超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析

2018年第6期2018年6月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，1S-CO2布雷顿循环发电系统1.1S-CO2布雷顿简单回热循环发电系统S-CO2布雷顿简单回热循环发电系统布置方案如图1所示，工质S-CO2通过压缩机增压、回热器吸热升温后形成高压工质，进入燃烧室内的加热器，燃烧室燃料通过燃烧将热能提供给加热器内高压工质，高温高压工质推动涡轮机做功，一部分功带动压缩机实现低压工质增压，另一部分功带动电机实现电力输出，做功后的高温乏气进入回热器放热降温，再进入冷却器，经与循环冷却水交换热量后，达到循环初始状态点，再进入压缩机实现完整的工作循环。1.压缩机入口；2.压缩机出口；3.加热器入口；4.涡轮机入口；5.涡轮机出口；6.冷却器入口图1S-CO2布雷顿简单回热循环发电系统收稿日期：2018-04-05基金项目：第七一一研究所发展基金项目（Z2016Z2-012/006-RQ）第一作者简介：赵德材，1990年生，男，江苏赣榆人，2016年毕业于东南大学动力工程及工程热物理专业，硕士，工程师。超临界二氧化碳布雷顿发电系统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影响及参数之间的相互影响关系，针对这些参数分析了提高系统效率的主要方法及其限制因素，并给出了工质初始状态参数推荐值、循环最高参数的取值参考范围。关键词：超临界CO2；布雷顿循环；热力循环分析中图分类号：TM61文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2018)06-0002-05AnalysisoftheThermodynamicCycleofSupercriticalCarbonDioxideBraytonPowerGenerationSystemZHAODecai1,2,QINZheng1,2,LIUHuimin1,2(1.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai201203,China;2.ShanghaiMicroPowersCo.,Ltd.,Shanghai201203,China)Abstract:ThepaperfirstlyintroducedthesimplesupercriticalcarbondioxideregenerativeBraytoncyclesystem.Onthisbasis,thepaperdiscussedthemoreefficientS-CO2recompressionBraytoncyclesystem.Basedonsomehypothesis,thethermodynamicmodelofS-CO2recompressionBraytoncyclewasbuilt.Theperformanceparametersoftheequipmentandthestatusparametersweregivenindetail.Inaddition,thispaperstudiedtheeffectsofthecycle'sparameterssuchasinitialstatusparameters,maximumcycleparameters,impellermechanicalefficiency,thermalratio,heatexchanger'spressuredropandflowratioonsystemefficiencyandinterrelationshipofparametersindetail.Accordingtotheparameters,thispaperanalyzedmajormethodstoraisethesystem'sefficiencyanditsrestrictionfactorsandgavetherecommendedvaluerangeoftheinitialstatuspointparametersandthecycle'smaximumparameters.Keywords:supercriticalCO2;Braytoncycle;thermodynamicanalysis（总第153期）本刊特稿冷却器加热器电机齿轮箱压缩机涡轮机回热器1452362··2018年第6期2018年6月1.2S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统与简单回热循环相比，可获得更高的系统效率，避免出现回热器夹点问题[3]。S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统如图2所示，与简单循环相比，采用再压缩循环布置时需要2个压缩机和2个回热器，高温高压工质进入涡轮机做功（6a—7过程）后，进入高温回热器冷却（7a—8过程），再进入低温回热器继续冷却（8a—9过程），经过分流后，一部分工质进入冷却器冷却（9a—1过程），之后进入主压缩机压缩升压（1a—2过程），然后进入低温回热器加热（2a—3过程）；另一部分工质直接进入再压缩机压缩升压（9b—10过程），2股工质混合后进入高温回热器加热（4—5过程），然后进入加热器吸热（5a—6过程），再次转变为高温高压工质形成闭式循环。1.冷却器出口；1a.主压缩机入口；2.主压缩机出口；2a.低温回热器高压侧进口；3.低温回热器高压侧出口；4.高温回热器高压侧入口；5.高温回热器高压侧出口；5a.加热器入口；6.加热器出口；6a.涡轮机入口；7.涡轮机出口；7a.高温回热器低压侧入口；8.高温回热器低压侧出口；8a.低温回热器低压侧入口；9.低温回热器低压侧出口；9a.冷却器入口；9b.再压缩机入口；10.再压缩机出口；A.汇流点；B.分流点图2S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统2S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统热力模型2.1S-CO2布雷顿再压缩循环热力计算假设条件为简化S-CO2布雷顿再压缩循环热力计算过程，做如下假设：a)忽略管道压降，分析其他参数影响时换热设备压降统一取入口压力的1%；b)忽略再压缩汇流及分流时的阻力损失；c)再压缩机出口压力与主压缩机出口经过低温回热器之后汇流处压力相同；d)忽略工质泄露损失；e)忽略各设备及管道的环境漏热损失。2.2S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统主要参数S-CO2布雷顿再压缩循环发电系统效率及单位工质功率由以下因素确定[4]：a)初始点及循环最高压力、温度参数渍。即主压缩机入口压力p1和温度T1、主压缩机出口压力p2、涡轮机入口温度T6；b)叶轮机械效率浊turbo。即主压缩机、再压缩机、涡轮机等熵效率浊c、浊rc、浊t；c)回热器回热度滓。包括高温回热器回热度滓rh和低温回热器回热度滓rl；d)经过主压缩机的工质流量份额即分流系数x；e)换热器设备压降驻p；f)电机及电力转换效率浊e。由数学模型可知，S-CO2布雷顿再压缩循环的系统效率可由式(1)表示，计算过程中，通过调用NIST-REFPROP物性库以得到CO2物性数据。浊=浊(渍，浊turbo，滓，x，驻p，浊e)，(1)式(1)中，浊为效率；渍为初始点及循环最高压力、温度参数，压力单位为Pa，温度单位为K；浊turbo为叶轮机械效率；滓为回热器回热度；x为分流系数；驻p为换热器设备压降，kPa；浊e为电机及电力转换效率；浊(渍，浊turbo，滓，x，驻p，浊e)为系统效率。2.3S-CO2布雷顿再压缩循环主要参数在S-CO2布雷顿再压缩循环热力循环分析过程中，系统主要设备性能参数及状态点工况参数见表1。表1主要设备性能参数及状态点工况参数3S-CO2布雷顿再压缩循环热力参数分析3.1初始状态参数影响3.1.1主压缩机进口温度影响CO2临界温度为30.98℃，临界压力为7.38MPa。考虑到在临界点附近工质物性参数变化剧烈，且跨相区的压缩过程对压缩机要求很高，因此初始状态温度、压力均应选择高于临界温度、压力。图3是主压缩机进口压力为7.7MPa，涡轮机入口温度不同（见图3a)）或主压缩机出口压力不同（见图3b)）条件时系统效率与主压缩机进口温度关系图，从图3中可看出，系统效率受主压缩机进口温度影响十分明显，随着主压缩机进口温度的增加，系统效率会明显下降，因此主压缩机进口温度越低系统效率越高，但是考虑冷却水等环境因素限制，不能通过一味降低主压缩机进口温度来提高系统效率。3.1.2主压缩机进口压力影响图4是主压缩机进口温度为33℃，涡轮机入口温度不同（见图4a)）或主压缩机出口压力不同（见图4设备状态参数单位数值备注主压缩机效率%60—涡轮机效率%81—再压缩机效率%50—燃烧室效率%80—电机效率%97—电力转换效率%97—齿轮箱效率%95—回热器回热度%93（包括高温、低温）换热器设备压降%1（以进口参数为基准）再压缩机拖动电机效率%94—再压缩分流系数—0.32—主压缩机入口温度益31耀40跃CO2临界点30.98益主压缩机入口压力MPa7.5耀8.5跃CO2临界点7.38MPa主压缩机出口压力MPa11耀20—涡轮机入口温度益550耀750—齿轮箱涡轮机冷却器电动机加热器起/发电机主压缩机219b102a9a7a4588a9B35a766a1aA高温回热器低温回热器再压缩机赵德材，等：超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析3··2018年第6期2018年6月b)不同主压缩机出口压力图4系统效率与主压缩机进口压力的关系b)）时，系统效率与主压缩机进口压力关系图。从图4中可看出，系统效率随主压缩机进口压力的提高先升高再下降，系统效率随主压缩机进口压力的上升存在一个极大值，且主压缩机出口压力越高，极值点会往右移，主压缩机出口压力为14MPa时，主压缩机进口压力在7.8MPa附近时系统效率最高。当主压缩机出口压力较高时，系统效率最高点对应的主压缩机进口压力略高于7.8MPa，且主压缩机进口压力超过7.8MPa后变化比较平缓。3.2循环最高参数影响3.2.1主压缩机出口压力影响图5为主压缩机进口温度为33℃，主压缩机进口压力在7.7MPa，涡轮机进口温度分别为550℃、600℃、650℃、700℃、750℃时，系统效率与主压缩机出口压力的关系。从图5中可看出，随着主压缩机出口压力的提高，系统效率存在一个极大值，这种情形在涡轮机进口温度较低时（650℃以下）尤其明显，当涡轮机进口温度较高（超过650℃）时，系统效率在极大值附近随主压缩机出口压力的变化比较平缓。在达到效率极大值之前，系统效率随着主压缩机出口压力的增加而增加，但增加的趋势逐渐放缓，主压缩机出口压力从10MPa增大到15MPa所带来的效率增加量，要明显高于主压缩机出口压力从15MPa增大到200.260.240.220.20.180.160.140.120.10.0832333435363738394041主压缩机进口温度/益涡轮机