超临界二氧化碳布雷顿循环系统分析.pdf

39 超临界二氧化碳布雷顿循环系统分析超临界二氧化碳布雷顿循环系统分析 刘桃宏，杜晓东，赵 峰（上海船舶设备研究所，上海 200031）摘摘 要：要：基于美国国家标准与技术研究院的 REFPROP 数据库，建立一套完整的超临界二氧化碳循环模型计算程序，并对间冷再压缩循环和间冷再压缩再热循环进行对比计算与分析。结果表明：在间冷再压缩循环基础上，通过一次再热措施（温度为 580）可提高循环效率1.19%，且间冷分系统和再热分系统相对独立，最佳分流比主要受主压缩机相关参数影响，而最佳再热压力主要受透平相关参数决定。关键词：关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；间冷再压缩；间冷再压缩再热 中图分类号：中图分类号：TK123 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.011 Analysis of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle System LIU Taohong,DU Xiaodong,ZHAO Feng(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)Abstract:Based on the REFPROP database of US National Institute of Standards and Technology,a complete set of supercritical carbon dioxide cycle model calculation program is established.The intercooling recompression cycle and the intercooling recompression reheat cycle are compared and analyzed.The results show that on the basis of intercooling recompression cycle,the cycle efficiency can be increased by 1.19%through one reheat(at 580).And the intercooling subsystem and reheating subsystem are relatively independent.The optimal split ratio is mainly affected by the relevant parameters of the main compressor,and the optimal reheating pressure is mainly determined by the relevant parameters of the turbine.Key words:supercritical carbon dioxide;Brayton cycle;intercooling recompression;intercooling recompression reheat 0 引言引言 超 临 界 二 氧 化 碳（Supercritical Carbon Dioxide，S-CO2）布雷顿循环是指以CO2为工质的闭式布雷顿循环系统，由压缩、吸热、膨胀和冷却等过程组成，具有热效率高、功率密度高、结构紧凑、热源适用性宽泛、经济性好和环境友好等特点，是未来清洁高效发电技术和能源综合利 用技术的热点研究方向，同时对于实现国家“双碳”战略目标具有重大意义。国内外相关研究机构和科研人员围绕超临界二氧化碳发电循环做了大量的研究工作，取得了一系列成果。如：美国桑迪亚国家实验室、美国贝泰船用推进公司以及韩国能源研究所1通过试验对S-CO2循环进行研究；段承杰等2根据热力 作者简介：刘桃宏（1993），男，硕士、工程师。研究方向：船舶机电工程。40 cademic Research 技术交流 A 学定律，构建反应堆的S-CO2动力循环计算模型，并对经过预冷器的流量份额、低温回热器低压侧出口温度与高压侧入口温度差、高温回热器和低温回热器的回热度等多个参数进行循环效率分析，得到循环效率变化曲线；谢蓉等3采用Aspen Plus软件研究压缩机出口压力、涡轮出口压力、热源出口温度以及预冷器出口温度等参数对S-CO2再压缩布雷顿循环效率的影响；梁墩煌等4基于Python语言构建S-CO2闭式再压缩布雷顿循环的热力模型，研究压缩机出口压力、压比和换热器压降对循环效率的影响；廖吉香等5基于再压缩布雷顿循环模型，研究了简单回热循环、部分冷却循环、预压循环和分段膨胀循环，在相同工况下，分析比较这5种循环系统热效率。目前，对于超临界二氧化碳循环研究主要集中于再压缩循环和分流再压缩循环及其变体，而对复杂循环如间冷再压缩循环、间冷再压缩再热循环等则研究较少。对于兆瓦级以上的大功率S-CO2系统来说，选择最优的循环形式是发挥其高效率优势的重要基础和关键。因此，本文基于热力学定律，构建了压缩机、透平、回热器、冷却器等不同设备的热力学模型，并根据设备连接关系形成闭式循环回路，编制MATLAB计算程序，对循环系统效率展开分析。1 S-CO2再压再压缩循环缩循环 再压缩循环如图1所示，该循环相比于简单回热循环，新增高、低温2个回热器及1个再压缩机。高温高压的透平乏气依次经过高温回热器、低温回热器后分流成2个部分，一部分直接进入再压缩机直接压缩并与低温回热器冷端出口的工质混合后进入高温回热器，另一部分被冷却器冷却至接近临界点温度后进入主压缩机。图 1 再压缩循环流程图 2 热力循环模型热力循环模型 为了更深入地分析系统入口压力、入口温度、压比和分流比等重要参数对于间冷再压缩、间冷再压缩再热等循环系统效率的影响，基于热力学第一定律建立压缩机、透平、回热器和预冷器等不同设备的热力学模型，其中，分流比定义为工质进入再压缩机的质量流量占总质量流量的份额。2.1 压缩机及透平模型压缩机及透平模型 针对压缩机、透平等高速旋转机械设备，采用等熵压缩和等熵膨胀模型。压缩机：outcinPP（1）k,outinin,SS P T（2）k,outoutk,out,hh PS（3）k,outinc hhha（4）outoutin,TT Phh（5）41 inccmhW（6）式（1）式（6）中：c为压缩机压比；P为压力，MPa；T为温度，；S为熵值，kJ/(kg)；h为焓值，kJ/kg；ac为压缩机等熵效率；下标in和out分别代表入口和出口；Wc为压缩机耗功，kW；m为压缩机质量流量，kg/s；c为压缩机的机械效率；k为等熵过程。透平：t,intt,outPP（7）t,k,outt,int,in,SS PT（8）t,k,outt,outt,k,out,hh PS（9）tt,int,k,outthhha（10）t,outt,outt,in,TT Phh（11）t,intttmhW（12）式（7）式（12）中：t为透平压比；Wt为透平出功，kW；at为透平等熵效率；mt为透平质量流量；t为透平的机械效率。2.2 回热器模型回热器模型 回热器作为不同超临界二氧化碳布雷顿循环重要换热设备，回热器的换热量通常比加热量大，换热效率的大小严重影响整个系统循环效率，通常采用耐高温高压的印刷电路板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE）。本文将回热器实际换热量和理想最大换热量之比定义为回热度：h,inh,outh,inh,outc,in,hhhh PT（13）式中：为回热度；下标h和c分别代表回热器热侧流体和冷侧流体。循环效率可由式（14）计算：tchWWQ（14）式中：为循环效率；Qh为加热量，kW。3 间冷再压缩循环间冷再压缩循环 3.1 模型构建模型构建 参考常规朗肯循环常用的中间冷却、再热等方式，在原有S-CO2再压缩循环的基础上通过布置中间冷却器，形成间冷再压缩闭式布雷顿循环，如图2所示。图 2 间冷再压缩循环流程图 由图2可知，间冷再压缩循环相比于再压缩循环新增布置了1个间冷器和1个主压缩机2，将主压缩机1出口的二氧化碳通过间冷器冷却至与入口温度相等，再进入主压缩机2进行压缩，整个压缩过程相比于无间冷系统更加接近于等温过程，压缩耗功进一步降低，循环效率提高。系统主要输入参数如表1所示。42 cademic Research 技术交流 A 表 1 主要输入参数 输入参数 数值 输入参数 数值 分流比 0.050.60 透平等熵效率 0.90 主压缩机 1 入口压力/MPa 7.4 透平机械效率 0.99 主压缩机 1 出口压力/MPa 7.514.0 再压缩机等熵效率 0.90 主压缩机 1 入口流量/(kg/s)11.885 再压缩机机械效率 0.99 主压缩机 1 入口温度/34 主压缩机 2 入口温度/34 透平入口温度/550 主压缩机 2 出口压力/MPa 14.65 换热器冷热两端压损 0.01 主压缩机 2 等熵效率 0.90 主压缩机 1 等熵效率 0.90 主压缩机 2 机械效率 0.99 主压缩机 1 机械效率 0.99 3.2 计算结果分析计算结果分析 如图3所示，与再压缩循环相同，当主压缩机1出口压力（即中间冷却压力）确定时，存在最佳分流比使得循环效率达到最大值。当中间冷却压力为7.5 MPa（接近7.4 MPa）时，系统近似于再压缩循环，最佳分流比为0.36，基本与再压缩循环0.35的最佳分流比相等；当中间冷却压力提高时，由于低温回热器冷端入口的CO2温度更低，更加接近临界值，其比热也越大，因此为了保持较高的低温回热度，需要适当减少低温回热器冷端入口流量，即循环的最佳分流比也逐渐增大。当中间冷却压力大于10 MPa时，在系统达到最佳分流比后，改变分流比时，循环效率变化曲线逐渐平坦，这主要是由于随着分流比的增大，高温回热度基本保持不变，而进入低温回热器的工质流量不断减小，低温回热度的降低对循环效率的影响变小。图 3 分流比对间冷再压缩循环效率影响 由于CO2近临界点处特殊的物性变化，循环系统的最佳中间冷却压力为8 MPa，此时主压缩机1和主压缩机2压缩耗功之和较小，且高温、低温回热度维持在一个较高的水平。当分流比0.3时，虽然中间冷却对于系统的影响效果提升，但此时系统偏离循环最佳分流比较远，高温、低温回热器效率低，循环效率不升反降。如图4和图5所示，间冷再压缩循环当主压缩机1出口压力为8 MPa、分流比为0.47时，循环效率达到最大值42.21%，相比于再压缩循环提高0.68%。当分流比与主压缩机1出口压力达到合理的耦合关系时，循环效率可以达到40.27%以上，而当主压缩机1出口压力大于10.2 MPa时，无论如何改变分流比，较高的中间冷却压力对回热度影响大于分流比的影响，循环效率均小于40.27%，无法继续维持在较高的水平。图4 主压缩机1出口压力对间冷再压缩循环效率影响 43 图5 间冷循环效率变化图（主压缩机2出口压力=14.65 MPa）如图6所示，当主压缩机2出口压力为20 MPa时，中间冷却压力8.1 MPa、分流比0.41时，循环达到最大效率44.71%，相比于再压缩循环提高2.31%，这主要是由于系统压比变大，压缩机耗功所占系统总耗功的比重变大，中间冷却对于循环效率的影响逐渐增大，同时为了保持较高的低温回热度，最佳分流比变小。图6 间冷循环效率变化图（主压缩机2出口压力=20 MPa）4 间冷再压缩再热循环间冷再压缩再热循环 4.1 模型构建模型构建 通过分析可知，若透平1出口的乏气再热后的温度、压力参数较低，整个循环系统的效率不一定增加，甚至有可能降低，而蒸汽循环系统中常布置再热循环主要也是为了提高末级叶片的湿度，从而提高整个系统的经济性和安全性，因此，需要开展S-CO2间冷再压缩再热循环中再热温度、再热压力等参数对于循环效率