摘要：由于化石能源的消耗以及環(huán)境的惡化，各國都開始尋找新型發(fā)電技術(shù)。SCO2布雷頓循環(huán)身為新興的技術(shù)，具有臨界參數(shù)易達(dá)到、體積小、重量輕、循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)。將布雷頓循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO2是最適合布雷頓循環(huán)的。之后將SCO2布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)進(jìn)行比較，得到SCO2布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電相結(jié)合的效率更高。基于光熱發(fā)電系統(tǒng)，對SCO2布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較，得到再壓縮循環(huán)既簡單又高效，適合光熱發(fā)電系統(tǒng)。接著在光熱發(fā)電系統(tǒng)中對布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使循環(huán)效率達(dá)到最佳。最后研究了SCO2布雷頓循環(huán)的設(shè)備，包括向心透平、離心式壓縮機(jī)和印刷電路板式換熱器，其中印刷電路板式換熱器作為一種新型換熱器，因?yàn)樗木o湊高效性等特點(diǎn)常被用于SCO2布雷頓循環(huán)。

01

前言

近年來，隨著環(huán)境的污染以及化石能源的消耗，各國都在努力尋找更加節(jié)能高效的新能源。其中二氧化碳(CO2)極為突出，它具有臨界參數(shù)易達(dá)到(臨界溫度30.98℃,臨界壓力7.38MPa)、安全無毒、比熱容大、能量密度高、儲量豐富、易獲取等優(yōu)點(diǎn)。而以超臨界二氧化碳(SCO2)作為介質(zhì)的布雷頓循環(huán)，具有占地面積小、設(shè)備簡單重量輕、循環(huán)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了大家廣泛研究。SCO2布雷頓循環(huán)與太陽能熱發(fā)電相結(jié)合，可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，所以目前來說，光熱發(fā)電與SCO2布雷頓循環(huán)相結(jié)合必將成為未來的發(fā)展趨勢。

本文將從以下5部分進(jìn)行介紹。第1部分將應(yīng)用于布雷頓循環(huán)的介質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO2是最適合布雷頓循環(huán)的介質(zhì)；第2部分基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO2布雷頓循環(huán)和水蒸氣朗肯循環(huán)、SCO2朗肯循環(huán)，得到光熱發(fā)電與SCO2布雷頓循環(huán)結(jié)合效率更高；第3部分基于光熱發(fā)電系統(tǒng)對SCO2布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得到再壓縮循環(huán)、中冷再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)效率較高，是比較適合光熱發(fā)電系統(tǒng)的；第4部分對基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO2布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；第5部分對SCO2布雷頓循環(huán)的設(shè)備進(jìn)行研究，主要包括透平、壓縮機(jī)和換熱器。

02

布雷頓循環(huán)介質(zhì)

圖1簡單循環(huán)

布雷頓循環(huán)是一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，如圖1所示，經(jīng)過定熵壓縮、定壓加熱、定熵膨脹、定壓放熱等4個過程來實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)化。

常見的布雷頓循環(huán)有：SCO2布雷頓循環(huán)、He布雷頓循環(huán)和空氣布雷頓循環(huán)。與后兩者相比，SCO2布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢在于SCO2在650℃就可以達(dá)到He在850℃的效率，并提供了選擇材料的靈活性[1],與空氣布雷頓循環(huán)相比大大減少了壓縮功，且循環(huán)效率可達(dá)到60%,比空氣布雷頓循環(huán)提高了10%[2]。布雷頓循環(huán)作為一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，一般用于制冷劑的氣體可以用做布雷頓循環(huán)的工質(zhì)，為此也有選擇一些惰性氣體來進(jìn)行布雷頓循環(huán)效率的比較。Uusitalo等人[3]選用了CO2、C2H6、C2H4、R116等氣體來進(jìn)行布雷頓循環(huán)模擬，選擇它們主要是基于流體的臨界溫度略低于或接近壓縮機(jī)入口溫度，以確保超臨界流體能貫穿整個循環(huán)，最后得到以CO2流體為工質(zhì)的中冷再壓縮循環(huán)具有最優(yōu)效率。Coco-Enríquez L等人[4]選擇了CO2、N2、Xe、CH4、C2H6等5種氣體進(jìn)行效率比較，得到N2的循環(huán)效率最高，CO2次之，但在提高透平入口壓力時只有CO2可使循環(huán)效率升高，其它工質(zhì)均無變化。

通過在布雷頓循環(huán)中對這些工質(zhì)進(jìn)行效率比較，得到與大部分氣體工質(zhì)相比，CO2循環(huán)效率最高，且它是一種綠色安全無毒的氣體，是其它氣體無法比擬的，所以目前布雷頓循環(huán)的工質(zhì)還是CO2最佳，基于此興起了對SCO2布雷頓循環(huán)的研究。

03

光熱發(fā)電中的SCO布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)比較

隨著SCO2布雷頓循環(huán)的興起，人們不免將它與之前的循環(huán)進(jìn)行比較。其中最突出的就是朗肯循環(huán)，如圖2所示，由鍋爐開始進(jìn)行了定壓吸熱、定熵膨脹、定壓放熱和定熵壓縮等4個過程的簡單動力循環(huán)。

圖2朗肯循環(huán)

光熱電站目前大部分都是采用的水蒸氣朗肯循環(huán)，與之相比，SCO2布雷頓循環(huán)不僅可以產(chǎn)生更高的循環(huán)熱效率，重量體積還會更小[5],與現(xiàn)有的水蒸氣朗肯循環(huán)相比較，不僅發(fā)電效率提高了6.2%～7.4%,電力成本還降低了7.8%～13.6%[6]。Hanak等人[7]得到SCO2布雷頓循環(huán)在透平入口溫度593.3℃,入口壓力24.23MPa下的凈效率損失比傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)少1%HHV,若進(jìn)一步提高溫度和壓力則凈效率損失會更少，且成本低27%。曹春輝[8]建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)模型，得到再壓縮循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)熱效率和總熱效率分別為43.69%、25.95%,而使用水蒸氣朗肯循環(huán)時的兩個效率分別為37.85%、22.89%,可以明顯看出光熱發(fā)電系統(tǒng)使用再壓縮循環(huán)的效率要高。如表1,吳毅[9]和楊雪[10]也都將SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)進(jìn)行了比較，最終得到SCO2布雷頓循環(huán)與光熱電站相結(jié)合的效率更高。

表1水蒸氣循環(huán)和SCO 2循環(huán)效率比較

前面得到SCO2作為一種優(yōu)秀工質(zhì)，同樣可以用于朗肯循環(huán)，為了得到更適合光熱電站的循環(huán)，同樣將SCO2朗肯循環(huán)和SCO2布雷頓循環(huán)的循環(huán)效率進(jìn)行比較。已知SCO2布雷頓循環(huán)，當(dāng)透平入口溫度在700℃的簡單循環(huán)效率大于44%,而更先進(jìn)的再壓縮循環(huán)效率可達(dá)到51%[11]。而以SCO2為工質(zhì)的太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)的電能效率和熱效率為11.4%和36.2%[12],在最優(yōu)配置下的最大循環(huán)熱效率才能達(dá)到40%[13]。張玉偉[14]搭建了SCO2太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，得到朗肯循環(huán)效率會隨著時間產(chǎn)生較大的波動，在中午時循環(huán)效率最高，可達(dá)到21.6%,在整個時間段的平均循環(huán)效率可達(dá)到約14%。向沖[15]同樣搭建了SCO2太陽能朗肯循環(huán)系統(tǒng)，得到在典型工況下(透平壓力從10MPa降到6.5MPa,加熱溫度為100℃)的循環(huán)總效率為20.58%。從上述數(shù)據(jù)中均可以明顯看出，SCO2布雷頓循環(huán)的效率明顯高于SCO2朗肯循環(huán)。

將SCO2布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO2朗肯循環(huán)均進(jìn)行了比較，都證明了SCO2布雷頓循環(huán)效率更高，所以SCO2布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合存在優(yōu)勢，既可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，又能提高發(fā)電效率，是一種較優(yōu)的循環(huán)。

04

基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)

隨著SCO2布雷頓循環(huán)的興起，簡單循環(huán)由于換熱不均會造成回?zé)崞鞯摹皧A點(diǎn)”問題，從而影響循環(huán)效率，為解決這一問題開始增加回?zé)崞鞯臄?shù)量，以此引出來一系列改良的循環(huán)布局。而與光熱發(fā)電相結(jié)合，也需要將各種循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而選出最合適的。

其中已知再壓縮循環(huán)不僅能產(chǎn)生最高的循環(huán)效率，而且同時保持結(jié)構(gòu)簡單[16]。為了證明再壓縮循環(huán)最適合光熱電站，基于光熱發(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再熱循環(huán)、預(yù)壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)進(jìn)行比較，得到再壓縮循環(huán)效率最高[17,18],單獨(dú)使用該循環(huán)最大熱效率可以達(dá)到52%,光熱電站系統(tǒng)效率可以達(dá)到40%[18]。

而后隨著布雷頓循環(huán)結(jié)構(gòu)的一步步優(yōu)化改良，出現(xiàn)了中冷再熱再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，它在再壓縮循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了壓縮機(jī)和冷卻器各一臺，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大。基于光熱發(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進(jìn)行比較，得到中冷再壓縮循環(huán)循環(huán)熱效率最高[19,20],在透平入口溫度850℃時達(dá)到55.2%[19],將透平入口溫度優(yōu)化到730℃,并將循環(huán)和接收器效率之間達(dá)到最佳時太陽能發(fā)電效率為17.5%[20]。Wang等人[21]將再壓縮、中冷再壓縮、部分冷卻這3種循環(huán)集成到光熱發(fā)電系統(tǒng)中，比較它們的性能，得到循環(huán)效率從大到小依次是中冷再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、再壓縮循環(huán)，尤其是當(dāng)壓縮機(jī)入口溫度較高時，中冷再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)的優(yōu)勢會更加明顯。王雅倩[22]建立了基于塔式光熱系統(tǒng)的SCO2布雷頓循環(huán)的模型，分別取各個循環(huán)的最高效率點(diǎn)進(jìn)行比較，得到從大到小依次為：中冷再壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、預(yù)壓縮循環(huán)、簡單循環(huán)。李佩蔚[23]則建立了簡單、預(yù)壓縮、再壓縮、部分冷卻、中冷再壓縮這5種不同形式的SCO2布雷頓循環(huán)熱力學(xué)模型，得到中冷再壓縮是最適合于塔式太陽能系統(tǒng)的一種循環(huán)形式。袁曉旭和張小波[24]設(shè)置了透平入口溫度550℃、透平入口壓力20MPa、主壓縮機(jī)入口溫度35℃的情況下比較了簡單、再壓縮、中冷再壓縮3種基于光熱發(fā)電的循環(huán)效率，由表2可以看出中冷再壓縮循環(huán)的供電效率最高。

表2基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的3種循環(huán)比較

之后又出現(xiàn)了中冷再熱再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，與中冷再壓縮循環(huán)相比，增加了一臺再熱透平，循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大。基于光熱發(fā)電系統(tǒng)將簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進(jìn)行比較，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)熱效率最高，既能夠適應(yīng)干冷又能達(dá)到50%以上的發(fā)電效率[25]。Mohagheghi等人[26]研究了基于光熱發(fā)電的SCO2布雷頓循環(huán)采用簡單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)等不同結(jié)構(gòu)，以循環(huán)效率最大為目標(biāo)函數(shù)，對各個循環(huán)的熱力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)不僅顯著降低了排熱的■損失，而且提高了復(fù)熱性能，表3為各個循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)取值以及循環(huán)效率，可以看出中冷再熱再壓縮循環(huán)效率最高。

圖3中冷再熱再壓縮循環(huán)

雖然中冷再熱再壓縮循環(huán)效率最高，但系統(tǒng)相對更加復(fù)雜，成本更高，而再壓縮相對來說效率較高且系統(tǒng)簡單，所以應(yīng)用前景廣泛[27]。所以綜合分析再壓縮循環(huán)既簡單又高效，是最適合光熱發(fā)電系統(tǒng)的，后續(xù)對于關(guān)鍵參數(shù)研究也都是基于此循環(huán)。

05

基于光熱發(fā)電的SCO布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

針對各種循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時，關(guān)鍵參數(shù)是其中重要的一項(xiàng)研究，從上節(jié)可以得到再壓縮循環(huán)既可以達(dá)到很高的效率又能保持系統(tǒng)相對簡單，所以關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化大部分都是采用的再壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)。

SCO2布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)有：透平入口溫度和壓力、壓縮機(jī)入口溫度和壓力、分流比等。通過對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以使循環(huán)效率達(dá)到最大。Iverson等人[28]得到透平入口溫度高于600℃時SCO2布雷頓循環(huán)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢。周昊等人[29]則得到透平入口溫度達(dá)到750℃左右全廠效率最大。陳建生等人[30]建立了基于塔式光熱電站與SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)集成的數(shù)學(xué)模型，得到當(dāng)透平入口溫度為901K時基于塔式光熱電站的SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)熱效率可以達(dá)到28.4%。Abid等人[31]分析得到當(dāng)透平入口溫度從823K升高到1023K時，循環(huán)效率從44.55%升高到了49%。Grag等人[32]得到循環(huán)效率隨著透平入口溫度的增大而增大，隨著透平入口壓力的增大先增大后減小，當(dāng)溫度873K、壓力8.5MPa時循環(huán)效率最大，約32%。何欣欣等人[33]分析了循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)對全廠熱效率的影響，得到全廠熱效率與透平入口溫度和循環(huán)壓比均呈先增大后減小的趨勢，采用遺傳算法以全廠熱效率為優(yōu)化目標(biāo)，得到在透平入口溫度787.8℃、透平入口壓力35MPa、循環(huán)壓比4.573時全廠熱效率為35.244%。韓中合等人[34]建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)的塔式太陽能光熱系統(tǒng)模型，采用遺傳算法對系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到在透平入口溫度784℃～841℃、主壓縮機(jī)入口壓力7.68MPa～10MPa、最佳分流系數(shù)0.25～0.32的取值范圍內(nèi)系統(tǒng)總■損率可以達(dá)到70.72%～76.87%。王智等人[35]建立了基于塔式光熱系統(tǒng)的SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，得到循環(huán)效率與透平入口溫度和分流比呈先增大后減小的趨勢，在750℃、0.7左右達(dá)到最大；而不同循環(huán)壓比對應(yīng)不同的最佳透平入口溫度和分流比，用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表4。

表3幾種循環(huán)的效率比較

表4參數(shù)優(yōu)化后的循環(huán)效率

沈涵孜等人[36]建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，通過軟件模擬來分析系統(tǒng)參數(shù)對循環(huán)效率的影響，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，循環(huán)凈效率隨透平入口溫度升高而升高，隨透平入口壓力升高而先增大后減小；最后基于塔式光熱系統(tǒng)對關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，得到當(dāng)透平入口溫度和壓力為550℃、24MPa,主壓縮機(jī)入口溫度35℃,分流比0.65時可以使循環(huán)效率達(dá)到43.8%。

圖4透平入口溫度與循環(huán)效率關(guān)系

圖5透平入口壓力與循環(huán)效率關(guān)系

通過對關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化會發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)不是單一影響循環(huán)效率的，它們之間存在著耦合關(guān)系，所以為了使循環(huán)效率達(dá)到最佳，最好還是采用算法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使各個參數(shù)都達(dá)到最佳，從而得到最優(yōu)的循環(huán)效率。

06

SCO布雷頓循環(huán)設(shè)備

在得到SCO2布雷頓循環(huán)的循環(huán)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)后，對于循環(huán)所需的設(shè)備也是一個重要的研究方向。設(shè)備主要就分兩種：旋轉(zhuǎn)機(jī)械和換熱器。

5.1旋轉(zhuǎn)機(jī)械

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是SCO2循環(huán)熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。主要有兩種：透平和壓縮機(jī)。

SCO2透平有徑流(向心)透平和軸流透平兩種，國內(nèi)外對于透平的研究主要就分為這兩種。徑流式適宜較小規(guī)模應(yīng)用，最大適用于50MW級別，而軸流式更適于較大規(guī)模的應(yīng)用[37]。Moore等人[38,39]為SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)設(shè)計(jì)了一種新型高溫透平，這種透平既可以應(yīng)用在傳統(tǒng)熱源也能應(yīng)用在太陽能發(fā)電系統(tǒng)，讓SCO2循環(huán)達(dá)到接近50%的熱效率，目前此透平已經(jīng)可以在溫度550℃、壓力18MPa時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到21 000r/min的要求，并將繼續(xù)提高要求進(jìn)行試驗(yàn)。Lee等人[40]提出了一種SCO2布雷頓循環(huán)透平的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，此方法可以同時得到某一工況下軸向和徑向兩種透平的設(shè)計(jì)方案，從而方便在相同設(shè)計(jì)條件下選擇最有效的透平類型。Schmitt等人[41]對100MW的SCO2透平的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)定為6級的透平且入口溫度為1035K,并設(shè)計(jì)了詳細(xì)的流場計(jì)算氣動損失系數(shù)，經(jīng)過驗(yàn)證均滿足要求。劉長春等人[42]綜合了國內(nèi)外的各種數(shù)據(jù)，將Ni基合金、奧氏體鋼和鐵素體鋼進(jìn)行對比得到了SCO2透平選材建議，若考慮制造成本應(yīng)選擇奧氏體鋼或鐵素體鋼，若考慮抗腐蝕應(yīng)選擇Ni基合金。張少鋒等人[43]將干氣密封裝置安裝在主軸靠近透平的位置，既實(shí)現(xiàn)了對透平的密封，又可以達(dá)到對密封的降溫作用，保證了SCO2布雷頓系統(tǒng)的運(yùn)行。王鵬亮等人[44]將壓縮機(jī)和透平采用同軸同缸的布置，將透平高溫高壓密封的難題變成了低溫密封，實(shí)現(xiàn)了這一系統(tǒng)應(yīng)用。目前關(guān)于向心透平的研究較多，Cho等人[45]設(shè)計(jì)了一種10KW級的SCO2循環(huán)，采用徑向透平和離心壓縮機(jī)，并設(shè)計(jì)了帶有迷宮密封的徑向透平和離心壓縮機(jī)的葉輪的冠狀結(jié)構(gòu)，以克服SNL報道的推力平衡問題。Odabaee等人[46]采用ANSYS對SCO2向心透平進(jìn)行了CFD分析，該透平在光熱條件下可達(dá)到入口溫度560℃、壓比2.2、功率100KW,比較了SCO2氣體屬性方程和從NIST中生成的RGP表兩種方法的計(jì)算結(jié)果和耗時，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致。周奧錚等人[47]則提出了一種采用一維向心透平預(yù)測的SCO2再壓縮循環(huán)模型，將它與固定透平進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種模型更加適合變工況情況。王春陽[48]對一個70MW級SCO2布雷頓循環(huán)的向心透平進(jìn)行了改進(jìn)，得到透平的參數(shù)為：最佳進(jìn)口葉片角30°,最佳葉片出口角82°,葉輪葉片數(shù)在10、11、12均可，最佳葉根倒角半徑在3mm。王巧珍[49]對7.5MW的SCO2向心透平進(jìn)行了氣動設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬得到最優(yōu)方案功率為7.47MW,效率85.38%。呂國川等人[50]采用CFD對MW級的SCO2向心透平進(jìn)行數(shù)值模擬，得到透平設(shè)計(jì)點(diǎn)效率達(dá)到88.45%,滿足要求。趙攀等人[51]設(shè)計(jì)了1MW的SCO2向心透平，使用RANS得到在設(shè)計(jì)工況下透平氣動效率達(dá)到83.53%,與設(shè)計(jì)值偏差為1.54%,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可靠性。

除透平外，另一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械就是壓縮機(jī)了，壓縮機(jī)的種類有很多，但目前應(yīng)用在SCO2布雷頓循環(huán)中最多的還是離心式壓縮機(jī)，如圖6所示。

圖6離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

Utamura等人[52]設(shè)計(jì)的離心壓縮機(jī)和徑向透平由發(fā)電機(jī)驅(qū)動、高速逆變器控制，在轉(zhuǎn)速1.15kHz,質(zhì)量流量1.1kg/s,壓縮機(jī)7.5MPa、304.6K,透平10.6MPa、533K工況下，可以實(shí)現(xiàn)110W的發(fā)電運(yùn)行。Rinaldi等人[53]利用RANS模擬計(jì)算了SCO2離心壓縮機(jī)的性能圖，考慮了45、50、55等3種不同轉(zhuǎn)速，并將數(shù)值結(jié)果與SNL的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了該方法的潛力。Behafarid等人[54]利用可壓縮和不可壓縮的SCO2模型，以及可壓縮理想氣體模型對離心壓縮機(jī)進(jìn)行一維分析，之后采用了新的建模方法用于SCO2壓縮機(jī)的三維數(shù)值模擬，得到不可壓縮模型可對SCO2壓縮機(jī)進(jìn)行完整詳細(xì)的多維模型仿真，且該模型具有數(shù)值穩(wěn)定性、計(jì)算效率和物理精度等優(yōu)點(diǎn)。Shao等人[55]引入了“凝結(jié)裕量”對SCO2離心壓縮機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)探討，以低流量系數(shù)SCO2離心壓縮機(jī)的初步設(shè)計(jì)結(jié)果為例進(jìn)行了CFD模擬，得到的結(jié)果與勘探結(jié)果一致。Du等人[56]采用遺傳算法對SCO2離心壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到壓縮機(jī)最佳揚(yáng)程系數(shù)為0.53,最大循環(huán)效率為24.4%。劉朝陽等人[57]研究了葉頂間隙對SCO2離心壓縮機(jī)氣動性能的影響，得到葉頂間隙的增大會降低SCO2離心壓縮機(jī)的效率和壓比。朱玉銘等人[58]設(shè)計(jì)開發(fā)了SCO2兩級離心壓縮機(jī)，得到實(shí)驗(yàn)最大總壓比超過2.69,最大質(zhì)量流量接近16kg/s,并將此壓縮機(jī)與多個型號單級離心式壓縮機(jī)進(jìn)行對比，提出降低轉(zhuǎn)速是提高SCO2離心壓縮機(jī)性能的方法之一。曹潤等人[59]研究了增加盤腔和密封結(jié)構(gòu)的150kW SCO2離心壓縮機(jī)，得到在設(shè)計(jì)工況下氣動效率為72.1%,壓比為2.19,最大軸向推力為1635kN,離心葉輪的表面等效應(yīng)力最大值為109.95MPa,滿足設(shè)計(jì)材料304鋼的強(qiáng)度需求。尚鵬旭等人[60]對10MW級SCO2離心壓縮機(jī)不同進(jìn)口條件進(jìn)行分析，得到進(jìn)口溫度越低或進(jìn)口壓力越高時，壓縮機(jī)的性能越高。

5.2換熱器

在SCO2循環(huán)中換熱設(shè)備主要分為回?zé)崞鳌⒗鋮s器以及加熱器3類。目前的換熱器有板式、管殼式和印刷電路板式，其中印刷電路板式換熱器(PCHE)相比管殼式和板式換熱器具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：(1)換熱效率高；(2)耐高溫和耐高壓能力強(qiáng)；(3)在同等功率的條件下，PCHE的體積和重量是管殼式換熱器的1/5[61]。由于流體之間的巨大壓力差以及它們的緊湊性[62],PCHE被認(rèn)為是SCO2布雷頓循環(huán)換熱器的最佳選擇之一，大部分循環(huán)都是采用的此種換熱器，圖7所示為PCHE的結(jié)構(gòu)示意圖[63]。

圖7印刷電路板式換熱器示意圖

圖8 PCHE通道類型

可以看到許多文獻(xiàn)都是采用的此種換熱器，如Nikitin等人[63]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了SCO2布雷頓循環(huán)中PCHE的傳熱和壓降特性，得到局部換熱系數(shù)和壓降系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。Saeed等人[64]研究了PCHE的不同設(shè)計(jì)對SCO2循環(huán)性能的影響，采用了直型、Z型、C型、S型和翼型5種不同翅片構(gòu)型，如圖8所示，得到C型通道和Z型通道分別對應(yīng)循環(huán)效率的最大值和換熱器的最小尺寸。Ngo等人[65]提出了一種新型S型PCHE,并將它與Z型對比，得到它可在保持傳熱性能的同時降低6～7倍的壓降。Kruizenga等人[66,67]分析了PCHE內(nèi)SCO2的傳熱，采用了316型不銹鋼、九通道、半圓形試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)。Mohammed等人[69]提出冷卻器是阻礙實(shí)現(xiàn)SCO2循環(huán)高熱效率的主要原因之一，所以必須從冷卻器中回收熱量，以提高SCO2系統(tǒng)的整體能源利用效率，研究得到具有鋸齒形和波浪形通道的PCHE適合于SCO2循環(huán)，在通道中插入S型或翼型翅片可提高換熱能力。李磊等人[70]通過數(shù)值模擬方法對Z型的PCHE傳熱通道的傳熱和阻力特性進(jìn)行了研究，得到層流模型對于Z型的PCHE的傳熱和阻力效果更好，當(dāng)只改變兩側(cè)流體的質(zhì)量流量時傳熱效率會變小，而當(dāng)只改變熱側(cè)通道的入口溫度時傳熱效率會變大。李凈松等人[71]基于PCHE分析了換熱器尺寸對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)性能的影響，得到循環(huán)熱效率與換熱長度和面積成正比，但當(dāng)換熱器長度大于1.5m,高溫回?zé)崞鹘孛娣e大于12m2、低溫回?zé)崞鹘孛娣e大于9m2時循環(huán)效率提升不再明顯。高毅超等人[72]建立了Z型PCHE模型，分析了管徑和轉(zhuǎn)折角對其換熱的影響，得到在2mm～3mm、20°～45°時換熱性能最好。徐婷婷等人[73]采用分段設(shè)計(jì)的方法對PCHE進(jìn)行建模，將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表5,可以看出誤差不大，證明了分段設(shè)計(jì)方法的可靠性。范世望等人[74]采用流體-固體強(qiáng)耦合傳熱模型對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)中的PCHE在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行的換熱能力進(jìn)行研究，得到在穩(wěn)態(tài)工況下模擬符合工況，在非穩(wěn)態(tài)工況下由于冷熱通道換熱不均勻可能會導(dǎo)致部分流體偏離超臨界狀態(tài)，尤其是邊緣和出口附近，所以設(shè)計(jì)時需要考慮好PCHE內(nèi)部傳熱不均的問題。史陽等人[75]采用PCHE作為SCO2布雷頓循環(huán)的回?zé)崞骱屠鋮s器，對此進(jìn)行了測試以及費(fèi)用分析，以1MW換熱器為例，發(fā)現(xiàn)投資費(fèi)用遠(yuǎn)高于運(yùn)行費(fèi)用，且隨著SCO2質(zhì)量流量的增加，回?zé)崞骺傮w費(fèi)用也隨之增加，而冷卻器的總體費(fèi)用則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。劉凱等人[76]采用數(shù)值模擬方法探究SCO2在PCHE中的換熱特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保持壓力和流量一定時改變冷側(cè)入口溫度對PCHE熱功率的影響比熱側(cè)大，而若要改變熱通道的壓力或流量對PCHE熱功率的影響比改變冷通道的大。吳家榮等人[77]利用有限元方法對PCHE的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到由于壓力和溫度的共同作用使芯體受到應(yīng)力，可通過增大半圓截面尖角通道的圓弧半徑來減小應(yīng)力。丁源等人[78]設(shè)計(jì)了1MW SCO2光熱發(fā)電系統(tǒng)的換熱器，主要比較了直型和翼型兩種翅片，得到在換熱量、水力直徑、通道數(shù)量均相同時，翼型比直型換熱器的性能都要好。

表5分段設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

07

總結(jié)

SCO2布雷頓循環(huán)作為一種新興的發(fā)電循環(huán)受到了廣泛研究，主要包括以下幾部分：

(1)將用于布雷頓循環(huán)的工質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO2與布雷頓循環(huán)最合適，不僅效率高且安全綠色無毒。

(2)基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO2布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO2朗肯循環(huán)的效率，得到SCO2布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電結(jié)合更具有優(yōu)勢。

(3)基于光熱發(fā)電系統(tǒng)比較了SCO2布雷頓循環(huán)的結(jié)構(gòu)，得到再壓縮循環(huán)既簡單又高效，更適合光熱發(fā)電系統(tǒng)。

(4)對基于光熱發(fā)電系統(tǒng)的SCO2布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)參數(shù)之間存在耦合關(guān)系，需要均達(dá)到最優(yōu)才可使循環(huán)效率達(dá)到最佳。

(5)對SCO2布雷頓循環(huán)的設(shè)備進(jìn)行了研究，有透平、壓縮機(jī)和換熱器，其中PCHE作為一種新型的換熱器值得多關(guān)注。但目前看來結(jié)合光熱發(fā)電系統(tǒng)對SCO2布雷頓循環(huán)設(shè)備分析的較少，后續(xù)可多研究。

本文作者 | 李光霽 付亞男

來源 | 汽輪機(jī)技術(shù)

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