超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析
第３１卷第５期 ２０１７年９月 发也淡备 ＰＯＷＥＲ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＶｏＩ．３１．Ｎｏ．５ Ｓｅｐｔ．２０１７
，’’’’’’’’’’、 ２研究与分析： Ｉ。．．Ｉ。．Ｉ．Ｉ‘
超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析
郑开云
（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海２００２４０）
摘要：以带回热的简单超临界二氧化碳（Ｓ－ＣＯ ）布雷顿循环为研究对象，详细阐述了循环效率的分析
计算方法和过程，讨论了透平人口温度和压力、压缩机入口温度和压比、透平和压缩机效率、回热器效率、压
损等因素对循环效率的影响。进一步对于再压缩循环的分析表明，再压缩循环可解决“夹点”问题，从而显著 提高循环效率。
关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；效率 中图分类号：ＴＫ１２１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—０８６Ｘ（２０１７）０５—０３０５—０５
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ
Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｃｙｃｌｅｓ
Ｚｈｅｎｇ Ｋａｉｙｕｎ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｐｏｗｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ（Ｓ—ＣＯｚ）Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｗｉｔｈ ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｏｎ ａｓ ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ
ｔｕｒｂｉｎｅ，ｉｎｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ， ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ，ｅｔｃ．Ａ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓ－ＣＯ２ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｙｃｌｅ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐｉｎｃｈ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ，ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ；Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
超临界二氧化碳（Ｓ－ＣＯ。）布雷顿循环的研究
始于２０世纪４Ｏ年代，在２ｏ世纪６Ｏ一７０年代取
得阶段性研究成果，之后主要由于透平机械、紧
凑式热交换器制造技术不成熟而中止，直至２１
世纪初，Ｓ—Ｃｏ 布雷顿循环的研究才再度兴
起［１ ］。由于ＣＯ 化学性质稳定、密度高、无毒
性、低成本，循环系统简单、结构紧凑、效率较高，
Ｓ—ＣＯ 布雷顿循环被认为在第四代核反应堆（超
临界水堆除外）、聚光型太阳能热发电、余热发
电、地热发电等领域具有良好的应用前景¨５］。
现有的研究表明，在循环效率方面，相比广
泛应用的蒸汽朗肯循环，Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环具有
潜在优势，但是仍有待于对循环作深入细致的热
力分析及优化。笔者主要以带回热的简单Ｓ—ＣＯ 布雷顿循环为研究对象，详细阐述了循环效率的
分析计算方法和过程，讨论了透平人口温度和压
力、压缩机入口温度和压比、透平和压缩机效率、
回热器效率、压损等因素对循环效率的影响。由
于ＣＯ 等压比热在高压侧大于低压侧，导致温差
最小的位置（“夹点”）可能出现在回热器内部，无
法实现理想的回热效果，所以简单Ｓ—ＣＯ 布雷顿
循环的效率不高。另外笔者还对在此基础上改
进的再压缩循环的效率作了进一步分析。
１ 简单Ｓ－ＣＯ：布雷顿循环
１．１循环布置
简单的Ｓ—ＣＯ。布雷顿循环（非冷凝、带回热）
发电系统见图１，与此循环相对应的温熵图见图
收稿日期：２０１６－ｌｌ一３０；修回日期：２０１７－１２一ｌ１ 作者简介：郑开云（１９８Ｏ一），男，高级工程师，主要从事动力循环技术研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｋａｉｙｕｎ＠ｓｐｅｒｉ
．ｃｏｍ．ｃｎ 发也淡备 第３ｌ卷
２。低温、低压工质首先进入压缩机压缩至高压，
经回热器吸收透平排出工质的热量，再经热交换
器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平
做功推动发电机工作，透平排出的工质经回热器
释放部分热量，最后经预冷器冷却后进入下一个
循环过程。
透平
图１简单Ｓ－ＣＯｚ布雷顿循环示意图
ｓ／（ｋＪ・ｋｇ－ ・Ｋ一“
图２简单Ｓ－ＣＯｚ布雷顿循环温熵图
１．２循环效率分析方法
基于热力学第一定律，循环的效率＇７可表
达为：
一 一 ㈩ 一— ■一—
叩一 对于简单Ｓ—ＣＯ 布雷顿循环，则有：
（ ４一ｈ５）一（＾２一ｈｌ， （＾４一ｈ３）一（ ６一ｈ１） （２）
式中：ｗ为机械功率；Ｑ为热功率；ｈ为比焓；下
标ｉｎ和ｏｕｔ表示入和出，ｃ表示压缩机，ｔ表示透
平，数字表示循环的状态点。
压缩机内的压缩过程与透平内的膨胀做功
过程均视为绝热过程，等熵效率分别用ｒ／ 和讯
表示。
压缩机的压缩过程，刀 为：
等 ㈦ 一 二
式中：ｉｓ表示等熵过程。
透平的膨胀做功过程，卵 为： ㈩ 一
回热器的回热效率 （ｒｅｃ表示回热器）可
表达为：
＝＝＝ （５）
式中：Ａｈ 表示回热器实际换热量；ｈ 表示回热
器理想的最大换热量。
为避免回热器内温差过小而导致传热恶化，
回热器两侧工质的最小温差△丁 应不小于规定
值。因此，回热器的热交热过程必须同时满足回
热效率和最小温差的限制条件。
循环系统的压力损失主要由回热器、热交换
器、预冷器等部件造成的，部件的压损率 表示为
部件压力损失与最高压力之比。
对于循环的效率分析，事先给定的参数包
括：透平人口的温度和压力、压缩机入口的温度
和压比、压缩机和透平效率、回热器效率和最小
温差、部件压损率。
简单Ｓ—ＣＯ 布雷顿循环最高效率的计算采
用对压比ｅ在适当范围内进行遍历的方式，在给
定范围对微小间隔的压比逐一进行分析。对于
每个给定的压比，各状态点的压力值即可确定，
压缩机出口（２）和透平出口（５）的状态可根据式
（３）和式（４）求得，回热器中两侧工质的出口温度
（３、６）采用试凑法计算。假设状态点６的温
度值：
Ｔ６（ ）一Ｔ２＋ＡＴ ＋／－／・６ｆ （６）
式中： 一１，２，３，…； 为一足够小的温度步进值
（笔者取０．５ Ｋ）。由每个Ｔ （ ）求得Ｔ。（ｎ），然
后判定是否满足回热器限制条件，其中回热效率
根据式（５）计算，“夹点”温度通过计算两侧＿丁质
温度随换热量百分比的变化曲线来确定。通过
循环计算直至找到满足条件的最小丁 值。求得
所有状态点的参数后，由式（２）计算循环效率。
循环效率分析过程采用Ｍａｔｌａｂ软件编程，
并调用美国国家标准与技术研究所（ＮＩＳＴ）发布
的Ｒｅｆｐｒｏｐ物性数据库实现。
１．３循环效率影响因素
影响Ｓ—ＣＯ。布雷顿循环效率的因素可分为
两类：一类是来自循环系统固有的特性，对于给
定的循环布置方式，即为部件的性能（如：效率）；
另一类是来自循环系统运行工况，即状态点的热
力学参数。
对于部件的性能对循环效率的影响，主要涉
及透平和压缩机效率、回热器效率和最小温差、
第５期 郑开云：超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析
压损，这些参数的选取主要根据国内外调研。给
定透平入口温度（５５０℃）和压力（２０ ＭＰａ）、压缩
机入口温度（３２℃），透平效率取０．９、压缩机效
率取０．８９、回热器效率取０．９５，最小温差取
１０ Ｋ，忽略压损时的工况作为参照（下文中称此
工况为“参考工况”），然后，计算部件在不同性能
指标下的最高效率及对应的压比，计算结果见
表１。
表１简单Ｓ－ＣＯｓ布雷顿循环效率 与部件性能的关系
项目 数值
０．８９ ０．８０ ０．８９ ０．８９ ０．８９ ０．８９ ０．８９ ０．８９ ０．８９ ０．９０ ０．９０ ０．８５ ０．８０ ０．９０ ０．９０ ０．９０ ０．９０ ０．９０ ０．９５ ０．９５ ０．９５ ０．９５ ０．９５ ０．９５ ０．９０ ０．９５ ０．９５ △Ｔ ／Ｋ １０ １０ １０ １０ ５ １５ １０ １０ １０
∈０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０．０２ ０．０４ ｅ ３．１ ２．８ ３．０ ２．８ ３．１ ３．０ ３．４ ３．０ ２．９
＂０．３８ ０．３７ ０．３６ ０．３４ ０．３８ ０．３８ ０．３６ ０．３６ ０．３４
由表１可见部件性能变化带来效率变化：
（１）压缩机效率下降引起的循环效率下降较小；
（２）透平效率下降引起循环效率显著下降；（３）回
热器效率下降引起循环效率显著下降，但最小温
差几乎没有影响；（４）压损也会导致循环效率显
著下降。
对于运行工况对循环效率的影响，主要研究
的因素是：透平入口温度和压力、压缩机人口温
度和压比。
透平人口参数对循环效率的影响分析，通过
改变参考工况中透平入口温度和压力，计算循环
的效率及对应的压比。计算了压比从１．２到３．７，
不同的透平人口温度（３５０℃、５５０℃、７５０℃）和压
力（１５ ＭＰａ、２０ ＭＰａ、２５ ＭＰａ）下的循环效率（见图
３）。在给定的透平入口温度，３５０℃时最高效率随
着压力升高而显著升高，同时所对应的压比增大，
但温度提高至５５０℃和７５０℃，最高效率升高不
明显。在给定的透平人口压力下，最高效率随着
温度升高而升高。可见，提高透平入口温度比提
高压力更有优势。
压缩机入口温度对循环效率的影响分析，通
过改变参考工况中压缩机人口温度，计算循环的
最高效率及对应的压比（见图４）。循环效率最大
值随压缩机人口温度提高而下降，与此同时效率
最大值对应的压比减小。因此，对于预冷器采取
空冷的情况，压缩机入口温度较高，会显著降低
循环效率。 褂 鹾 姆
瓣 籁 酶 压比 （ａ）透平人口温度ｒｉＯ０℃
０．４８ ０．４６ ０．４４ ０．４２ 曩０．４０ ０．３８ Ｏ．３６ ０ ３４ ０．３２ Ｏ ３０ 压比 （ｂ）透平人口温度５５０℃
压比 （ｃ）透平人口温度７５０
图３在不同透平入口参数下效率与压比的关系
０．４０
Ｏ－３９
讲０．３８ 酸 ０．３７
Ｏ３６
０．３５ ３２ ３７ ４２ ４７ ５２ 压缩机人口温度，℃ ３－２
３．１
３．Ｏ ２．９吾
２．８
２．７
２．６
图４最高效率及对应的压比与压缩机入口温度的关系
１．４“夹点”问题 由以上分析结果来看，与同等参数的蒸汽朗
肯循环相比，简单Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环在效率方面
的优势并不明显，这主要是由于回热器内部出现
超临界二氧化碳循环分析2
超临界二氧化碳循环特性
作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。
与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。
1. 二氧化碳动力循环
（1）简单超临界Brayton循环
与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。
图1-1 简单超临界Brayton循环
受堆芯出口温度限制以及CO2工况下比热容变化较大的影响，CO2简单超临界Brayton循环的效率与氦气循环相比并不高。由于CO2相对氦气较为活泼，高温下可与燃料元件和金属构件发生化学腐蚀，因此，在使用CO2作为冷却剂的气冷堆中存在工程约束条件，即CO2的工作温度不能超过670℃。同时，CO2工作在临界点附近，是实际气体的Brayton循环，在回热器高压侧和低压侧流体的比热容变化均较大。由于回热器高压侧流体的比热容大于低压侧流体比热容，因此，在传递相同热量的情况下，回热器低压侧需较大的温差才能使高压侧产生较小的温升，从而使得换热器可能出现夹点，令传热恶化，这也使得高压侧流体在反应堆堆芯或热源处需吸取更多的热量才能达到设计的循环最高温度，因而降低了CO2简单超临界Brayton循环的效率。
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。Dostal等[4]将S-CO2循环和过热蒸汽循环进行了对比，并对多种形式的SCO2循环进行了热力学分析和多目标优化，发现S-CO2循环，尤其是再压缩布雷顿循环更适合应用于核电站。Sienicki等[5]研究了适合于堆芯温度较低的钠冷却反应堆的S-CO2布雷顿循环的改进形式，提出了中间冷却和再热S-CO2布雷顿循环，探究其应用于钠冷堆的可行性。Fahad等[6]对应用不同形式的S-CO2布雷顿循环的光热电站进行整体分析，对比简单布雷顿循环、再热布雷顿循环、再压缩布雷顿循环、预压缩布雷顿循环以及分流膨胀布雷顿循环的热效率，计算结果表明，采用再压缩布雷顿循环最为有效，可以使整体循环热效率达到40%。Kulhanek等[7]对分级膨胀、部分冷却、部分冷却-再热布雷顿循环进行了对比，结果表明分流膨胀循环的压损较大导致循环效率较低，部分冷却及部分冷却-再热布雷顿循环的回热器受夹点问题影响较大。Ahn等[1]全面总结了现有S-CO2布雷顿循环的形式，并对不同形式循环的性能进行了对比，其中分析了分流循环与改进再压缩循环效率随分流比的变化，结果表明改进再压缩循环效率更高。Padilla等[8]对带再热和不带再热的再压缩S-CO2布雷顿循环进行了㶲分析，结果表明㶲效率随循环最高温度呈抛物线趋势，在600℃时达到最大，最大的㶲损失发生在太阳能接收器和冷却器中。为进一步提高循环效率，Wang等[9]将简单和再压缩S-CO2布雷顿循环分别与跨临界CO2循环结合为复合循环，结果表明构成的复合循环热效率分别提高了10.12%和19.34%。
超临界CO2部分冷却布雷顿循环分析
超临界CO2部分冷却布雷顿循环分析
方立军;杨雪;张桂英;郭峰;孙立超
【摘 要】为了确定部分冷却布雷顿循环各设备节能潜力,得出应用于聚光太阳能技术(Concentrating Solar Power,CSP)的最优可能工作参数,为以后建设超临界CO2(Supercritical Carbon Dioxide:S-CO2)布雷顿循环太阳能热电站提供参考依据,使用EES(Engineering Equation Solver)对应用于CSP的具有一级再热的100
MW S-CO2部分冷却布雷顿循环进行效率和损系数分析,主要分析在不同透平入口温度,再热压力以及循环压比比对循环效率的影响,同时分析各设备损系数的大小.得出冷凝器损最大,因此后续可通过增加底循环来利用冷凝器的.最大效率的最优工作参数为透平入口温度700 ℃,再热压力为9.5 MPa,循环压比比为0.4,此时循环效率为33.73%,循环热效率为50.90%.%In order to determine the energy-saving
potential of the equipments that apply to the partial cooling brayton cycle,
the optimal working parameters that are applied to concentrated solar
thermal power plants (CSP) are summarized which could provide some
references for the solar thermal power plants of the construction of
supercritical CO2(S-CO2) brayton cycle.The engineering equation solver
(EES) is used to carry out the exergy analysis of a 100 MW S-CO2 partial
超临界二氧化碳布雷顿循环夹点问题研究
超临界二氧化碳布雷顿循环夹点问题研究
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超临界二氧化碳布雷顿循环夹点问题研究
超临界二氧化碳布雷顿循环回收燃气轮机余热 实例
超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿循环是一种新兴的能源回收技术，它可以用于回收燃气轮机的余热。布雷顿循环利用超临界二氧化碳作为工质，在高温高压下实现高效的能量转换，因此在能源回收领域具有广阔的应用前景。本文将结合实例，讨论超临界二氧化碳布雷顿循环回收燃气轮机余热的技术原理、优势和挑战。
1. 技术原理
1.1 超临界二氧化碳布雷顿循环
超临界二氧化碳布雷顿循环是一种闭式循环系统，利用超临界状态的二氧化碳来实现能量转换。在超临界状态下，二氧化碳的密度较大，导致其压缩过程中产生较少的熵增，从而提高了循环的效率。超临界二氧化碳的特性使其能够在较低温度下发生相变，因此可以用于吸收和释放余热。
1.2 燃气轮机余热回收
燃气轮机在工作过程中会产生大量的余热，通常这些余热会被直接释放到大气中而造成能源的浪费。利用超临界二氧化碳布雷顿循环可以将这些余热回收，通过高效的能量转换将其转化为电力或其他形式的有用能量。
2. 实例分析
2.1 实例背景
某工业厂区拥有多台燃气轮机，每台燃气轮机在运行过程中会产生大量余热，而目前这些余热大部分被浪费掉。为了提高能源利用效率，厂区决定引入超临界二氧化碳布雷顿循环技术，对燃气轮机的余热进行回收利用。
2.2 实施方案
首先对燃气轮机进行改造，将余热回收装置与超临界二氧化碳布雷顿循环系统相结合。改造后，余热将被用来加热二氧化碳，将其转化为高温高压的二氧化碳气流，然后通过涡轮机和发电机将其转化为电力。该电力可以用于厂区自身的生产设备，也可以输送到电全球信息站。
2.3 技术效果
经过实施，燃气轮机的余热得到了有效回收，与此超临界二氧化碳布雷顿循环系统也实现了高效的能量转换。通过实验数据的监测与统计，厂区的能源利用效率有了显著提高，不仅为厂区节约了大量的能源成本，还为环境保护做出了积极贡献。
3. 优势和挑战
3.1 优势
超临界co2布雷顿循环原理
超临界co2布雷顿循环原理
超临界CO2布雷顿循环是一种新型的能源发电循环，通过对CO2进行高温高压处理，实现热能的高效转换和利用。它不仅具有显著的环境优势，还具备较高的发电效率和灵活性，被广泛看好作为未来能源领域的重要突破。
超临界CO2布雷顿循环的原理主要基于布雷顿循环和超临界流体技术。布雷顿循环是一种常规的热力发电循环，利用燃烧燃料产生高温高压的蒸汽，驱动涡轮发电机转动，然后通过冷凝器将蒸汽冷却成液态水，继续回流供给锅炉燃烧产生蒸汽。而超临界流体则是指在临界点以上的温度和压力下，物质同时具有液态和气态的性质，其介质常为CO2。
在超临界CO2布雷顿循环中，CO2被压缩成超临界条件下的流体，然后经过燃烧产生高温高压的CO2流体，驱动涡轮发电机转动，产生电能。与传统的布雷顿循环相比，超临界CO2布雷顿循环的关键在于采用CO2代替水蒸汽作为工作流体，从而避免了水蒸汽在高温高压条件下的热传导损失，提高了发电效率。
超临界CO2布雷顿循环具有多重优势。首先，CO2是一种可再生的环保介质，其使用对环境影响较小，可以减少二氧化碳等温室气体的排放。其次，由于CO2的超临界条件下的物性特点，使得变压器的尺寸相对较小，节省了大量的空间和成本。同时，超临界CO2布雷顿循环的热效率相对较高，可以达到45%以上，远高于传统布雷顿循环的30%左右。此外，超临界CO2布雷顿循环还可以根据实际情况进行调整和优化，适应不同燃料的燃烧特性，提高了系统的灵活性和适应性。
然而，超临界CO2布雷顿循环也面临一些挑战。首先，超临界CO2的高温高压条件对材料和设备的要求较高，需要寻找和开发适合的材料和设备。其次，由于超临界CO2的密度较低，涡轮机等关键设备的设计和运行需克服部分润滑和密封问题。最后，超临界CO2布雷顿循环的技术和经济可行性仍需进一步验证和实践，需要进行大规模的工程试验和示范项目。
综上所述，超临界CO2布雷顿循环作为一种具备环境友好、高效能和灵活性的新型能源发电循环，具有广阔的应用前景。对于实现能源可持续发展和缓解环境问题，超临界CO2布雷顿循环发挥着重要的指导意义。通过持续创新和技术进步，相信未来超临界CO2布雷顿循环将在能源领域发挥重要作用，为人类创造更加清洁、高效的能源未来。
超临界二氧化碳循环分析3
超临界二氧化碳动力循环
1.超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机
（1）美国桑迪亚国家实验室研发超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机
美国桑迪亚国家实验室研究人员研发出一种新的超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机，目前正在进行发电系统的示范阶段。这种新轮机可将热电转换效率提高多达50%，为核电站配备的蒸汽轮机可改善50%，或者一个单独的燃气轮机效率可提高40%。该系统十分紧凑，意味着资金成本会相对较低。
研究主要集中在超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环轮机，这种轮机通常是用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆。目标是最终取代蒸汽驱动的兰金循环轮机（效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍）。布雷顿循环每个组合可以产出20 MW的电力，占用空间只有四个立方米。
桑迪亚国家实验室目前有两个超临界二氧化碳测试循环。第一个发电循环位于科罗拉多州Arvada，从2010年3月开始运行，发展阶段的发电量大约为240
kW，现在正在进行升级。第二个循环位于Albuquerque桑迪亚国家实验室，用于研究临界点附近存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题。
桑迪亚国家实验室近期计划继续开发和运行小的测试循环以确定关键功能和技术。测试结果将说明概念容量（尤其是它的紧凑性）、效率和更大系统的可扩展性。未来计划是进行技术的商业化，先在10 MW的工业示范电厂开展。
桑迪亚还有一种采用氦作为工作流体的布雷顿循环，设计运行温度约为925℃，预计发电效率达43%-46%。相比之下，超临界二氧化碳布雷顿循环作为氦布雷顿系统提供了同样的效率，但温度相对较低（250-300℃）。S-CO2设备比氦气循环紧凑（它又比传统蒸汽循环紧凑小巧）。
（2）东芝开发超临界二氧化碳循环火力发电系统
东芝公司日前针对正在开发的超临界二氧化碳循环火力发电系统，在达到目标压力的状态下，成功完成了燃气轮机燃烧器的燃烧试验。由此，向实现发电效率高、可回收二氧化碳、环境负荷低的系统迈进了一大步。这种系统具备与组合利用燃气和蒸汽的燃气联合循环发电同等水平的效率，同时无需另外设置分离及捕集设备就可回收高压二氧化碳。
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ꎮ ∗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) 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:ＴＫ１２２ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００６－０４５６(２０２３)０４－０３８５－０７Ｅｘｅｒｇｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆｏｓｓｉｌ￣ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅＬＩＵＧｕｏｈａｏꎬＹＵＴｉｎｇｆａｎｇ∗(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００３１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｆｏｓｓｉｌ￣ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｒｅｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｄｅｅｐｌｙａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｐｉｎｃｈｐｏｉｎｔｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒａｎｄｔｈｅｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓｒａｔｅｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄꎬｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔꎬａｓｒｅ￣ｈｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｅｎｔｕｐｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｗｅｎｔｄｏｗｎꎬｉｎｄｉｃａｔｉｎｇａｎｏｐｔｉｍａｌｒｅｈｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｂｏｉｌｅｒｉｓｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓꎬｗｈｉｌｅｆｏｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｅꎬｔｈｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓｔｈｅｌｉｎｋｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓ.Ｄｕｅｔｏｔｈｅｓｈｕｎｔꎬｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｎｏｔｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｅｘｉｔｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｐｌｉｔｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐｌｉｔｒａｔｉｏ.ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ꎻＢｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅꎻｒｅｈｅａｔｃｙｃｌｅꎻｓｐｌｉｔｒａｔｉｏꎻｅｘｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 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]、核能发电[３]、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(５５０℃)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６５０℃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 南昌大学学报(工科版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ｖｏｌ.４５Ｎｏ.４Ｄｅｃ.２０２３ ２)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、核能、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ꎮ 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ꎮ１ ＳＣＯ２一次再热再压缩布雷顿循环 ＳＣＯ２一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(１０→１１)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(１１→１２)ꎬ另一部分工质经过预冷器冷却(１１→１)ꎬ状态参数略高于临界状态(３１.１℃ꎬ７.３８ＭＰａ)ꎬ然后进入主压缩机进行压缩(１→２)ꎬ后进入低温回热器吸热(２→３)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(４→５)ꎬ之后工质在锅炉中吸热(５→６)ꎬ一次工质进入到高压膨胀机中做功(６→７)ꎬ做功完成的二次工质再次进入到锅炉中进行加热(７→８)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(８→９)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(９→１０)ꎬ再进入低温回热器中进行热交换(１０→１１)ꎬ最终完成闭式布雷顿循环ꎮ２ 数学模型２.１ 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
超临界二氧化碳循环分析
超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较
目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1.二氧化碳布雷顿循环分析
<1）二氧化碳布雷顿循环
CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大
表1-1 CO2和He热物性比较<35℃）
工质 P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K>-1 CP/kJ·(kg·K>-1 z
CO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.463
0.1 1.95 0.01497 0.828 0.879
He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.033
0.1 0.156 0.1571 5.198 0.999
<2）CO2简单循环与He循环的对比分析
以英国改进型气冷堆
CO2和 He 动力循环在给定条件下计算的最优参数见表1- 2，温熵图见图1-1。其中 He 循环的温熵图略有不同，采用 2 个压缩机分级压缩。DXDiTa9E3d
图1-1 CO2循环及He循环温熵图
表1-2 CO2简单循环与He循环比较
参数名 CO2 He
超临界 跨临界 亚临界压力 工况1 工况2
初参数 Pmin=7.5MPa
超临界co2布雷顿循环
超临界co2布雷顿循环
超临界CO2布雷顿循环（Supercritical CO2 Brayton Cycle）是一种利用超临界CO2作为工作介质的热力循环系统。该循环系统主要包括压缩机、换热器、膨胀机和冷凝器等组件。
在超临界CO2布雷顿循环中，超临界CO2是在高压和高温条件下存在的CO2相，具有较高的热力学性能，使其成为一种理想的工作介质。相比于传统的蒸汽循环系统，超临界CO2布雷顿循环能够提供更高的热能转换效率和更紧凑的系统设计。
在该循环中，压缩机将低温、低压的CO2气体压缩到临界点以上的超临界状态，然后将高温、高压的CO2输送至换热器。换热器中，CO2向外界散热并降温，然后进入膨胀机进行膨胀。在膨胀过程中，CO2释放出部分能量，并驱动发电机产生电能。最后，被膨胀后的低温、低压CO2经过冷凝器冷却并压缩，重新进入循环系统。
超临界CO2布雷顿循环具有多种优点，包括较高的热能转换效率、较低的环境影响、较小的系统体积、较低的能源消耗等。因此，它被广泛应用于发电厂、工业生产中的余热利用、CO2捕获和封存等领域。