超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析
ZHAO Decai1,2, QIN Zheng1,2, LIU Huimin1,2
(1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201203, China; 2. Shanghai MicroPowers Co., Ltd., Shanghai 201203, China)
2018 年第 6 期 （总第 153 期）
201热力循环分析
赵德材 1，2，秦 政 1，2，刘惠民 1，2
（1. 上海船用柴油机研究所，上海 201203；2. 上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203）
摘 要： 首先介绍了超临界二氧化碳 （S-CO2） 布雷顿简单回热循环系统，在此基础上引入了系统效率更高的S-CO2布 雷顿再压缩循环系统。针对S-CO2布雷顿再压缩循环系统，在相关假设条件的基础上，建立了S-CO2布雷顿再压缩循环热 力计算模型，并给出了进行热力参数分析时系统主要设备性能参数及状态点工况参数，然后详细研究了S-CO2布雷顿再 压缩循环系统初始状态参数、循环最高参数、叶轮机械效率及回热度、换热器设备压降、分流系数等参数对系统效率的
0 引言
超临界 CO2 （S-CO2） 布雷顿循环发电技术作为近 年来快速发展的一项前沿技术，得到了国内外学者的 广泛研究。相较于传统的蒸汽朗肯循环发电系统，在 同样的透平入口工质温度条件下，S-CO2 布雷顿发电系 统具有更高的循环效率[1]；采用 S-CO2 作为闭式循环工 质，由于 S-CO2 密度大、传热性能优异，可在保证循 环效率的同时大幅提高发电系统的能量密度[2]；闭式循 环可减小对环境的影响、水源的需求；可采用化石燃 料、核能、光热、余热等多种热源形式，因此 S-CO2 布雷顿循环系统具有十分重要的战略意义。采用再压 缩布置的 S-CO2 布雷顿循环与采用简单回热布置的布 雷顿循环相比，可明显提高系统效率，
超临界二氧化碳布雷顿循环冷源扰动控制研究
网络首发地址：https:///kcms/detail/42.1755.TJ.20230407.1630.001.html期刊网址：引用格式：孙玉伟, 刘阜林, 危卫, 等. 超临界二氧化碳布雷顿循环冷源扰动控制研究[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5): 234–243.SUN Y W, LIU F L, WEI W, et al. Study on supercritical carbon dioxide Brayton cycle cooling source disturbance con-trol[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(5): 234–243.超临界二氧化碳布雷顿循环冷源扰动控制研究扫码阅读全文孙玉伟1,2，刘阜林1,2，危卫3，袁成清*2,3，宋振国41 武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 4300632 武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 4300633 武汉理工大学 交通与物流工程学院，湖北 武汉 4300634 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064摘 要:［目的］旨在应对超临界二氧化碳（S-CO 2）布雷顿循环发电系统外界条件扰动对运行参数可能造成的影响，保证系统高效、安全稳定地运行。
［方法］基于Matlab/Simulink 平台搭建简单S-CO 2布雷顿循环发电系统动态数值仿真模型，并进行系统瞬态运行特性分析；模拟冷却器参数发生变化时热力循环系统运行参数的变化规律，分析冷源温度波动对系统各部件进出口参数和系统循环效率的影响以及调节手段。
［结果］结果显示，由搭建的系统瞬态仿真模型所得结果与实验结果间的最大误差为3.658%；冷却水温度升高2 K 会导致压缩机入口温度升高1.4 K ，系统需300 s 恢复稳定；增加PID 控制系统后，压缩机入口温度变化幅值降低50%，系统稳定时间减少62%。
超临界ＣＯ２_再热再压缩布雷顿循环火力发电系统火用分析
收稿日期:２０２２－１２－３０ꎮ作者简介:刘国浩(１９９５ )ꎬ男ꎬ硕士生ꎬ研究方向为火电厂热力系统节能优化ꎮ㊀∗通信作者:余廷芳(１９７４ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为洁净煤燃烧技术ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕｔｉｎｇｆａｎｇ＠ｎｃｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ刘国浩ꎬ余廷芳.超临界ＣＯ２再热再压缩布雷顿循环火力发电系统火用分析[Ｊ].南昌大学学报(工科版)ꎬ２０２３ꎬ４５(４):３８５－３９１.ＬＩＵＧＨꎬＹＵＴＦ.Ｅｘｅｒｇｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆｏｓｓｉｌ－ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)ꎬ２０２３ꎬ４５(４):３８５－３９１.超临界ＣＯ２再热再压缩布雷顿循环火力发电系统分析刘国浩ꎬ余廷芳∗(南昌大学先进制造学院ꎬ江西南昌３３００３１)㊀㊀摘要:建立了超临界ＣＯ２一次再热再压缩布雷顿循环火力发电系统模型ꎬ深入分析了各关键参数对系统性能的影响ꎬ研究了分流比对换热器夹点的影响规律ꎬ得到了对应的最佳分流比ꎬ同时分析了各部件火用损率的大小ꎮ结果表明:随着再热压力的升高ꎬ系统火用效率先上升后下降ꎬ存在最佳再热压力ꎻ对整个发电系统ꎬ锅炉是火用损最大的设备ꎬ而对热力循环ꎬ回热换热器是火用损影响最大的环节ꎻ由于分流的存在ꎬ系统火用效率受主压缩机出口压力和入口温度的影响并非单调变化ꎻ分流比的选取应综合考虑其对高温回热器和低温回热器回热度的影响ꎬ以使整体系统达到最优ꎮ关键词:超临界ＣＯ２ꎻ布雷顿循环ꎻ再热循环ꎻ分流比ꎻ火用效率中图分类号:ＴＫ１２２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６－０４５６(２０２３)０４－０３８５－０７Ｅｘｅｒｇｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆｏｓｓｉｌ￣ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅＬＩＵＧｕｏｈａｏꎬＹＵＴｉｎｇｆａｎｇ∗(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００３１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｆｏｓｓｉｌ￣ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｐｉｎｃｈｐｏｉｎｔｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒａｎｄｔｈｅｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓｒａｔｅｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄꎬｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔꎬａｓｒｅ￣ｈｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｎｔｕｐｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｗｅｎｔｄｏｗｎꎬｉｎｄｉｃａｔｉｎｇａｎｏｐｔｉｍａｌｒｅｈｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｂｏｉｌｅｒｉｓｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓꎬｗｈｉｌｅｆｏｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｅꎬｔｈｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓｔｈｅｌｉｎｋｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓ.Ｄｕｅｔｏｔｈｅｓｈｕｎｔꎬｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｎｏｔｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｅｘｉｔｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｌｉｔｒａｔｉｏ.ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ꎻＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅꎻｒｅｈｅａｔｃｙｃｌｅꎻｓｐｌｉｔｒａｔｉｏꎻｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ㊀㊀能源问题是当前世界关注的焦点问题ꎬ超临界ＣＯ２(ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅꎬＳＣＯ２)布雷顿循环因其诸多优点ꎬ具有巨大的发展前景[１]ꎬ在太阳能发电[２]㊁核能发电[３]㊁余热发电[４]等领域受到国内外学者的广泛关注ꎮＳＣＯ２布雷顿循环由Ｓｕｌｚｅｒ在２０世纪４０年代最先提出ꎬ２０世纪６０年代Ａｎｇｅｌｉｎｏ[５]和Ｆｅｈｅｒ[６]开始关于ＳＣＯ２发电技术的研究ꎮ直到２００４年Ｄｏｓｔａｌ[７]提出再压缩布雷顿循环ꎬ并且与传统的朗肯循环相比ꎬＳＣＯ２布雷顿循环不仅能在较低的涡轮进口温度(５５０ħ)下达到较高的热效率(４５.３％)ꎬ而且具有体积小ꎬ结构紧凑ꎬ可以降低发电厂的成本等优势ꎬＳＣＯ２发电技术才被学者所重视ꎮ目前ꎬ在简单布雷顿循环的基础上ꎬＳＣＯ２循环已经演变出４２种独立循环模式和３８种联合循环模式[８]ꎬ其中代表性的有:１)日本东京工业大学提出的用于气冷快堆和热反应堆的部分冷却循环ꎬ可以减少热量的损失ꎬ在６５０ħ的中等温度条件下达到较高的热效率[９]ꎻ第４５卷第４期２０２３年１２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀南昌大学学报(工科版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ｖｏｌ.４５Ｎｏ.４Ｄｅｃ.２０２３㊀２)美国爱达荷国家实验室和麻省理工学院联合开发的用于铅 铋合金冷却反应堆的ＳＣＯ２循环ꎬ增加了中间换热器ꎬ有利于热量交换[１０]ꎮ郑开云对ＳＣＯ２循环的冷端温度进行优化[１１]ꎬ同时研究发现ꎬ相比于再压缩循环ꎬ部分冷却循环与锅炉集成时能有效解决工质进入锅炉温度高ꎬ吸热温度区间窄ꎬ流量大的问题[１２]ꎮ周昊等[１３]建立了ＳＣＯ２布雷顿再压缩循环塔式太阳能光热系统ꎬ并对影响系统性能的关键参数进行优化ꎮ张一帆等[１４]利用Ｆｏｒｔｒａｎ语言建立ＳＣＯ２布雷顿循环火力发电系统的计算模型ꎬ并对影响系统性能的关键参数进行了分析ꎮ可以看出ꎬ国内外对ＳＣＯ２布雷顿循环的研究主要集中在对再压缩布雷顿循环的热力分析ꎬ对含有再热的布雷顿循环研究较少ꎮ而与无再热的布雷顿循环相比ꎬ有再热的布雷顿循环的热效率普遍高出１~２个百分点ꎬ再热温度升高可提高循环效率ꎬ但再热温度的提高受到透平和入口管材料的限制ꎬ通常会选择高压透平的入口温度为再热温度[１５]ꎮ此外ꎬ以往学者的研究大多是针对太阳能㊁核能㊁余热利用等领域ꎬ而对火电系统的ＳＣＯ２布雷顿循环研究鲜有报道ꎮ㊀㊀火用分析方法以热力学第二定律为分析基础ꎬ相比于热效率分析法ꎬ能更全面揭示能量损失的环节及其损失的原因ꎬ为提高能量利用率指明方向ꎮ因而本文建立了ＳＣＯ２一次再热再压缩布雷顿循环火力发电系统性能计算及火用分析模型ꎬ深入分析了系统的火用损分布及各关键参数对循环性能的影响ꎬ指出了系统的火用损关键环节ꎬ为系统的参数优化及性能改进提供参考ꎮ１㊀ＳＣＯ２一次再热再压缩布雷顿循环㊀㊀ＳＣＯ２一次再热再压缩布雷顿循环示意图如图１所示ꎮ循环流程主要为:从低温回热器(ｌｏｗｔｅｍ￣ｐｅｒｕｔｕｒｅｒｅｈｅａｔｅｒꎬＬＴＲ)中定压放热(１０ң１１)出来的工质进行分流ꎬ一部分工质直接进入再压缩机压缩(１１ң１２)ꎬ另一部分工质经过预冷器冷却(１１ң１)ꎬ状态参数略高于临界状态(３１.１ħꎬ７.３８ＭＰａ)ꎬ然后进入主压缩机进行压缩(１ң２)ꎬ后进入低温回热器吸热(２ң３)ꎬ再与直接被再压缩机压缩的工质混合进入到高温回热器(ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒｕｔｕｒｅｒｅｈｅａｔｅｒꎬＨＴＲ)中加热(４ң５)ꎬ之后工质在锅炉中吸热(５ң６)ꎬ一次工质进入到高压膨胀机中做功(６ң７)ꎬ做功完成的二次工质再次进入到锅炉中进行加热(７ң８)温度升高到高压膨胀机的进口温度ꎬ随后进入低压透平中做功(８ң９)并带动发电机工作ꎬ做功完成的乏汽回到高温回热器中放热(９ң１０)ꎬ再进入低温回热器中进行热交换(１０ң１１)ꎬ最终完成闭式布雷顿循环ꎮ２㊀数学模型２.１㊀模型的建立为了简化热力学计算模型ꎬ作如下假设:１)系统处于稳定流动状态ꎻ２)循环过程不考虑压降ꎻ３)忽略工质的动能和位能ꎻ４)系统各部件绝热ꎮ循环的数学模型如式(１)~式(１５)所示ꎮ锅炉高温回热器低温回热器发电机低压透平高压透平再压缩机主压缩机预冷器876121025439111图１㊀超临界二氧化碳一次再热再压缩布雷顿循环Ｆｉｇ.１㊀ＳｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅ６８３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀㊀㊀吸热量Ｑ＝ｑｍ[(ｈ６－ｈ５)＋(ｈ８－ｈ７)](１)㊀㊀输入火用Ｅｉｎ＝Ｑ/ηｒ(２)㊀㊀透平输出功Ｗｔ＝ｑｍ[(ｈ６－ｈ７)＋(ｈ８－ｈ９)](３)㊀㊀主压缩机耗功Ｗｃ１＝ｘｑｍ(ｈ２－ｈ１)[](４)㊀㊀再压缩机耗功Ｗｃ２＝(１－ｘ)ｑｍ(ｈ１２－ｈ１１)[](５)㊀㊀各状态点的火用ｅｉ＝(ｈｉ－ｈ０)－Ｔ０(ｓｉ－ｓ０)(６)㊀㊀锅炉火用损率Ｉｒ＝{ｑｍ[(ｅ５－ｅ６)＋(ｅ７－ｅ８)]＋Ｅｉｎ}/Ｅｉｎ(７)㊀㊀透平火用损率Ｉｔ＝{ｑｍ[(ｅ６－ｅ７)＋(ｅ８－ｅ９)]－Ｗｔ}/Ｅｉｎ(８)㊀㊀高温回热器火用损率ＩＨＴＲ＝ｑｍ[(ｅ９－ｅ１０)－(ｅ５－ｅ４)]/Ｅｉｎ(９)㊀㊀低温回热器火用损率ＩＬＴＲ＝{ｑｍ[(ｅ１０－ｅ１１)－ｘｑｍ(ｅ３－ｅ２)]}/Ｅｉｎ(１０)㊀㊀主压缩机火用损率Ｉｃ１＝[Ｗｃ１－ｘｑｍ(ｅ２－ｅ１)]/Ｅｉｎ(１１)㊀㊀再压缩机火用损率Ｉｃ２＝[Ｗｃ２－(１－ｘ)ｑｍ(ｅ１２－ｅ１１)]/Ｅｉｎ(１２)㊀㊀预冷器火用损率Ｉｐ＝[ｘｑｍ(ｅ１１－ｅ１)]/Ｅｉｎ(１３)㊀㊀发电机火用损率Ｉｅ＝(Ｗｔ－Ｗｃ１－Ｗｃ２)(１－ηｅ)/Ｅｉｎ(１４)㊀㊀系统火用效率η＝(Ｗｔ－Ｗｃ１－Ｗｃ２)ηｅ/Ｅｉｎ(１５)式(１)~式(１５)中:ｑｍ为工质的质量流量ꎬ单位为ｋｇ ｓ－１ꎻｘ为分流比ꎬ流经主压缩机的质量流量与总质量流量的比值ꎻＱ为热量ꎬ单位为ｋＪ ｓ－１ꎻＥｉｎ为系统输入火用ꎬ单位为ｋＪ ｓ－１ꎻｈ为比焓ꎬ单位为ｋＪ ｋｇ－１ꎻｓ为比熵ꎬ单位为ｋＪ (ｋｇ Ｋ)－１ꎻｅ为比火用ꎬ单位为ｋＪ ｋｇ－１ꎻＴ０为环境温度ꎬ单位为Ｋꎻｈ０和ｓ０为环境的比焓和比熵ꎻη为效率ꎻＩ为火用损率ꎻＷ为功率ꎬ单位为ｋＷꎮ下角标ꎬｉ表示各状态点ꎬｔ表示透平ｃ１表示主压缩机ꎬｃ２表示再压缩机ꎬｒ表示锅炉ꎬｐ表示预冷器ꎬｅ表示发电机ꎬＨＴＲ表示高温回热器ꎬＬＴＲ表示低温回热器ꎮＳＣＯ２各点的状态参数利用ＭＡＴＬＡＢ调用ＲＥＦＰＲＯＰ数据库获得ꎮ２.２㊀计算模型的验证为了验证计算模型ꎬ选用文献[１６]中再热模型的实验数据进行验证ꎮ参照文献中系统部件的参数设置ꎬ将压缩机和透平的效率设为０.９２和０.９４ꎬ发电机效率设为０.９５ꎬ质量流量设为１３９５ｋｇ ｓ－１ꎬ分流比设为０.７３ꎬ夹点温差设为５ħꎮ计算结果与文献[１６]中的实验数据对比如表１和表２所示ꎮ表１㊀计算结果与实验数据对比Ｔａｂ.１㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ状态点压力/ＭＰａ温度/ħ实验值模拟值实验值模拟值相对误差/％１７.６２１７.６２１３２.８０３２.８００２２０.００２０.００８４.３０８４.７１０.４９３１９.９６１９.９６１６６.８０１６６.８００４１９.９６１９.９６１７０.９０１７０.９００５１９.９４１９.９４３２０.４０３２０.７４０.１１６１９.９０１９.９０３９９.４０３９９.４００７１２.４３５１２.４３５３４５.６０３４５.５５－０.０１８１２.３６１１２.３６１４１５.１０４１５.１００９７.７３２７.７３２３６１.９０３６２.０６０.０４１０７.６８７７.６８７１８７.９０１８７.６８－０.１２１１７.６２４７.６２４８９.４０８９.７１０.３５１２１９.９６１９.９６１８２.５０１８２.６３０.０７表２㊀设备功率与实验数据对比Ｔａｂ.２㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｐｏｗｅｒａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ参数文献数据模拟值相对误差/％透平功率/ＭＷ１５０.００１５０.８６０.５７ＨＴＲ功率/ＭＷ２７４.３０２７５.１２０.３０ＬＴＲ功率/ＭＷ１６５.３０１６４.３９－０.５５主压缩机功率/ＭＷ２９.００２８.２０－２.７６再压缩机功率/ＭＷ２５.１０２４.２４－３.４３预冷器功率/ＭＷ１５０.７０１５０.９５０.１６吸热功率/ＭＷ２５０.００２４９.５８－０.１７发电机功率/ＭＷ９０.６０９３.５１３.２１系统效率/％３６.２０３７.４７３.５１３㊀计算结果及分析３.１㊀系统设计参数系统对应的主要基准参数如表３所示ꎮ３.２㊀分流比对火用效率的影响采用分流再压缩ꎬ一方面可以减少进入预冷器工质的质量流量ꎬ减少放热量ꎬ另一方面可平衡低温回热器两侧的温升ꎬ提高低温回热器的回热度ꎬ故分流比是影响循环性能的关键参数ꎮ图２是分流比对系统火用效率的影响ꎬ随着分流比的增大火用效率先增７８３ 第４期㊀㊀㊀㊀㊀刘国浩等:超临界ＣＯ２再热再压缩布雷顿循环火力发电系统分析表３㊀系统主要基准参数Ｔａｂ.３㊀Ｍａｊｏｒｓｙｓｔｅｍｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ参数取值环境温度/ħ２５环境压力/ＭＰａ０.１夹点温差/ħ８高压透平进口温度/ħ６００高压透平进口压力/ＭＰａ２０再热温度/ħ６００再热压力/ＭＰａ１２.３主压缩机进口温度/ħ３２主压缩机进口压力/ＭＰａ７.６透平和压缩机定熵效率０.９锅炉效率０.９发电机效率０.９８4642383430η/%0.90.80.70.60.50.40.3 1.0P 6=20MPa P 6=23MPa P 6=25MPa P 6=28MPaｘ图２㊀分流比对火用效率的影响Ｆｉｇ.２㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｈｕｎｔｒａｔｉｏｏｎｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ加后减少ꎬ存在一个最佳分流比ꎬ此时循环的火用效率达到最大值ꎮ这是因为回热器的回热度对循环的火用效率影响较大ꎬ当分流比取最佳值时ꎬ回热器的回热度α最高ꎮ回热度α的计算式如下:α＝Ｔｈｉｎ－ＴｈｏｕｔＴｈｉｎ－Ｔｃｉｎ(１６)式中:Ｔｈｉｎ为回热器高温侧入口温度ꎬ单位为ＫꎻＴｈｏｕｔ为回热器高温侧出口温度ꎬ单位为ＫꎻＴｃｉｎ为回热器低温侧入口温度ꎬ单位为Ｋꎮ以图２中透平入口压力Ｐ６＝２０ＭＰａ为例ꎬ回热器的回热度随分流比的变化如表４所示ꎮ从表４的数据可以看出ꎬ当分流比小于０.５９９时ꎬ随着分流比的增大高温回热器和低温回热的回热度都增加ꎬ因此循环的火用效率增加ꎮ当分流比大于０.５９９时ꎬ随着分流比的增加ꎬ低温回热器的回热度(αＬＴＲ)从０.９２５增加到０.９５５ꎬ增幅为３.２４％ꎮ高温回热器的回热度(αＨＴＲ)从０.９７６减少至０.７８５ꎬ减幅为１９.５７％ꎮ高温回热器回热度的减幅大于低温回热器回热度的增幅ꎬ因此系统的火用效率下降ꎮ分流比０.５９９为该组工况下的最佳分流比ꎮ表４㊀不同分流比下回热器的回热度及火用效率Ｔａｂ.４㊀ＲｅｃｕｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｕｎｔｒａｔｉｏｓｘαＨＴＲαＬＴＲη/％０.３２３０.９６３０.４５５３２.８４０.４１５０.９７４０.６３６４０.６３０.５９９０.９７６０.９２５４４.５８０.６９１０.９３１０.９３５４２.１６０.９９００.７８５０.９５５３６.４９㊀㊀以往的有关研究[３ꎬ１７－１８]认为低温回热器的内部出现夹点会使其回热度降低ꎬ影响循环性能ꎬ因此相关学者的研究都是基于夹点位于低温回热器高温侧的出口进行的ꎮ图３(Ｐ６＝２０ＭＰａ)为低温回热器的夹点位置随分流比的变化情况ꎬ图中ＴＪ表示夹点ꎮ回热器的夹点先位于低温回热器高温侧的进口ꎬ当分流比为０.５９９~０.６２２之间时ꎬ夹点位于低温回热器的内部ꎬ最后夹点位于低温回热高温侧的出口ꎮ从本文结论来看ꎬ夹点位于低温回热器的内部时循环的火用效率最高ꎬ因此要使循环达到真正的最优工况ꎬ应综合考虑高温回热器和低温回热器回热度对循环性能的影响ꎮ由图２可知ꎬ不同透平入口压力下系统的最佳分流比也不同ꎮ透平入口压力为２０㊁２３㊁２５㊁２８ＭＰａ时ꎬ最佳分流比分别为０.５９９㊁０.６１５㊁０.６２２㊁０.６４５ꎬ透平入口压力越高ꎬ最佳分流比越大ꎮ这主要是因为在不同的压力下ꎬ二氧化碳的物性不同ꎬ当回器的回热度最大时ꎬ低温回热器冷㊁热流体的比例不同ꎬ即最佳分流比不同ꎮT /K 0.90.80.70.60.50.40.3 1.0T 10T 11T J650600550500450400350300ｘ图３㊀分流比对夹点位置的影响Ｆｉｇ.３㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｈｕｎｔｒａｔｉｏｏｎｐｉｎｃｈｐｏｉｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎ３.３㊀分流比对各部件火用损分布的影响表５为不同分流比下部件火用损分布及火用效率ꎬ８８３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀图４为系统各部件的火用损率随分流比的变化ꎮ可见ꎬ锅炉㊁回热器㊁预冷器的火用损率受分流比的影响最大ꎮ随着分流比的增加锅炉的火用损率显著增加ꎬ这是因为分流比的增加使工质进入预冷器的质量流量增加ꎬ系统放热量增多ꎬ一次工质进入锅炉中的吸热温度降低ꎬ从而导致工质与热源间的温差加大ꎮ另外ꎬ一次工质温度下降意味其在锅炉中的吸热量更多ꎬ燃煤的质量流量也随之增加ꎬ这就导致了燃料燃烧时的不可逆火用损失加大ꎮ从表５及图４还可以看出ꎬ锅炉的火用损占据了整个系统火用损的绝大部分ꎬ这也是因为燃烧是典型的不可逆反应ꎬ燃烧过程中会有大量的火用损失ꎮ对于回热器ꎬ高温回热器的火用损率也是一直增加ꎬ这是因为高温回热器内工质间的温差不断增大ꎬ使其火用损增加ꎮ而低温回热器内夹点随着分流比的增加从高温侧的进口向出口移动ꎬ内部温差先减少后增加ꎬ低温回热器的火用损率也呈现相同的变化趋势ꎮ对于预冷器ꎬ工质与冷源之间的温差先减少后不变ꎬ但预冷器的质量流量一直增加ꎬ因此火用损系数先减少后缓慢增加ꎮ20151050I /%0.90.80.70.60.50.40.3 1.0透平高温回热器低温回热器主压缩机再压缩机预冷器发电机444342I r /%右轴：左轴：锅炉ｘ图４㊀分流比对火用损率的影响Ｆｉｇ.４㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｈｕｎｔｒａｔｉｏｏｎｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓｒａｔｅ㊀㊀分流比对透平㊁压缩机和发电机火用损率的影响并不显著ꎮ分流比增加ꎬ系统输入火用增加ꎬ而透平做功与分流比无关ꎬ因此透平的火用损率减少ꎮ对于压缩机ꎬ随着分流比的变化ꎬ工质进入主压缩机和再压缩机的质量流量不同ꎬ其火用损率也呈现出不同的变化趋势ꎮ３.４㊀再热参数对火用效率的影响含有再热的布雷顿循环ꎬ再热参数会对循环性能产生直接的影响ꎮ图５给出了不同再热温度下ꎬ火用效率随再热压力Ｐｒ的变化规律ꎮ数值模拟结果表明ꎬ再热压力增加ꎬ系统的火用效率先增加后减少ꎬ存在一个最佳的再热压力ꎮ再热温度为５６０㊁５８０㊁６００㊁６２０ħ时ꎬ对应的最佳再热压力分别为１０.８㊁１１.７㊁１２.３㊁１３.５ＭＰａꎬ随着再热温度的升高ꎬ最佳再热压力也随之升高ꎮ这是因为再热温度升高ꎬ二次工质的品质提高ꎬ做功能力加强ꎮ此时ꎬ增加再热压力ꎬ适当的减少高压透平压降在透平总压降的比例ꎬ有助于提高系统的火用效率ꎬ即在系统最低压力不变时ꎬ适当的提高再热压力可以提高系统的火用效率ꎮ表５㊀不同分流比下的火用损分布和火用效率Ｔａｂ.５㊀Ｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｕｎｔｒａｔｉｏｓｘ＝０.３２３ｘ＝０.５９９ｘ＝０.９２１项目占比/％项目占比/％项目占比/％火用效率㊀３２.８４㊀火用效率㊀４４.５０火用效率㊀３７.５７锅炉火用损４２.０５锅炉火用损４２.４０锅炉火用损４３.３７透平火用损２.９９透平火用损２.５１透平火用损１.８９ＨＴＲ火用损１.０９ＨＴＲ火用损４.９０ＨＴＲ火用损８.７３ＬＴＲ火用损９.４０ＬＴＲ火用损１.２１ＬＴＲ火用损４.３６预冷火用损８.８４预冷火用损２.２８预冷火用损２.６４主压火用损０.３１主压火用损０.４８主压火用损０.５７再压火用损１.８１再压火用损０.７０再压火用损０.１０电机火用损０.６７电机火用损０.９１电机火用损０.７７总计１００总计１００总计１００45444342η/%1714131211109181615560℃580℃600℃620℃Ｐｒ/ＭＰａ图５㊀再热参数对火用效率的影响(ｘ＝０.５９９)Ｆｉｇ.５㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｈｅａｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ(ｘ＝０.５９９)３.５㊀主压缩机出口压力对火用效率的影响主压缩机的出口压力是循环过程中的最高压力ꎬ对系统火用效率会产生重要的影响ꎮ对含分流再压缩的布雷顿循环而言ꎬ系统的火用效率并不会像简单布雷顿循环那样随着循环最高压力的提高而一直上升ꎮ这是因为循环的最高压力和分流比会互相约束ꎬ只有两者都取合适的值时ꎬ系统的火用效率才能达到最高ꎮ图６给出了不同分流比下ꎬ主压缩机出口压力Ｐ２对系统火用效率的影响ꎮ由图６可知ꎬ当分流比较９８３ 第４期㊀㊀㊀㊀㊀刘国浩等:超临界ＣＯ２再热再压缩布雷顿循环火力发电系统分析大时(分流比等于０.６９９或０.７９９)ꎬ系统的火用效率受主压缩机出口压力的影响较大ꎬ火用效率随出口压力的增加而增大ꎬ这与简单布雷顿循环的变化规律一致ꎮ当分流比变小时ꎬ主压缩机出口压力对系统火用效率的影响也随之减少ꎬ出口压力变大ꎬ火用效率并不是单调递增ꎬ而是先增加后减少ꎮ这是因为:以分流比等于０.５９９为例ꎬ主压缩机出口压力小于２０ＭＰａ时ꎬ主压缩机出口压力提高ꎬ工质参数提升ꎬ系统效率也随之升高ꎬ且此时的分流比接近最佳分流比(循环最高压力２０ＭＰａꎬ最佳分流比为０.５９９)ꎻ主压缩机出口压力继续升高ꎬ最佳分流比增大ꎬ诺分流比继续保持为０.５９９ꎬ会使系统的火用效率降低ꎬ且降低的幅度大于工质参数提升所带来的系统火用效率提升的幅度ꎮ因此ꎬ当主压缩机出口压力继续升高时ꎬ会使系统的火用效率下降ꎮ46444240383634η/%252015300.4990.5990.6990.799Ｐ２/ＭＰａ图６㊀主压缩机出口压力对火用效率的影响Ｆｉｇ.６㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｉｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｍａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｏｎｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ45444342414039η/%38363432400.5990.6990.799ｔ１/ħ图７㊀主压缩机入口温度对火用效率的影响Ｆｉｇ.７㊀Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ３.６㊀主压缩机入口温度对火用效率的影响为了确保工质在整个循环过程中都处于超临界状态ꎬ本文仅讨论主压缩机入口温度ｔ１大于等于３２ħ的工况ꎮ图７为不同分流比下ꎬ主压缩机入口温度ｔ１对火用效率的影响ꎮ从图７可以看出ꎬ当分流比等于０.５９９时ꎬ系统的火用效率随主压缩机入口温度的升高而下降ꎮ这是因为当分流比等于最佳分流比(０.５９９)时ꎬ回热器的回热度最高ꎬ升高主压缩机入口温度ꎬ会使回热器冷侧工质温度升高ꎬ工质的物性也随之改变ꎬ回热器的回热度下降ꎬ系统的火用效率下降ꎮ当分流比不等于最佳分流比时ꎬ系统的火用效率随主压缩机入口温度的升高ꎬ先上升后下降ꎮ表７给出了分流比为０.６９９时ꎬ不同主压缩机入口温度对应的回热器的回热度和火用效率ꎮ当ｔ１从３２ħ升高至３６ħ时ꎬ高温回热器回热度上升ꎬ低温回热器回热度下降ꎬ回热器的总回热度上升ꎬ此时系统的火用效率随ｔ１的升高而上升ꎮ当ｔ１从３６ħ升高至４０ħ时ꎬ高温回热器的回热度基本保持不变ꎬ低温回热器的回热度下降ꎬ回热器的总回热度下降ꎬ此时系统的火用效率随ｔ１的上升而下降ꎮ表６㊀不同主压缩机入口温度下回热器回热度和火用效率Ｔａｂ.６㊀Ｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｍａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｔ１/ħαＨＴＲαＬＴＲη/％３２０.９２８０.９３６４１.９７３３０.９５３０.９３３４２.８８３４０.９６４０.９３２４３.０５３５０.９７００.９３１４３.０９３６０.９７５０.９３０４３.１０３７０.９７５０.９１９４２.７６３８０.９７５０.９０９４２.４２３９０.９７５０.９００４２.１１４００.９７４０.８９３４１.８２４㊀结论㊀㊀１)对含分流的布雷顿循环发电系统ꎬ分流比对性能的影响至关重要ꎮ分流比对系统的火用效率㊁回热器的回热度㊁各部件的火用损都会产生显著的影响ꎮ因此ꎬ选择合适的分流比是系统达到最佳工况的关键ꎮ２)整个发电系统中ꎬ火用损率最大的部件为锅炉和回热器ꎮ对锅炉环节ꎬ提高工质平均吸热温度是提高该环节火用效率的有效手段ꎻ对回热器ꎬ强化换热㊁减小换热端差是提高系统循环性能的关键ꎮ３)系统火用效率随着再热压力的升高ꎬ先上升后下降ꎬ存在最佳再热压力ꎮ最佳再热压力与再热温０９３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀度有关ꎬ再热温度升高ꎬ最佳再热压力变大ꎮ４)由于分流的存在ꎬ系统火用效率受主压缩机出口压力和入口温度的影响并非单调变化ꎮ主压缩机出口压力㊁入口温度和分流比达到合理的耦合ꎬ系统才会达到最高的火用效率ꎮ参考文献:[１]㊀晋文超ꎬ葛宋.国外超临界二氧化碳循环发电技术发展及应用前景[Ｊ].舰船科学技术ꎬ２０１８ꎬ４０(１１):６－９. [２]ＷＡＮＧＸＨꎬＬＩＵＱꎬＢＡＩＺꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｖｅｓｔｉ￣ｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙａｎｄｂｉｏｍａｓｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙꎬ２０１８ꎬ２２７:１０８－１１８. [３]ＧＵＯＺＰꎬＺＨＡＯＹꎬＺＨＵＹＸꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｕ￣ｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｆｏｒｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ[Ｊ].ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＮｕｃｌｅａｒＥｎｅｒ￣ｇｙꎬ２０１８ꎬ１０８:１１１－１２１.[４]陶志强ꎬ赵庆ꎬ唐豪杰ꎬ等.应用于工业余热的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热力学和火用分析[Ｊ].中国电机工程学报ꎬ２０１９ꎬ３９(２３):６９４４－６９５１. [５]ＡＮＧＥＬＩＮＯＧ.Ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｃｙｃｌｅｓｆｏｒｐｏｗｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒＰｏｗｅｒꎬ１９６８ꎬ９０(３):２８７－２９５.[６]ＦＥＨＥＲＥＧ.Ｔｈｅｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎꎬ１９６８ꎬ８(２):８５－９０. [７]ＤＯＳＴＡＬＶ.Ａｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｃｙｃｌｅｆｏｒｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒｓ[Ｊ].ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００４ꎬ１５４(３):２６５－２８２.[８]ＣＲＥＳＰＩＦꎬＧＡＶＡＧＮＩＮＧꎬＳＡＮＣＨＥＺＤꎬｅｔａｌ.Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉ￣ｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｃｙｃｌｅｓｆｏｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ:Ａｒｅｖｉｅｗ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙꎬ２０１７ꎬ１９５:１５２－１８３. [９]ＹＡＳＵＹＯＳＨＩＫꎬＴＡＫＥＳＨＩＮꎬＹＯＳＨＩＯＹ.Ａｃａｒｂｏｎｄｉｏｘ￣ｉｄｅｐａｒｔｉａｌｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｃｙｃｌｅｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄｇａｓｃｏｏｌｅｄｆａｓｔａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒｅａｃｔｏｒｓ[Ｃ]//ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩｎ￣ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬＳｅｐ９－１３ꎬ２００１ꎬＰａｒｉｓ.Ｐａｒｉｓ:ＡＮＤＲＡꎬ２００１:１－８.[１０]ＭＯＩＳＳＥＹＴＳＥＶＡꎬＳＩＥＮＩＣＫＩＪＪ.ＳｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２Ｂｒａｙ￣ｔｏｎｃｙｃｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌ￣ｃｏｏｌｅｄｒｅａｃｔｏｒｓ[Ｊ].Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ＆ＴｏｘｉｃｏｌｏｇｉｃＰａｔｈｏｌｏ￣ｇｙꎬ２００４ꎬ６０(４/５):２８９－２９４.[１１]郑开云.超临界ＣＯ２循环冷端温度优化研究[Ｊ].发电技术ꎬ２０２１ꎬ４２(２):２６１－２６６.[１２]郑开云ꎬ黄志强.超临界ＣＯ２循环与燃煤锅炉集成技术研究[Ｊ].动力工程学报ꎬ２０１８ꎬ３８(１０):８４３－８４８. [１３]周昊ꎬ裘闰超ꎬ李亚威.基于超临界ＣＯ２布雷顿再压缩循环的塔式太阳能光热系统关键参数的研究[Ｊ].中国电机工程学报ꎬ２０１８ꎬ３８(１５):４４５１－４４５８.[１４]张一帆ꎬ王生鹏ꎬ刘文娟ꎬ等.超临界二氧化碳再压缩再热火力发电系统关键参数的研究[Ｊ].动力工程学报ꎬ２０１６ꎬ３６(１０):８２７－８３３.[１５]ＴＵＲＣＨＩＣＳꎬＭａＺＷꎬＮＥＩＳＥＳＴꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｕｄｙｏｆａｄｖａｎｃｅｄｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｐｏｗｅｒｃｙ￣ｃｌｅｓｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｓｙｓ￣ｔｅｍｓ[Ｃ]//ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＭＥ２０１２６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＥｎｅｒｇｙＳｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙＣｏｌｌｏｃａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅＡＳＭＥ２０１２１０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＦｕｅｌＣｅｌｌＳｃｉｅｎｃｅꎬＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＪｕｌｙ２３－２６ꎬ２０１２ꎬＳａｎＤｉｅｇｏꎬＣａｌｉｆｏｒｎｉａ.ＮｅｗＹｏｒｋ:ＡＳＭＥꎬ２０１３:３７５－３８３. [１６]ＭＯＩＳＳＥＹＴＳＥＶＡꎬＳＩＥＮＩＣＫＩＪＪ.Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａ￣ｔｉｖｅｌａｙｏｕｔｓｆｏｒｔｈｅｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅｆｏｒａｓｏｄｉｕｍ￣ｃｏｏｌｅｄｆａｓｔｒｅａｃｔｏｒ[Ｊ].ＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎꎬ２００９ꎬ２３９(７):１３６２－１３７１. [１７]ＸＵＪＬꎬＳＵＮＥＨꎬＬＩＭＪꎬｅｔａｌ.Ｋｅｙｉｓｓｕｅｓａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｃｏａｌｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ[Ｊ].Ｅｎｅｒｇｙꎬ２０１８ꎬ１５７:２２７－２４６.[１８]ＬＩＵＭꎬＺＨＡＮＧＸꎬＹＡＮＧＫꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍ￣ｐａｒｉｓｏｎｏｎｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈ￣ｉｎｃｏａｌ￣ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｏｔａｎｄｃｏｌｄｅｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅ￣ｍｅｎｔꎬ２０１９ꎬ１９５:８５４－８６５.１９３第４期㊀㊀㊀㊀㊀刘国浩等:超临界ＣＯ２再热再压缩布雷顿循环火力发电系统分析。
超临界CO2动力循环实验关键技术研究：循环方案
超临界二 氧 化 碳 (SCO２)是 指 压 力 和 温 度 均 超过其临界点(７．３８MPa,３０４．１３K)的 一 种 二 氧 化碳的存 在 形 态. 在 临 界 点 附 近,CO２ 流 体 具 有 诸 多 优 势 ,如 黏 度 低 、压 缩 系 数 低 、密 度 高 、热 容 量 大等 . [１] 另外,CO２具有良好 的 化 学 稳 定 性,储 量 丰富且无 毒,因 此 SCO２ 被 认 为 是 理 想 的 动 力 循 环工质之一 . [２]
２０ 世 纪 ６０ 年 代,Angelino 和 Feher首 先 提 出了在闭 式 布 雷 顿 循 环 系 统 中,使 用 SCO２ 为 工 质,在最佳循环 温 度 下,利 用 少 量 压 缩 功,可 达 到 更高系统效率的概念 . [３－４] 此 概 念 刚 提 出 就 迅 速 成为关注的热 点,然 而 受 限 于 当 时 的 工 业 技 术 水 平以及换 热 器 的 设 计 与 制 造 水 平,相 关 的 SCO２
China;２．ShaanxiEngineeringLaboratoryofTurbomachineryandPowerEquipment,Xi’an７１００４９,China)
Abstract: Thephysicalpropertiesofsupercriticalcarbondioxide(SCO２)nearcriticalpointisdifferentfrom
邓 清 华１,２,蒋 宇１,２,李 军１,２ ,丰 镇 平１,２
(１．西安交通大学 能源与动力工程学院 叶轮机械研究所,西安 ７１００４９; ２．陕西省叶轮机械及动力装备工程实验室,西安 ７１００４９)
摘 要:超临界二氧化碳(SCO２)在近临界点 的 物 性 特 点 异 于 常 规 工 质,使 得 其 动 力 循 环 方 案 与 常 规 工 质 不 同,循环的热力特性也有差异.综述了 SCO２闭式布雷顿循环 系 统 实 验 研 究 的 循 环 方 案 以 及 相 关 的 研 究 现 状 和有关进展,专门针对其实验的关键技术,就系统循环方案的选择及相关实验研究结果进行了总结与 分 析,分 析结果可为 SCO２闭式布雷顿循环系统 实 验 平 台 循 环 方 案 的 选 择、设 计,实 验 平 台 的 搭 建 及 实 验 等 方 面 的 研 究提供参考. 关 键 词 :超 临 界 二 氧 化 碳 ;布 雷 顿 循 环 ;实 验 研 究 ;循 环 方 案 中 图 分 类 号 :TK１４ 文 献 标 识 码 :A doi:１０．１３７０７/j．cnki．３１－１９２２/th．２０１８．０２．００２
超临界CO2及其混合工质布雷顿循环的热力学分析
超临界CO2及其混合工质布雷顿循环的热力学分析摘要：本文运用热力学第一、第二定律对分流、预压缩、改进再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环进行了热力学分析，重点讨论了压缩机入口工况、透平入口工况对循环热力学性能的影响。
并进一步，以改进再压缩循环为基础，提出以CO2为基底的混合工质布雷顿循环，分析了气体种类及加入量对混合工质布雷顿循环热力学性能的影响。
结果表明：入口工况对不同形式循环的热效率与㶲效率影响方向及大小不同；膨胀比对循环效率的影响大于入口温度对循环效率的影响；在CO2质量分数不小于50%的情况下，加入氙气与氪气均可提高循环热效率，增幅最大分别为1.44%和3.04%，对应氙气与氪气质量分数分别为50%和26%；加入氮气反而使循环效率降低。
关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；热力学性能；混合工质0 引言为了追求更高的经济效益，电力机组的参数向着高温高压方向发展已成趋势，然而，当透平入口温度超过550℃时，超超临界蒸汽朗肯循环的效率难以进一步提高[1]。
因此，探寻新型的热力循环形式，对进一步提高循环效率与系统安全性有着重要意义。
近年来，无毒、无味、不自燃、来源广泛且成本低廉的CO2作为热力循环工质受到广泛关注，其中以超临界二氧化碳（Supercritical CO2，S-CO2）为工质的布雷顿循环尤其受到重视。
Feher[2]于1968年在美国设计了第一个S-CO2热力循环，虽然他所设计的循环保证了各热力学点均位于超临界区域内，但是由于受到当时动力设备机械设计技术的限制，压缩机只适用于液态工质的压缩，限制了S-CO2循环的研究和工业上的推广应用。
随着技术的革新，透平机械技术与紧凑式换热器得到了快速发展，使得S-CO2循环重新成为研究热点。
目前已经提出了简单回热、再压缩、中间冷却、预压缩、分流形式的循环以及在此基础上的改进循环。
国内外学者围绕这些循环形式已经开展了一些研究。
例如，Angelino等[3]提出了加入回热与再压缩过程的改进形式S-CO2布雷顿循环，并分析了循环的性能，指出压缩机工作于液态的再压缩循环具有更高的效率。
超临界二氧化碳布雷顿循环研究进展
超临界二氧化碳布雷顿循环研究进展
纪宇轩;邢凯翔;岑可法;倪明江;肖刚
【期刊名称】《动力工程学报》
【年(卷),期】2022(42)1
【摘要】超临界二氧化碳布雷顿循环的循环效率高(可达50%)、系统结构紧凑、压缩耗功少、降本潜力大,可与化石能源、核能和太阳能等多种形式热源相结合,应用前景广阔。
从关键部件和循环系统的角度综述了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环在热源设备、动力设备、回热设备、冷却设备以及设计优化等方面的研究进展,分析了超临界二氧化碳关键部件的实验测试结果、示范系统和遇到的技术瓶颈等,并展望了今后的研究、系统示范和应用趋势。
【总页数】9页(P1-9)
【关键词】超临界二氧化碳;布雷顿循环;关键设备;系统示范
【作者】纪宇轩;邢凯翔;岑可法;倪明江;肖刚
【作者单位】浙江大学能源清洁利用国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TK2
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临界二氧化碳布雷顿循环发电技术进展5.超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环多目标优化
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超临界二氧化碳布雷顿循环太阳能热发电关键问题
超临界二氧化碳布雷顿循环太阳能热发电关键问题内容提纲太阳能热发电技术发展现状超临界二氧化碳布雷顿循环热发电用蓄热介质熔盐-超临界二氧化碳换热器研究超临界二氧化碳布雷顿循环太阳能热发电关键问题实现碳达峰、碳中和目标，中国必须走高比例可再生能源之路75届联合国大会上宣布“双碳”目标中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和2020年中国能源结构（3）太阳能高温热发电具有与火力发电相同的品质，完全可以替代火电实现风电和光伏发电的长距离输送。
（2）目前，风电和光伏发电的长距离输送主要靠与火电打捆输送，未来随着火力发电装机容量不断被压缩，风电和光伏发电的未来发展需要连寻求续可调的高品质备用能源发电作为支持。
(1) 太阳能和风能的间歇性特点，使得风电和光伏发电以分散的形式接入电网，电网的安全运行造成冲击，造成弃风弃光现象严重。
太阳能热发电完全可以替代火电实现风电和光伏发电的长距离输送。
我国太阳能热发电前景太阳能热发电未来装机规模近日，国家能源局发布了《国家能源局综合司关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》，提出力争“十四五”期间，全国光热发电每年新增开工规模达到300万一现有太阳能热发电效率受限水蒸气的临界点参数受水蒸气临界点参数（22MPa, 374℃）及朗肯循环发电机组容量小的影响，目前太阳能热发电效率不高，低于目前的火电大机组发电效率。
太阳能热发电技术现状一第一代第二代第三代传热蓄热介质导热油/蒸汽太阳盐/蒸汽超临界CO2循环最高温度400℃565℃720℃系统形式槽式塔式塔式热力循环系统朗肯循环朗肯循环sCO2布雷顿循环光热发电效率16%汽轮机（38.1%）17.5%汽轮机（43.9%）~20%~50%(理论) 全球最早商业运行的槽式电站Andasol1（西班牙）发电功率方面的优势：如果sCO热功效率增加到247%，则光电效率增加1%，按照中控50MW太阳能热发电的镜场面积54万m2、DNI为2200kWh/m2/年计算，则每年多发电11.88亿度电。
超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应用
超临界二氧化碳布雷顿循环在核能领域的应
用
随着人口增加和经济发展，能源消耗越来越大，为了减少对环境的负面影响，建立清洁可再生能源是必须的。
核能由于其低排放、高效能等特点，被认为是一种清洁的、可持续的新能源。
但是，核能发电依然存在一定的问题，如安全性、废弃物处理等。
为了解决这些问题，需要寻找创新的解决方案。
超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿循环是这个方向上的一种尝试。
sCO2 布雷顿循环是一种能够更好地利用核能的方案，它的基本原理是利用超临界二氧化碳作为工质，在高温高压的条件下形成一个循环，产生高温高压的蒸汽驱动涡轮，并通过发电机将能量转化为电能。
相较于传统的水蒸汽发电，sCO2 布雷顿循环有以下优点。
第一，sCO2 布雷顿循环的工质具有较高的热力学效率。
该循环的温度和压力比水蒸汽更高，使得该循环所能释放的能量更大，因此效率更高，使用的原料越少，产生的气体污染越少。
第二，sCO2 布雷顿循环可以减少工艺流程。
传统的核电发电站需要冷却剂进行冷却和液化，需要花费很大的成本。
sCO2 布雷顿循环省略了这个过程，可以大大降低成本。
第三，sCO2 布雷顿循环具有更好的涡轮尺寸匹配性。
由于该循环的工作温度高，涡轮的尺寸更小，旋转速度更快，可以更好地适应设备的性能和工作。
总的来说，sCO2 布雷顿循环能够更好地利用核能，相较于传统的水蒸汽发电，其效率更高，操作更简单，成本更低。
这种新能源发电方案可以减少对环境的污染和能源消耗，是一个值得推广应用的新技术。
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收稿日期：2018-12-18 基金项目：中核集团自主研发项目 （2017-568） 第一作者简介：冯 岩，1988年生，男，河南民权人，2012年毕业 于北京理工大学机械制造及其自动化专业，工程师。
相比，S-CO2 循环具有如下特点：a) S-CO2 工质的特点。 当 CO2 的 压 力 达 到 7.377 MPa， 温 度 达 到 304.128 K 时，变为超临界状态，其临界温度和压力远低于水的临 界点 （22.064 MPa，647.096 K），易于达到；S-CO2 具
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2019 年第 2 期
2019 年 2 月
有液体特性，密度大、传热效率高、做功能力强， S-CO2 兼具气体特性，黏度小、流动性强、系统循环损 耗小 ，S-CO2 工质 在循环 中无 相 变 。S-CO2 还 具有 无 毒、不可燃、良好的化学稳定性、环境友好、成本低 廉等特征[4]；b) S-CO2 布雷顿循环效率高。当 S-CO2 温 度达到 550 ℃时，S-CO2 发电系统的热效率可达 45%。 随着温度升高接近 750 ℃时，其系统热效率可达 50%， 该参数比同等条件下氦气循环发电系统效率高；c) 设 备体积小、质量轻。在 S-CO2 布雷顿循环中，CO2 始终 处于超临界状态，密度大，动能大，不发生相变，所 需涡轮级数少，涡轮机轴向尺寸小，冷却器、管路附 件等尺寸相应减小[5]。
4
5 3
2
6
1
熵s/(J·mol-1·K-1)
a) 热力循环T-S图
压缩机 1
5 涡轮机
发电机 2
4
预
冷
热
器
回热器
源3
6 b) 循环简单结构图
1.压缩机入口；2.压缩机出口；3.回热器冷侧流体出口；4.涡轮机入 口；5.涡轮机出口；6.回热器热侧流体出口。 图 1 S-CO2 布雷顿循环的工作原理示意图
0 引言
超临界二氧化碳 （以下简称“S-CO2”） 布雷顿循 环是一种可实现高效热电转化的动力循环，它以 CO2 为工质，利用布雷顿循环完成能量转化，在整个循环 过程中始终保持 CO2 为超临界状态。该循环可利用的 热源温度范围广 （400 ℃～700 ℃）、效率高 （40%～ 50%），适用于太阳能、核能、分布式能源、船舶动力、 燃料电池等多个领域[1]，被认为是当前最具有发展前景 的能量转换系统之一[2]。
关键词： 超临界二氧化碳布雷顿循环；再压缩循环；部分冷却循环；循环效率
中图分类号： TK14
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2019)02-0097-04
Review of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle Research
FENG Yan, WANG Jide
2019 年第 2 期 （总第 161 期）
2019 年 2 月
技术研究
超临界二氧化碳布雷顿循环研究综述
冯 岩，王绩德
（中国中原对外工程有限公司，北京 100044）
摘 要： 超临界二氧化碳 （S-CO2） 布雷顿循环是当前最具有发展前景的能量转换系统之一，适用于核能、太阳能、分
布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域。阐述了S-CO2布雷顿循环原理及特点，综述可应用于核电领域的S-CO2简单 布雷顿循环典型结构布局、不同布局下循环性能参数以及优缺点，分析结果能够为相关发电领域S-CO2布雷顿循环系统 设计与应用提供参考。
(China Zhongyuan Engineering Corp., Beijing 100044, China)
Abstract: Supercritical carbon dioxide(S-CO2) Brayton cycle is one of the most promising energy conversion systems, suitable for nuclear energy, solar energy, distributed energy, marine power, fuel cells and other fields. This paper expounded the principle and characteristics of S-CO2 Brayton cycle and summarized the typical structure layout, cycle performance parameters under different layouts, advantages and disadvantages of S-CO2 Brayton cycle in nuclear power field. The analysis results can provide reference for the design and prototype experimental research of S-CO2 Brayton cycle system in related power generation fields. Key words: supercritical carbon dioxide Brayton cycle; recompression cycle; partial cooling cycle; cycle efficiency
1 S-CO2 布雷顿循环介绍
S-CO2 布雷顿循环的工作原理如图 1 所示，该循环 为典型的布雷顿循环，包括压缩过程、回热过程、加 热过程、膨胀过程、预冷过程五个热力过程，如图 1 a) 所示，其主要由压缩机、回热器、涡轮机、预冷器和 热源构成；如图 1 b)所示，其循 环过 程为：a) S-CO2 工质经压缩机升压后，利用换热器将 S-CO2 工质等压 加热到高温；b) 高压高温的 S-CO2 工质进入涡轮机， 推动涡轮做功并带动发电机发电；c) 工质进入冷却器 恢复到初始状态，在此进入压气机形成闭式循环， S-CO2 的压力和体积变化情况如图 1 a)中的 1-2-3-4-5 -6-1 循环[3]。