超临界二氧化碳发电循环回热器及预冷器方案论证

回热器及预冷器是超临界二氧化碳布雷顿循环发电中核心换热部件,它们的高效性和经济性对于循环的应用意义重大,为了切实比较回热器及预冷器采用印刷电路板式换热器及管壳式换热器的差异,本文以某工程参数为基础,分别设计了两种换热器的工程方案,并对两种方案的传热性能及经济性进行比较分析。

SCO_(2)布雷顿循环及其在光热发电中的应用综述

由于化石能源的消耗以及环境的恶化,各国都开始寻找新型发电技术。SCO_(2)布雷顿循环身为新兴的技术,具有临界参数易达到、体积小、重量轻、循环效率高等优点。将布雷顿循环工质进行比较,得到SCO_(2)是最适合布雷顿循环的。之后将SCO_(2)布雷顿循环与朗肯循环进行比较,得到SCO_(2)布雷顿循环与光热发电相结合的效率更高。基于光热发电系统,对SCO_(2)布雷顿循环结构进行了分析比较,得到再压缩循环既简单又高效,适合光热发电系统。接着在光热发电系统中对布雷顿循环关键参数进行优化,从而使循环效率达到最佳。最后研究了SCO_(2)布雷顿循环的设备,包括向心透平、离心式压缩机和印刷电路板式换热器,其中印刷电路板式换热器作为一种新型换热器,因为它的紧凑高效性等特点常被用于SCO_(2)布雷顿循环。

超临界二氧化碳核能动力系统的兴起和发展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))核能动力系统以S-CO_(2)为工质,通过直接或间接循环将核释热转换为电能或机械能。本文总结了国际上S-CO_(2)核能动力系统的概念初创、研究重启、协同创新3个历史阶段近60年的发展历程,分析了S-CO_(2)核能动力系统在核反应堆设计、材料工艺、热工流体力学、换热器、涡轮发电系统、系统运行、控制及安全策略等方面的研究现状,并提出了S-CO_(2)核能动力系统在基础研究和工程攻关中面临的技术挑战和攻关方向。目前,以中美为代表的能源强国已初步完成S-CO_(2)动力转换系统的实验室级测试,预计可在5~10年内实现中等规模工程示范甚至规模化应用。S-CO_(2)核能动力系统基本具备了走向工程的前提条件,有望引领先进核能技术变革。

超临界二氧化碳燃煤发电系统热力性能分析

基于热力学第一、第二定律,针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩循环、再压缩再热循环、部分冷却循环、部分冷却再热循环燃煤发电系统,采用MATLAB软件分别进行参数计算与分析。随后分别讨论了分流系数,主压缩机出口、入口压力对系统循环效率、各设备及系统[火用]效率的影响,并对4种循环系统进行了对比分析。结果表明:不同循环布局下或同一循环布局,不同运行参数下,循环效率随相同参数的变化规律不同;分流系数存在使循环效率、[火用]效率达到最高的最优值,主压缩机出口、入口压力与分流系数对循环效率的影响存在耦合关系;对于不同参数变化,系统[火用]效率主要受不同设备?效率的影响;再热可提高系统循环效率和[火用]效率,有部分冷却的循环对参数变化敏感度相对较低。

金属材料在超临界二氧化碳环境内腐蚀行为研究进展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环发电技术因其自身的技术优势成为热力发电领域一项具有划时代意义的重大变革性前沿技术,由于十分苛刻的工作环境,S-CO_(2)易造成设备材料腐蚀。为确保S-CO_(2)系统安全有效地运行,首先介绍了S-CO_(2)布雷顿循环系统工质运行参数范围以及系统关键设备候选材料,其次综述了目前有关金属材料在S-CO_(2)环境中的腐蚀行为研究现状,然后详细阐述了S-CO_(2)环境下的腐蚀机理,归纳了温度、压力、杂质、流速以及材料成分对S-CO_(2)腐蚀过程的影响,同时介绍了S-CO_(2)腐蚀防控技术的研究进展,最后进行了总结并指出了现有研究的不足及未来研究的主要方向,为我国S-CO_(2)循环系统的安全运行提供科学依据。

超临界CO_(2)布雷顿循环余热回收系统性能分析与优化

为了经济高效地回收超临界CO_(2)布雷顿循环(SCBC)的余热,分别采用卡琳娜循环(KC)和有机朗肯循环(ORC)作为底循环,设计了SCBC/KC及SCBC/ORC这2种系统方案.对2种方案系统进行参数分析并利用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对联合循环系统进行多目标优化计算,将优化结果与SCBC系统性能进行比较,突出联合循环系统的性能优势.参数分析结果表明:2种联合循环系统热力性能均存在最佳压比;升高底循环膨胀比有助于提升系统热力性能;提高底循环涡轮机进口温度有助于改善系统[火用]经济性能.对比结果表明:优化后的SCBC/KC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高了9.27%和8.69%,[火用]经济成本仅升高了0.92%;SCBC/ORC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高10.73%和10.08%,?经济成本升高了1.87%.通过比较分析可知,SCBC/KC系统更经济,而SCBC/ORC系统更节能.

船载GT-sCO_(2)双布雷顿联合循环经济分析与多目标优化

为了进一步提高船载动力系统中燃气轮机的效率且降低能源消耗与经济成本,本文对由燃气轮机循环与超临界二氧化碳循环组成的双布雷顿联合循环系统GT-sCO_(2)进行了热力性能与经济性能的分析与优化。对拟建系统进行了[火用]经济分析,选取6个决策变量并研究参数对[火用]效率和单位电力成本两个目标函数的影响。采用基于非支配排序遗传算法的多目标优化方法,对联合循环进行优化以获得最优的系统参数。结果表明,在设计工况下,相对于单一的燃气轮机循环,GT-sCO_(2)联合循环净功率增加了29.44%,[火用]效率提高了29.21%,单位电力成本降低了6.2%,联合循环从热力性能和经济性能上都具有明显优势。联合循环各部件的[火用]损失之和约占总输入[火用]的31.66%,[火用]损失成本占总成本的69.85%,需要优化关键部件的热力参数以提高循环的[火用]经济性。通过控制变量进行的参数研究结果表明,系统[火用]效率及单位电力成本具有不同决策变量的最优值。多目标优化获得联合系统最佳的[火用]效率为48.44%,最佳的单位电力成本为0.292 6元/(kW·h),循环的净输出功率为42 804 kW。本文从热力性和经济性的角度为船舶燃气轮机循环及其余热回收循环的联合性能研究提供参考。

1000MW超临界二氧化碳动力循环燃煤发电机组变工况特性研究

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))燃煤发电技术被视为可替代蒸汽朗肯循环的新型发电技术。该文针对1000MW的32MPa/620℃S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组,进行S-CO_(2)锅炉创新构型设计,可实现锅炉效率94.6%,发电标准煤耗245.6g/(kW·h)。为更好的研究机组变工况下的运行性能,基于Aspen Plus平台,建立1000MW级S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组变工况模型。结果表明:在变负荷过程中,低压透平的工质体积流量受影响较大;机组的全厂热效率会随着负荷的降低而降低;主工质温度和和再热工质温度偏差是影响机组热经济性的主要原因。研究结果对未来建设S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组具有指导意义。

低温热阱环境下超临界二氧化碳动力循环概念设计研究

针对低温热阱应用环境下的核能动力转换系统,在简单回热循环和再压缩循环的基础上进行了冷端优化设计研究,根据循环冷端工质压缩状态的不同,提出了3种冷端优化方式。研究建立了热力学分析程序,并验证了热力学分析程序的准确性。使用程序针对100 MW规模发电机组分别对透平入口温度为550℃的中高温反应堆热源和温度为315℃的中低温反应堆热源进行了计算分析。研究发现,冷端优化后的超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环系统运行压力降低,循环效率提高了2%~4%。S-CO_(2)动力循环冷端优化构型在具有低温热阱的核能动力转换应用中具有较好的应用前景。

S-CO_(2)与组分调控双压蒸发ORC系统联合研究

超临界二氧化碳(S-CO_(2))是一种先进发电动力循环,为进一步回收利用其膨胀机释放的余热,文中将组分调控双压蒸发非共沸有机朗肯循环(ORC)作为底循环,与S-CO_(2)发电循环共同构建新型联合系统,利用模拟仿真的方法,探讨新型联合系统性能优势。结果表明:ORC双压蒸发技术可以深度利用膨胀机释放的余热,使得传统双压蒸发联合系统的净输出功比回热S-CO_(2)循环高9.61%—10.23%,而组分调控双压蒸发联合系统的净输出功比回热S-CO_(2)循环高9.95%—10.35%,组分调控双压蒸发联合系统的净输出功略高于传统双压蒸发联合系统,研究结果表明新型联合系统在能源利用方面比简单的回热S-CO_(2)发电循环更具有优势。

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)布雷顿循环燃煤发电研究进展

介绍了典型的超临界二氧化碳布雷顿循环系统布局,重点论述了超临界二氧化碳燃煤动力锅炉设计、再压缩超临界二氧化碳循环燃煤发电系统优化和系统经济性分析,对超临界二氧化碳燃煤动力系统的发展前景与挑战提出了建议。

超临界二氧化碳动力循环余热利用方案优化研究

针对燃气轮机余热利用问题,以有回热的超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力循环为基础,引入中间冷却、中间再热和分流再压缩技术,建立6种循环方案。分别以S-CO_(2)动力循环的循环效率最高和循环净输出功最大为优化目标,采用遗传算法对各方案的参数进行优化,并对每个方案的优化结果进行经济性比较。结果表明:以循环效率最高为优化目标时,引入一次中间冷却、一次中间再热和一次分流再压缩都能不同程度提高循环效率,其中引入一次分流再压缩和一次中间再热的方案6循环效率最高,达到43.29%;以循环净输出功最大为优化目标时,引入一次中间冷却可以增大输出功,引入一次中间再热会减小S-CO_(2)动力循环净输出功,而一次分流再压缩退化为无分流方案,其中引入一次中间冷却的方案2净输出功最大,为82620.02 kW;6个方案的经济性均在以S-CO_(2)动力循环净输出功最大为优化目标时更具优势,原因在于这种情况下对燃气轮机排烟的余热利用效率更高,其中方案2运行20年收益最大,为50.65亿元。

超临界二氧化碳再压缩循环发电系统安全控制试验研究

为了获得超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide power,S-CO_(2))再压缩发电系统运行特性和安全保护规律,该文对一个基于膨胀–发电–压缩一体化高速发电机组的300kW超临界二氧化碳再压缩循环发电系统开展了安全保护控制的试验研究。结果表明,通过对高低压侧联通阀开度的控制、0~10%的小流量范围内水流量的精确调节可实现两台并联压缩机的安全稳定运行。启动过程中机组推力随着系统压力的提高快速升高,引起机组安全运行风险;通过调节叶片背腔压力,降低转速、旁通阀开度和压缩机入口温度可以实现推力水平的有效控制。紧急停车过程中,控制主压缩机入口压力的升高幅度是控制机组推力升高幅度的关键。试验结果表明,所提出的安全保护策略的有效性,对于再压缩循环系统的安全保护策略设计具有参考意义。

超临界二氧化碳增压流化床燃煤发电系统方案及特性研究

增压流化床炉(pressurized fluidized bed combustion boiler,PFBCB)超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环燃煤发电系统具备实现发电系统整体小型化与提高发电效率的潜力。围绕S-CO_(2)循环应用于燃煤发电领域面临的烟气热能全温区吸收这一共性问题,该文基于再热再压缩循环(Recompression cycle with reheating,RC+RH)提出两类耦合增压流化床炉的S-CO_(2)燃煤发电系统,可分别称为PFBCB-(RC+RH+RC)和PFBCB-(RC+RH),同时提出应用空气压缩机燃气轮机(air compressor-gas turbine,AC-GT)系统替代常压锅炉空气预热器系统的方案。根据计算可知,方案PFBCB-(RC+RH+RC)的效率低于PFBCB-(RC+RH),因为后者取消了RC底循环,因此系统布置更为简单,效率更高。但方案PFBCB-(RC+RH+RC)的炉内压力可维持在1~2MPa,而方案PFBCB-(RC+RH)炉内压力可达2.8~4.5MPa,故从锅炉侧看,前者更容易实施。此外,PFBCB-(RC+RH)系统可通过高压运行AC-GT,实现热能的回收,可有效解决余热问题。当主气温度处于620℃/30MPa时,该系统的发电效率为47.97%,当主气温度处于700℃/35MPa时,系统的发电效率为51.15%,体现出明显的效率优势。

太阳能光热发电技术前景展望

全球气候变化和能源危机让国际社会对传统能源的担忧与日俱增,进而寻求新的能源供应成为国际社会的共同目标,太阳能光热发电技术越发受到青睐。与传统能源相比,光热发电技术清洁无污染、易于并网且调峰灵活,是未来支撑高比例新能源电源并网的关键技术。文章系统梳理了国内外光热发电技术的发展概况,从技术层面总结了光热发电的技术更新和发展历程;另外,根据光热发电的原理,对比了不同光热发电类型的特点,普遍认为槽式光热发电技术更为成熟,而塔式光热发电技术则更具发展潜力;最后,对光热发电技术未来的发展方向,包括基于超临界二氧化碳布雷顿循环的光热发电技术及传热、吸热介质的开发和制备进行了展望。

超临界二氧化碳布雷顿循环在发电机组中的应用和关键热端部件选材分析

对超临界二氧化碳布雷顿循环的技术特征进行了综述分析,评述超临界二氧化碳布雷顿循环在火电、核电和燃气等发电机组中的研发和应用现状;阐述以超临界二氧化碳作为循环介质时,发电机组关键高温部件对选材的要求;着重介绍几种典型铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢和镍基高温合金在高温高压超临界二氧化碳气氛中的腐蚀行为和高温力学性能;展望电站超临界二氧化碳布雷顿技术中关键高温材料的发展方向。

船舶余热利用sCO_2布雷顿循环发电技术综述

在船舶动力系统能量转换和利用过程中,实现烟气余热的最大效率回收是降低船舶能效设计指数(EEDI)的有效途径。超临界二氧化碳(sCO_2)发电系统在船舶余热循环利用方面所具有的技术优势已引起全球船舶行业的高度关注,而如何将其与船舶动力系统有机集成并实现高效、稳定联合循环运行发电,正是当前制约该新型技术实船应用的瓶颈。概述了sCO_2布雷顿循环发电的基本原理、典型技术特点及循环结构,分析了国内外研究机构针对sCO_2发电系统在船舶余热循环利用方面的研究现状,探讨了现阶段面向船舶主机余热发电工程化应用所存在的关键技术问题,从而为推进sCO_2布雷顿循环发电技术在船舶烟气余热回收利用领域的基础理论研究和工程方案设计提供理论参考。

燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO2)布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。作为新型动力循环工质的sCO2具有温和的临界点条件(31.1℃/7.38 MPa),同时在临界点附近物性变化剧烈。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为实现煤炭的清洁高效低碳利用提供了新的思路。笔者分析了sCO2工质的性质,介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO2布雷顿循环的基本原理,总结了sCO2动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径:①间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合;②发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。分析了sCO2动力循环与燃煤电站结合的多种技术方案,讨论不同方案的优势、技术挑战与发展方向。在此基础上,重点阐述了sCO2作为工质在常规管径圆管、细管道圆管、微细管道圆管及印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)中的传热试验研究和传热特性,总结了sCO2工质在圆管内和PCHE内流动传热经验关联式并进行分析比较,同时介绍了sCO2工质流动传热的数值模拟研究。最后,从基础理论、系统设计、设备研发层面指出了现有研究的不足和对未来研究的展望。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,目前我国关于sCO2循环发电技术的研究与国外仍存在相当差距,应依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站的技术积累,快速推动燃煤sCO2循环发电技术的研发进展。

超临界二氧化碳600 MW燃煤发电系统热力学性能仿真研究

本文采用Ebsilon软件对超临界二氧化碳布雷顿循环600 MW燃煤发电系统进行仿真研究,分析该系统主压缩机入口/出口压力、再热透平入口压力、压缩分流系数以及主/再热气温对其热力学性能的影响。研究结果表明:系统发电功率和循环效率随主/再热气温的提升而升高;主压缩机入口和出口压力存在最佳值;系统循环效率受压缩分流系数的影响较大,压缩机的总耗功量随压缩分流系数的升高而增大,导致系统发电功率降低;再热透平入口压力对系统循环效率影响较小。通过遗传算法对发电系统多参数进行优化可得,当主压缩机入口及出口压力分别为7.94、30.94 MPa,再热透平入口压力和压缩分流系数分别为17.88 MPa和0.30时,系统循环效率最高可达48.89%。