转速、偏心率等不同条件下的流场压力、承载力、刚度进行了分析研究。研究结果表明:主轴低速对气膜压力影响极小,轴向压力以冷却装置轴向中心截面呈对称分布;相同偏心率下,承载力随进气压力的提高而增大;进气压力恒定条件下,气膜承载力随偏心率的增大逐渐增大;冷却装置刚度与偏心率呈非线性关系,随偏心率的增大,冷却装置刚度增大,到达极值点后开始减小,极值点出现在偏心率0.35位置。

碳封存中超临界CO_(2)注入泵的选用

作为控制二氧化碳排放的有效手段,碳捕集和封存技术的应用越来越广泛,其在石油天然气行业的应用已具有多年历史。泵设备的解决方案在碳捕集和封存工业链中扮演着重要角色,其中碳封存环节需要的CO_(2)高压注入泵作为一种特殊定制的工程泵,其在转子设计、材料选择、机械密封选用等方面不同于其他工况的。根据CO_(2)在超临界状态下的性质和高压离心泵的结构特点,分别从转子动力学设计、材料选用、机械密封及辅助系统、CO_(2)压缩及注入系统配置等方面,详细分析了离心式超临界CO_(2)注入泵选用的原则和要点,在注入泵的设计、制造和辅助系统配置等环节上,为碳封存项目中的超临界CO_(2)注入泵的选用提供有益参考。超临界CO_(2)注入泵作为碳封存中的核心设备,其合理选用亦有助于碳封存项目的应用和推广。

靠近临界点和液相区的高度可变流体性质的CO_(2)压气机设计

流体在靠近临界点的性质变化剧烈,使得运行于此区域的压气机设计流程更具复杂性。这一点在很多文献中得以体现,目前SCO_(2)设计也通常采用具备高精度热力模型的改进分析方法。基于循环特征和热源情况,在大部分的循环中压气机进口状态有着中到强程度不等的变化,该变化对压气机性能的影响不可忽视。压气机进口状态向饱和液态线移动时,介质的非线性特征可能更明显,目前对此的认识更少。本文同时采用了一维和三维数值模拟分析方法研究了流体靠近临界点以及进口状态移至饱和线液态侧的特殊特征。文章描述了CO_(2)在饱和液体区域的典型的流体动力学特征,包括发生堵塞流时的马赫数明显小于1,以及马赫数明显低于典型的音速下的类激波特征。随着压气机进气条件的变化,这些特性将显著影响压气机性能。同时本文也讨论了常见的湍流模型及两相流模型对SCO2压气机的适用性。

匹配高温氟盐堆的SCO_(2)系统冷端变工况运行特性研究

高温氟盐堆与超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环耦合的小型发电系统具有高效、紧凑和高固有安全性而被认为在小型核动力/核发电领域具有良好发展前景。本文针对高温氟盐堆与SCO_(2)布雷顿循环的耦合系统开展了系统优化设计与变工况运行特性研究。基于高温氟盐堆热端特征和冷端环境条件设计和对比了多种循环构型下的系统性能,发现对于2种反应堆循环回路系统,采用再压缩循环在循环热效率和紧凑性综合方面具有优势,在此基础上研究了冷端系统SCO_(2)布雷顿循环系统变工况运行特性,发现当主压缩入口温度改变时,采用定压比运行模式不仅循环效率高,且对冷端环境温度变化适应性范围也大。因此当环境温度变化时,布雷顿循环推荐采用定压比运行模式。

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。

回热型SCO_(2)布雷顿循环及压气机设计

为了解决船舶、飞行器等动力装置的持续供电问题,选定超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环作为动力来源。用Aspen plus软件对简单型、回热型和再压缩型SCO_(2)布雷顿循环进行分析,根据设计工况下循环的热效率和功率以及循环系统的重量,最终选择回热型SCO_(2)布雷顿循环作为动力装置的供电循环。对回热循环进行分析,分析结果表明:在回热循环中随着压气机、涡轮效率增大,循环的热效率和循环功率也增大。压气机出口压力对循环热效率的影响可以近似为线性,涡轮入口温度对循环热效率几乎没有影响。换热器温度对效率的影响大于压力对效率的影响并且换热器对循环功率几乎没有影响。在确定回热循环压气机工况参数后,利用Concepts NREC COMPAL软件和CFX软件分别对回热循环的压气机进行了一维设计和三维计算,设计出了等熵效率能够达到90.53%的单级离心压气机。

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。

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。

具有密封结构的超临界二氧化碳离心压缩机特性研究

为更全面了解超临界二氧化碳(SCO_(2))压缩机内部流场,针对150 kW级简单布雷顿循环的SCO_(2)离心压缩机,设计了盘腔和迷宫密封。采用数值求解三维RANS方程和k-ε湍流模型的方法,研究了考虑盘腔和密封结构的SCO_(2)离心压缩机的气动性能和轴向推力;采用有限元方法分析了考虑气动力和离心力综合作用下离心叶轮的应力和应变特性,同时计算了设计的迷宫密封的应变。结果表明:具有盘腔和密封结构的SCO_(2)离心压缩机在设计工况下气动效率为72.1%,压比为2.19;SCO_(2)离心压缩机的最大轴向推力为1635 kN;离心叶轮的表面等效应力最大值为109.95 MPa,满足设计材料304钢的强度需求;盘腔的泄漏流动会造成SCO_(2)离心压缩机气动效率的下降,但是在高流量工况下,盘腔泄漏可以缓解扩压器前缘的凝结现象。该研究可为具有盘腔和密封结构的SCO_(2)离心压缩机气动性能和强度特性分析以及密封结构设计提供参考。