超临界二氧化碳布雷顿发电系统热力循环分析
超临界二氧化碳布雷顿循环
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新型的低温二氧化碳发电系统。
它采用了超临界二氧化碳来代替传统的水蒸气发电系统中的水，从而提高了发电系统的效率。
在超临界二氧化碳布雷顿循环中，二氧化碳在超临界状态下被加热。
超临界状态是指二氧化碳被加热至其临界点以上的高温高压状态。
在这种状态下，二氧化碳具有非常高的密度和高度压缩性，因此可以在非常小的管道内流动。
在此循环中，加热器将超临界二氧化碳加热至高温，使其变成高压蒸汽。
接下来，高压蒸汽通过涡轮机驱动发电机，产生电能。
之后，二氧化碳蒸汽被冷却并压缩，然后再次进入加热器，循环往复。
超临界二氧化碳布雷顿循环相比传统的水蒸气发电系统具有明显的优点。
首先，它可以在较低的温度下工作，降低了设备的运营成本。
其次，由于二氧化碳的密度和压缩性很高，因此可以使用较小的管道和设备。
最后，该系统使用的材料具有良好的耐久性，因此可以更长时间地运营。
总之，超临界二氧化碳布雷顿循环是一种具有潜力的新型发电系统，可以提高能源利用效率并降低运营成本。
基于超临界CO2布雷顿循环的燃煤发电系统优化分析
中国工程热物理学会 学术会议论文基于超临界 CO 2 布雷顿循环的燃煤发电系 统优化分析周敬 1，凌鹏 1,2，张晨浩 1，崔晓宁 1，徐俊 1，许凯 1，苏胜 1，胡松 1，汪一 1，向军 1，*(1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉4300742 长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙， 410114)(Tel ： 87542417-8206 ， Email ： xiangjun@ )摘 要: 本文建立超临界 CO 2燃煤发电系统全流程优化模型，在 32.5MPa/605℃ /610℃/610℃ /高参数条件下，分析不同冷却方式、再热级数以及省煤器布置方式对系统性能的影响。
结果显示：中间冷却与 二次再热在高压缩比下能有效提高 S-CO 2 布雷顿循环热力性能； 锅炉受热面压降能降低循环系统热力 学性能且对二次再热影响高于一次再热；从高温回热器入口引出部分流到省煤器能有效提升 S-CO 2 发电系统全厂效率； ；相同条件下，超临界 CO 2 发电系统全厂效率高于传统蒸汽锅炉。
关键词 超临界 CO 2布雷顿循环；燃煤发电系统；热力系统优化；全流程模型Thermodynamics optimization analysis of supercritical CO 2 coal-fired power generation system based on Supercritical C 2O Brayton CycleZhou Jing 1， Ling Peng 1,2, Zhang Chenhao 1, Cui Xiaoning 1, Xu Jun 1, Xu Kai 1, Su Sheng 1, Hu Song 1, Wang11, *Yi 1, Xiang Jun 1, *(1 State Key Laboratory of Coal Combustion, School of Energy and Power Engineering, HuazhongUniversity of Science and Technology, Wuhan 430074, China2 School of Power and Energy Engineering, Changsha University of Science and Technology, ChangshaHunan 410114, China )Abstract: This paper establishes a Thermodynamics optimization model of supercritical CO2 coal-fired power generation system. Under the high-parameter conditions of 32.5MPa/605 °C/610 °C/610 °C/, different cooling modes, reheat stages, and economizer layouts are analyzed for system performance. The results show that the intercooling and double reheat can improve the thermal performance of the S-CO2 Brayton cycle at high compression ratios effectively; double reheat is more affected by the pressure drop at the heated surface of the boiler than the single reheat.; the case that the part flow is introduced from the inlet side of high-temperature recuperator into the economizer can utilize effectively waste heat and improve the whole plant efficiency; Under the same conditions, the whole plant efficiency of supercritical CO2 power generation system is higher than the traditional steam boiler.Key words: Supercritical CO 2 Brayton cycle; Coal-fired power generation system; Thermodynamics optimization analysis; Process analysis燃烧学编号：15xxxx0 前言提高发电机组效率、降低污染物的排放是电力行业研究的永恒主题和目标；当前，锅炉系统主要是以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统，其发展受到材料和技术的限制。
超临界二氧化碳布雷顿循环的发现
超临界二氧化碳布雷顿循环的发现一、引言超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型的能源转换技术，能够高效地将化石燃料等能源转化为电力。
该技术的发现对于解决全球能源问题具有重要意义。
二、布雷顿循环的基本原理布雷顿循环是一种常见的热力学循环，通常用于发电厂中。
该循环包括四个主要步骤：加热、膨胀、冷却和压缩。
在这个过程中，燃料被燃烧以产生高温高压的蒸汽，然后通过涡轮机驱动发电机来产生电力。
三、超临界二氧化碳技术的发现超临界二氧化碳技术最初是由美国国家实验室的科学家在20世纪50年代发现的。
当时他们正在寻找一种更有效率地转换化石燃料为电力的方法。
他们通过将二氧化碳加压到极高温度和压力下，使其变成了一种称为“超临界流体”的状态。
这种状态下，二氧化碳具有类似于液态和气态之间的特性，同时具有非常高的密度和低的粘度。
这使得它成为一种理想的工作流体，可以用于代替传统的水蒸汽来驱动涡轮机。
四、超临界二氧化碳布雷顿循环的工作原理超临界二氧化碳布雷顿循环与传统布雷顿循环类似，但使用超临界二氧化碳作为工作流体。
该循环包括以下几个步骤：1.加热：将燃料燃烧以产生高温高压的超临界二氧化碳。
2.膨胀：将超临界二氧化碳通过涡轮机进行膨胀，从而驱动发电机产生电力。
3.冷却：将剩余的超临界二氧化碳冷却并压缩回到初始状态。
4.压缩：再次将压缩后的超临界二氧化碳送回加热器，开始下一轮循环。
五、超临界二氧化碳布雷顿循环的优点相比传统布雷顿循环，超临界二氧化碳布雷顿循环具有以下几个优点：1.更高效率：由于超临界二氧化碳具有更高的密度和低的粘度，因此能够更有效地驱动涡轮机，从而提高发电效率。
2.更环保：使用超临界二氧化碳作为工作流体可以减少大量的二氧化碳排放，从而降低对环境的影响。
3.更灵活：超临界二氧化碳布雷顿循环可以适用于各种不同类型的燃料，包括天然气、煤炭和生物质等。
六、结论超临界二氧化碳布雷顿循环是一种非常有前途的能源转换技术，具有高效率、环保和灵活性等优点。
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。
基于塔式热发电系统的超临界二氧化碳布雷顿循环优化与分析
基于塔式热发电系统的超临界二氧化碳布雷顿循环优化与分析提高可再生能源的利用程度,是解决能源与环境问题行之有效的方法之一。
光热发电能配合便宜的储热系统实现在较长时间内连续发电,改善电网的稳定性,这是光伏发电所不具备的,但传统的光热发电技术的弱点是比光伏发电和风力发电等技术的发电成本高。
因此,为了提高光热发电技术在可再生能源技术中的竞争力,有必要发展更加经济高效的新型太阳能光热发电技术。
超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide,SCO<sub>2</sub>）布雷顿循环是一种可应用于光热发电系统中的发电循环。
本文对基于塔式热发电系统的SCO<sub>2</sub>布雷顿循环进行系统优化和分析。
首先,对SCO<sub>2</sub>布雷顿再压缩循环高、低温回热器的夹点问题进行了分析。
研究了在分流比变化时,夹点位置的变化规律和循环分流比对SCO<sub>2</sub>布雷顿再压缩循环性能的影响,并与简单回热循环系统性能进行对比分析。
然后,采用ORC和超临界朗肯循环分别对SCO<sub>2</sub>再压缩布雷顿循环进行余热回收利用。
研究底循环的工质种类和参数对SCO<sub>2</sub>再压缩循环回收效果的影响,并对余热回收联合循环进行优化研究。
最后,建立基于SCO<sub>2</sub>再压缩布雷顿循环的塔式光热发电系统的模型,研究了储热系统的储热温度对系统的影响并对系统进行了循环优化,然后与已有研究文献中传统朗肯循环光热系统进行了热力学对比分析。
研究结果表明:（1）随着分流比的增大,再压缩循环回热器的夹点位置先出现在低温回热器低温侧的出口,然后出现在低温回热器内部,最后出现在低温回热器低温侧的进口处;（2）在相同的热源温度下,SCO<sub>2</sub>/SRC联合循环比SCO<sub>2</sub>/ORC联合循环效率更高;（3）再压缩循环热效率不一定比简单回热循环热效率高,还与分流比有关,在分流比大于0.408时,再压缩循环的热效率比简单回热循环高;在分流比较小时,再压缩循环要比简单回热循环更适合采用余热回收循环,在分流比较大时,再压缩循环和简单回热循环采用余热回收循环的效果相差无几;（4）基于SCO<sub>2</sub>再压缩循环的光热发电系统的热效率和?效率分别为25.95%和28.42%,比传统基于朗肯循环的光热发电系统的热效率和?效率分别提升了13.37%和16.09%。
超临界二氧化碳循环分析4
（1）S-CO2布雷顿循环基本原理
S-CO2工质用于核反应堆一般采用布雷顿热力循环模式。
布雷顿循环一般包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热 4 个基本过程，其基本循环温熵图如图2- 1 所示。
对于核反应堆内的S-CO2布雷顿循环，其最简单、最基本的系统流程如图2-2 所示，主要由压缩机、回热器、气轮机、冷却器和热源构成。
直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环下的热源是反应堆一、二回路之间的换热器。
低温低压的气体经压缩机升压，再经回热器高温侧流体预热后进入热源，吸收热量后直接进入气轮机做功，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。
由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近，使流体密度增大，流体压缩性较好，从而降低了压缩功耗，提高了热力系统净效率。
图2-1 基本布雷顿循环温熵图
图2-2 最简布雷顿循环流程图
现有研究表明，在图2-2 所示的S-CO2热力循环方案中，回热器高、低温侧工质比热容不同引起回热器存在“夹点”的问题将对循环效率造成较大影响；为提高效率，可加入中间冷却、分流、再压缩等热力过程；S-CO2布雷顿循环用于核反应堆的堆芯最佳出口温度在450~650℃之间，最佳堆芯进、出口温差在150~200℃之间；S-CO2布雷顿循环设备简化、体积小，有利于降低投入成本和实现模块化建造技术。
二氧化碳超临界布雷顿循环发电 循环
二氧化碳超临界布雷顿循环发电循环布雷顿循环是一种经典的热力循环，常用于传统火力发电站中的蒸汽循环系统。
但是，布雷顿循环在传统火力发电中有较低的发电效率，且会产生大量的二氧化碳排放，对环境造成不良影响。
为了解决这一问题，科学家们提出了二氧化碳超临界布雷顿循环发电技术。
二氧化碳超临界布雷顿循环发电是利用二氧化碳在超临界状态（高压、高温）下的独特性质，将其作为工质来替代传统蒸汽循环中的水蒸汽。
具体的循环流程如下：1. 压缩: 二氧化碳从环境中吸入循环系统，经过压缩机进行高压压缩，使其达到超临界状态。
2. 加热: 经过高压泵将高压的二氧化碳送入加热系统，通过燃烧燃料（如煤、天然气等）产生的热能将二氧化碳加热至高温高压状态。
3. 膨胀: 加热后的超临界二氧化碳进入膨胀机，通过二氧化碳的膨胀来驱动涡轮发电机产生电能。
4. 冷却: 膨胀后的二氧化碳进入冷却系统，通过散热器将其冷却至合适温度，以便重新进入压缩机进行循环。
与传统的蒸汽循环相比，二氧化碳超临界布雷顿循环发电具有以下优势：1. 高效率: 二氧化碳超临界态具有更高的热传导性能和扩散性能，从而可以提高循环系统的热效率和发电效率。
2. 低碳排放: 二氧化碳超临界布雷顿循环发电中，将二氧化碳作为工质，可实现零排放或低排放，对环境影响较小。
3. 较小体积: 二氧化碳在超临界状态时密度较大，相比于水蒸汽，需要较小的回路体积，节省了布局空间。
4. 兼容性: 二氧化碳超临界布雷顿循环发电可以与现有的火力发电站烟气净化系统结合，对现有设备进行改造升级，降低了技术实施难度。
因此，二氧化碳超临界布雷顿循环发电技术被认为是一种可持续发展的高效、低碳的发电技术，对于减少二氧化碳排放、应对气候变化具有重要意义。
但其仍需要进一步的研发和实践验证，以提高其商业化应用的可行性和经济性。
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 cooling brayton cycle which is used in CSP.By analyzing the influence of the turbine inlet temperature and cycle pressure ratio on the circulating exergy efficiency and the influence of the different turbine inlet temperature on the exergy loss coefficient of each equipment, the result that the maximum exergy loss exists in condensers compared with other equipments is obtained.Therefore, by taking advantage of the usefulexergy of the condensers, the bottom cycles can be greatly bettered.When the turbine inlet temperature is 700 ℃, the reheat pressure is 9.5 MPa, and the cyclic pressure ratio is 0.4, and the circulating exergy efficiency is 33.73% and cycle thermal efficiency is 50.90%.【期刊名称】《电力科学与工程》【年(卷),期】2017(033)004【总页数】6页(P43-48)【关键词】集中式太阳能热电站;超临界CO2;部分冷却布雷顿循环;效率;损系数【作者】方立军;杨雪;张桂英;郭峰;孙立超【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003;国核电力规划设计研究院,北京100095;国核电力规划设计研究院,北京 100095;国核电力规划设计研究院,北京100095;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003【正文语种】中文【中图分类】TK123太阳能聚热技术已被证实是完全可以与传统化石能源竞争的可再生能源技术。
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。
超临界二氧化碳热值传递与热力循环
超临界二氧化碳热值传递与热力循环超临界二氧化碳热值传递与热力循环是一种新型的能源转换与利用技术，具有极高的能源效率和环保性。
本文将从介绍超临界二氧化碳的基本特性和热值传递原理出发，详细阐述其热力循环过程和应用领域，并探讨其在未来能源发展中的重要性和展望。
超临界二氧化碳是指在临界点以上的高温高压下，二氧化碳的物理状态发生变化，表现出类似气态和液态的混合物质，具有高密度、高扩散性、高可压缩性和高特性热容等特性。
这些特性使得超临界二氧化碳在热值传递领域具有独特的优势。
通过将超临界二氧化碳作为工质，利用其高温高压的特性和强烈的对流传热效应，可以实现高效的能量传递和转换，从而提高系统的热效率和节能环保性。
超临界二氧化碳的热值传递原理可以通过热力循环过程来描述。
超临界二氧化碳热力循环是一种基于Brayton循环原理的闭合式热力循环，其原理是通过一个压缩机将低温低压的二氧化碳压缩到高温高压的状态，然后将高温高压的二氧化碳加热，再通过一个膨胀机将高温高压的二氧化碳放松成低温低压的状态，最后将低温低压的二氧化碳冷却，再回到压缩机循环利用。
这一循环过程实现了机械能和热能之间的转换，从而实现对燃料能源的高效利用。
超临界二氧化碳热力循环具有广泛的应用领域。
目前，其主要应用于核电站余热利用、火力发电高温低效率的提升、航天航空动力系统、燃烧排放控制等领域。
其中，超临界二氧化碳热力循环在核电站的应用具有巨大潜力。
传统核电站在工作过程中会产生大量的余热，浪费能源。
而通过利用超临界二氧化碳热力循环技术，可以将这些余热转化为电力，发挥最大利用价值，提高核电站的能源效率。
超临界二氧化碳热力循环技术在未来的能源发展中具有重要的意义和展望。
随着全球能源消耗的不断增加和环保意识的不断提高，需要采用更加环保、高效的能源转换和利用技术。
超临界二氧化碳热力循环正是符合这一需求的新型能源技术，其节能环保性和高效能性将得到进一步的发展和应用，有望成为未来能源体系中的重要组成部分。
超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析
（ 上 海发 电设备 成 套设 计研 究 院有 限责任 公 司 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘 要： 以 带 回热 的 简单 超 临 界 二 氧 化 碳 （ Ｓ － Ｃ Ｏ ） 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
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超 临界 二氧 化碳 （ Ｓ － Ｃ Ｏ 。 ） 布 雷 顿 循 环 的研 究
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 Ｃ Ｏ 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
超临界二氧化碳循环分析
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。
核反应堆系统中以超临界二氧化碳为工质的热力循环过程的建模与分析_梁墩煌
图 ２ 简 单 布 雷 顿 循 环 流 程 图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ
由于 ＰＣＨＥ 中各层板的厚度、流道几何尺寸均相
ｈｔｔｐ：∥ｊｘｍｕ．ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
· ６１０ ·
厦 门 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２０１５ 年
１～１０ 对 应 于 图 ３ 中 的 状 态 点 ，其 中 ７～９ 重 合 ． 图 ４ 再 压 缩 布 雷 顿 循 环 温 度 与 比 熵 图 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｅｎｔｒｏｐｙ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ
图６ ＰＣＨＥ 单元结构 Ｆｉｇ．６ Ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｕｎｉｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＰＣＨＥ
对于传热单元两个 流 道 之 间，模 型 的 传 热 过 程 分 为热工质与板层之 间 的 对 流 换 热、板 层 之 间 的 热 传 导 以及板层与冷流体 之 间 的 对 流 换 热．对 于 直 线 半 圆 形
Ｃｉｔａｔｉｏｎ：Ｌｉａｎｇ Ｄｕｎｈｕａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｙａｏｌｉ，Ｇｕｏ Ｑｉｘｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ－ ＣＯ２ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１５，５４（５）：６０８－６１３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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. 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超临界二氧化碳循环分析
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，目前正在进展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，意味着资金本钱会相对较低。
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，包括下一代动力反响堆。
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2021年3月开场运行，开展阶段的发电量大约为240 kW，现在正在进展升级。
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方案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。
未来方案是进展技术的商业化，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，在到达目标压力的状态下，成功完成了燃气轮机燃烧器的燃烧试验。
基于燃机废热的超临界二氧化碳布雷顿循环的热力学分析
第３１卷第２期２０２０年６月中国计量大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＭｅｔｒｏｌｏｇｙＶｏｌ．３１Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０２０ 【文章编号】 ２０９６－２８３５（２０２０）０２－０１７７－０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－２８３５．２０２０．０２．００７【收稿日期】 ２０２０－０３－２６ 《中国计量大学学报》网址：ｚｇｊｌ．ｃｂｐｔ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ【通信作者】 王 琦（１９７９），男，副教授，博士，主要研究方向为生物质热解和利用。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｑｉ＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ基于燃机废热的超临界二氧化碳布雷顿循环的热力学分析张 展１，王 琦１，沈德魁２（１．中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州３１００１８；２．东南大学能源与环境学院，江苏南京２１００９６）【摘 要】 目的：研究超临界二氧化碳（ＳＣＯ２）布雷顿循环布局对回收燃机废热性能的影响。
方法：利用Ａｓｐｅｎ ｐｌｕｓ软件建立ＳＣＯ２布雷顿循环模型，将某Ｆ级天然气燃气轮机排气废热作为热源，采用序列二次规划（ＳＱＰ）优化方法来获得最优系统参数优化。
结果：以简单回热循环为基准，间冷循环利用ＳＣＯ２的流体特点降低压缩功和初始吸热温度，提升了１３．７６％净输出功；再压缩循环不能带来净输出功的增加，退化为简单回热循环；双级回热循环利用其分流和多回热器的特点，具有最高的净输出功，较简单循环提升３７．２１％。
结论：通过优化ＳＣＯ２布雷顿循环的布局，能够有效提升废热利用率、循环效率和净输出功率。
【关键词】 燃气轮机；超临界二氧化碳；布雷顿循环；净输出功【中图分类号】 ＴＫ１２３ 【文献标志码】 ＡＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｂｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅｓＺＨＡＮＧ Ｚｈａｎ１，ＷＡＮＧ Ｑｉ １，ＳＨＥＮ Ｄｅｋｕｉ ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｊｉｌｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａｉｍｓ：Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ（ＳＣＯ２）Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｎｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ．Ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｔｈｅ Ａｓｐｅｎ ｐｌｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ＳＣＯ２Ｂｒａｙｔｏｎｃｙｃｌｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｒｏｍ ａｎ Ｆ－Ｃｌａｓｓ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ．Ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｑｕａｄｒａｔｉｃｐｒｏｇｒａｍ（ＳＱＰ）ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｈｏｓｅｎ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｙｓｔｅｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ ｔｈｅ Ｓｉｍｐｌｅ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｃｙｃｌｅ（ＳＢＣ），ｔｈｅ ｅｍｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ（ＩＲＣ）ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｏｒｋ ａｎｄ ｔｈｅ Ｉｎｉｔｉａｌ ｅｎｄｏｔｈｅｒｍｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＳＣＯ２ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅｄｔｈｅ ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｕｐ ｔｏ １３．７６％．Ｔｈｅ ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ（ＲＢＣ）ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｄｕａｌ Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｅｄ Ｃｙｃｌｅ（ＤＲＣ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｕｐ ｔｏ ３７．２１％．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ，ｃｙｃｌｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ＳＣＯ２ｌａｙｏｕｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ；Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ；ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ 超临界二氧化碳布雷顿循环作为极具有发展潜能的能量转化系统之一［１］。
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。
超临界二氧化碳循环分析1
超临界二氧化碳循环分析1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）。
高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p 和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He 循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPaρ/kg·m-3λ/W·(m·K)-1C P/kJ·(kg·K)-1zC O2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.463 0.1 1.95 0.01497 0.828 0.879He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.0330.1 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（AGR）为例。
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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，
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)06-0002-05
Analysis of the Thermodynamic Cycle of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Power Generation System
1 S-CO2 布雷顿循环发电系统
1.1 S-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
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。
加热器
1 4
涡轮 机
压缩 电机 机 齿轮箱
冷却器
5
2
回热器
3
6
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
·2·
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。
Abstract: The paper firstly introduced the simple supercritical carbon dioxide regenerative Brayton cycle system. On this basis, the paper discussed the more efficient S-CO2 recompression Brayton cycle system. Based on some hypothesis, the thermodynamic model of S-CO2 recompression Brayton cycle was built. The performance parameters of the equipment and the status parameters were given in detail. In addition, this paper studied the effects of the cycle's parameters such as initial status parameters, maximum cycle parameters, impeller mechanical efficiency, thermal ratio, heat exchanger's pressure drop and flow ratio on system efficiency and interrelationship of parameters in detail. According to the parameters, this paper analyzed major methods to raise the system's efficiency and its restriction factors and gave the recommended value range of the initial status point parameters and the cycle's maximum parameters. Key words: supercritical CO2; Brayton cycle; thermodynamic analysis