预压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环的特性研究

王兵兵， 乔加飞

(神华国华(北京)电力研究院有限公司, 北京 100025)

超临界CO2布雷顿循环(Supercritical CO2，简写为S-CO2)是一种以S-CO2为工质的基于布雷顿循环原理的闭式循环，其在热效率和成本等方面相比蒸汽轮机及燃气轮机具有更大的优势[1]。近几年，由于S-CO2闭式循环的高效环保性，被越来越多的学者视为未来发电的主要发展方向。S-CO2发电与核反应堆相结合可获得比传统机组更高的核电转化效率，对核电的应用有着更深远的影响，目前S-CO2布雷顿循环成为第四代先进核能系统的备选热力方案之一[2-3]。S-CO2发电与太阳能热发电相结合，S-CO2循环在500～700 ℃时具有较大的优势，正是太阳能热发电接收器应用现有技术即可实现的温度，且S-CO2循环性能明显高于商业化的蒸汽动力循环，可促进光热发电的成本大幅降低，对推进光热发电的产业化有重要意义[4-5]。笔者对预压缩式超临界CO2布雷顿循环进行了研究，分析了循环关键参数对循环性能的影响，并与再压缩循环进行了对比。

1 系统描述

1.1 系统介绍

S-CO2布雷顿循环是一种闭式布雷顿循环技术，根据循环结构的不同可以分为多种形式，再压缩布雷顿循环即是其中一种比较典型的应用形式。预压缩式S-CO2布雷顿循环(简称预压缩循环)在再压缩循环基础上增加了预压缩机和中间冷却器，其结构如图1所示，循环由主压缩机、再压缩机、预压缩机、中间冷却器、透平、高低温回热器、冷却器、加热器及相关的管道构成。其工作流程如下：透平出口的S-CO2流体先进入高温回热器进行放热(6—7)，后进入低温回热器继续放热(7—8)后，工质进行了分流，一部分直接被再压缩机压缩(8—3)，另一部分工质则在冷却器中放热(8—1)后先进入预压缩机压缩(1—2′)升压，再进入中间冷却器，最后进入主压缩机压缩(1′—2)。升压后的S-CO2先后在低温回热器(2—3)及高温回热器中吸收热量(3—4)，最后在加热器中被加热到循环最高温度(4—5)后进入透平做功(5—6)。

图1 预压缩循环结构图

1.2 数学模型

根据热力学第一定律建立再压缩循环以及预压缩循环的仿真分析模型，利用Matlab调用NIST Refprop函数来查询CO2物性并开展循环的仿真计算。

循环中压缩机与透平的实际比功可以通过等熵效率来计算，定义压缩机等熵效率ηc和透平等熵效率ηt，则叶轮机械的等熵比功[6-7]为:

wi=hin-hout,i

(1)

式中：hin为叶轮机械的入口焓；hout,i为叶轮机械出口的等熵比功。

压缩机的实际比功为：

(2)

透平的实际比功为：

wt=wiηt

(3)

定义流过再压缩机的工质质量流量与总工质质量流量的比值为x，则低温回热器的回热度为：

(4)

式中：x为经过再压缩机的质量流量份额；H3、H2、H7和H8分别为循环中3点、2点、7点和8点的焓值，kJ/kg；ΔTmax为回热器最大冷热温差；qm为质量流量，kg/s；cp为CO2的比热容，kJ/(kg·K)。

高温回热器的回热度为：

(5)

式中：H4和H6分别为循环中4点和6点的焓值，kJ/kg。

αlrec和αhrec计算方法的差异是由分流引起的，其中2个回热器的出口温度需满足：

(6)

式中：ΔTH和ΔTL分别为高、低温回热器为避免出现夹点导致传热恶化而设置的最小端差。

为了验证模型计算结果的可靠性，利用笔者建立的仿真模型对再压缩循环进行仿真计算并与文献[8]中公布的结果进行对比。当循环的最低温度Tmin=32 ℃、循环最高温度Tmax=550 ℃、循环最高压力pmax=20 MPa、压比为2.6时,计算所得循环分流量为0.4、循环效率为45.27%，与文献中公布的数据(0.41、45.27%)非常吻合。

仿真计算中的循环运行参数见表1，仿真中忽略管道内的压降及其他不可逆损失，且循环处于稳态。

2 仿真与分析

2.1 预压缩压力的影响

预压缩循环与普通再压缩循环的主要区别是设置了一个预压缩机，并在其后增加了中间冷却器，这样做的原因是：CO2在压缩机内被压缩过程中温度会升高，温度升高后会造成压缩机耗功增大，因此为了降低再压缩机总功率，可以将压缩过程中的CO2抽出进行冷却，之后再继续压缩，这就是预压缩循环的工作原理，在这个过程中预压缩压力会影响整个循环的效率。

表1 循环参数

图2和图3分别给出了不同预压缩压力下循环的效率、系统分流量以及压缩机和透平做功的变化情况。此时循环的最低温度Tmin=32 ℃、循环最高温度Tmax=550 ℃、循环最高压力p=30 MPa、循环压比为3.9。由图2可以看出，当预压缩压力较低时，系统的循环效率会快速提高，但当预压缩压力提高到9 MPa后，继续增大预压缩压力，系统的循环效率提高很小，甚至预压缩压力再提高后，系统的循环效率会缓慢降低。由图3还可以看出，预压缩压力较低时，压缩机的总功率下降幅度较大，随着预压缩压力的提高，压缩机的总功率下降幅度越来越小，而预压缩压力的变化对透平出力几乎没有影响，因此随着预压缩压力的提高，循环的净输出功缓慢增大。通过上述仿真结果可以看到，在循环最高压力为30 MPa时，预压缩循环的最佳预压缩压力为9.7 MPa。

图2 预压缩压力对循环效率及再压缩机分流量的影响

图3 预压缩压力对循环设备功率的影响

2.2 循环最低温度的影响

预压缩循环的循环效率与压缩机入口温度有关。图4～图6给出了不同压缩机入口温度(Tmin=30～50 ℃)情况下循环的仿真结果，此时循环最高压力pmax=30 MPa、循环最高温度Tmax=550 ℃。图4给出了循环效率与再压缩机分流量随着循环最低温度的变化趋势，由图4可以看到其变化趋势与分流再压缩循环相似，随着循环最低温度的升高，循环效率逐渐降低。图5给出了不同循环最低温度下使循环效率最高时的最佳压比和最佳预压缩压力的变化情况，由图5可知，最佳压比逐渐减小，而最佳预压缩压力则逐步提高。图6给出了循环中压缩机、透平及循环吸热量的变化情况，可以看到随着循环最低温度的升高，透平总功率、压缩机总功率以及循环吸热量均减小，但透平总功率降低的幅度更大，这就造成循环效率随着循环最低温度的升高而逐渐降低。

图4 循环最低温度对循环效率及再压缩机分流量的影响

图5 循环最低温度对最佳压比及最佳预压缩压力的影响

(a)

(b)

2.3 循环最高温度的影响

图7～图9给出了不同循环最高温度下(Tmax=500～750 ℃)的循环仿真结果，此时循环最低温度Tmin=32 ℃、循环最高压力pmax=30 MPa。图7给出循环效率及再压缩机分流量的变化情况。由图7可以看出，随着循环最高温度的提高，循环效率越来越高。图8给出不同循环最高温度下使循环效率最高时的最佳压比及最佳预压缩压力的变化情况，图8中最佳压比逐渐增大，最佳预压缩压力则逐渐减小。图9给出了循环中压缩机、透平及循环吸热功率的变化情况。由图9可以看出，随着循环最高温度的提高，循环透平总功率增加，循环净输出功率不断增加，且增加幅度比循环吸热量的增加幅度稍大，因此循环效率随着循环最高温度的升高而提高。

图7 循环最高温度对循环效率及再压缩机分流量的影响

2.4 循环最高压力的影响

图10～图12给出了不同循环最高压力(pmax=20～30 MPa)下的循环仿真结果，此时循环最低温度Tmin=32 ℃、循环最高温度Tmax=550 ℃。图10为循环效率及再压缩机分流量的变化情况，可以看出随着循环最高压力的升高，循环效率不断提高。图11给出了不同循环最高压力下使循环效率最高时的最佳压比及最佳预压缩压力的变化情况，可以看到最佳压比及最佳预压缩压力随着循环最高压力的升高而增大。图12给出了循环中压缩机、透平及循环吸热量的变化情况，可以看到随着循环最高压力的升高，透平总功率及压缩机总功率均增加，但透平总功率增加幅度更大，因此循环的净输出功不断增加，而且幅度比循环吸热量增加的幅度大，所以循环效率随着循环最高压力的升高而提高。

图8 循环最高温度对最佳压比及最佳预压缩压力的影响

(a)

(b)

图10 循环最高压力对循环效率及再压缩机分流量的影响

图11 循环最高压力对最佳压比及最佳预压缩压力的影响

(a)

(b)

3 预压缩循环与再压缩循环的对比分析

图13～图15给出了不同循环最低温度、最高温度以及最高压力下预压缩循环与再压缩循环性能的比较。可以看到预压缩循环由于增加了中间冷却器，循环效率较再压缩循环效率有所提高，在不同循环最低温度下预压缩循环效率最高提升约5%，在不同循环最高温度下预压缩循环效率最高提升约1.6%，在不同循环最高压力下预压缩循环效率最高提升不到1%。可见预压缩循环效率较再压缩循环效率提高幅度非常有限，考虑到预压缩循环增加了循环设备和投资成本，该循环相比再压缩循环优势不明显。

图13 不同循环最低温度下预压缩循环与再压缩循环的效率对比

图14 不同循环最高温度下预压缩循环与再压缩循环的效率对比

图15 不同循环最高压力下预压缩循环与再压缩循环的效率对比

4 结 论

(1) 预压缩循环的效率与预压缩压力有关，且存在一个最佳预压缩压力使得循环效率达到最高。

(2) 预压缩循环的效率随着循环最低温度的提高而降低，这期间最佳压比逐渐减小，而最佳预压缩压力逐渐提高。

(3) 预压缩循环的效率随着循环最高温度的升高而提高，这期间最佳压比逐渐减小，而最佳预压缩压力逐渐提高。

(4) 预压缩循环的效率随着循环最高压力的升高而提高，这期间最佳压比逐渐增大，最佳预压缩压力逐渐升高。

(5) 通过不同循环最低温度、最高温度、最高压力下仿真结果的对比可以看到，预压缩循环的效率较再压缩循环效率提升不明显。

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