預壓縮式超臨界二氧化碳布雷頓循環的特性研究

王兵兵， 喬加飛

(神華國華(北京)電力研究院有限公司, 北京 100025)

超臨界CO2布雷頓循環(Supercritical CO2，簡寫為S-CO2)是一種以S-CO2為工質的基于布雷頓循環原理的閉式循環，其在熱效率和成本等方面相比蒸汽輪機及燃氣輪機具有更大的優勢[1]。近幾年，由于S-CO2閉式循環的高效環保性，被越來越多的學者視為未來發電的主要發展方向。S-CO2發電與核反應堆相結合可獲得比傳統機組更高的核電轉化效率，對核電的應用有著更深遠的影響，目前S-CO2布雷頓循環成為第四代先進核能系統的備選熱力方案之一[2-3]。S-CO2發電與太陽能熱發電相結合，S-CO2循環在500～700 ℃時具有較大的優勢，正是太陽能熱發電接收器應用現有技術即可實現的溫度，且S-CO2循環性能明顯高于商業化的蒸汽動力循環，可促進光熱發電的成本大幅降低，對推進光熱發電的產業化有重要意義[4-5]。筆者對預壓縮式超臨界CO2布雷頓循環進行了研究，分析了循環關鍵參數對循環性能的影響，并與再壓縮循環進行了對比。

1 系統描述

1.1 系統介紹

S-CO2布雷頓循環是一種閉式布雷頓循環技術，根據循環結構的不同可以分為多種形式，再壓縮布雷頓循環即是其中一種比較典型的應用形式。預壓縮式S-CO2布雷頓循環(簡稱預壓縮循環)在再壓縮循環基礎上增加了預壓縮機和中間冷卻器，其結構如圖1所示，循環由主壓縮機、再壓縮機、預壓縮機、中間冷卻器、透平、高低溫回熱器、冷卻器、加熱器及相關的管道構成。其工作流程如下：透平出口的S-CO2流體先進入高溫回熱器進行放熱(6—7)，后進入低溫回熱器繼續放熱(7—8)后，工質進行了分流，一部分直接被再壓縮機壓縮(8—3)，另一部分工質則在冷卻器中放熱(8—1)后先進入預壓縮機壓縮(1—2′)升壓，再進入中間冷卻器，最后進入主壓縮機壓縮(1′—2)。升壓后的S-CO2先后在低溫回熱器(2—3)及高溫回熱器中吸收熱量(3—4)，最后在加熱器中被加熱到循環最高溫度(4—5)后進入透平做功(5—6)。

圖1 預壓縮循環結構圖

1.2 數學模型

根據熱力學第一定律建立再壓縮循環以及預壓縮循環的仿真分析模型，利用Matlab調用NIST Refprop函數來查詢CO2物性并開展循環的仿真計算。

循環中壓縮機與透平的實際比功可以通過等熵效率來計算，定義壓縮機等熵效率ηc和透平等熵效率ηt，則葉輪機械的等熵比功[6-7]為:

wi=hin-hout,i

(1)

式中：hin為葉輪機械的入口焓；hout,i為葉輪機械出口的等熵比功。

壓縮機的實際比功為：

(2)

透平的實際比功為：

wt=wiηt

(3)

定義流過再壓縮機的工質質量流量與總工質質量流量的比值為x，則低溫回熱器的回熱度為：

(4)

式中：x為經過再壓縮機的質量流量份額；H3、H2、H7和H8分別為循環中3點、2點、7點和8點的焓值，kJ/kg；ΔTmax為回熱器最大冷熱溫差；qm為質量流量，kg/s；cp為CO2的比熱容，kJ/(kg·K)。

高溫回熱器的回熱度為：

(5)

式中：H4和H6分別為循環中4點和6點的焓值，kJ/kg。

αlrec和αhrec計算方法的差異是由分流引起的，其中2個回熱器的出口溫度需滿足：

(6)

式中：ΔTH和ΔTL分別為高、低溫回熱器為避免出現夾點導致傳熱惡化而設置的最小端差。

為了驗證模型計算結果的可靠性，利用筆者建立的仿真模型對再壓縮循環進行仿真計算并與文獻[8]中公布的結果進行對比。當循環的最低溫度Tmin=32 ℃、循環最高溫度Tmax=550 ℃、循環最高壓力pmax=20 MPa、壓比為2.6時,計算所得循環分流量為0.4、循環效率為45.27%，與文獻中公布的數據(0.41、45.27%)非常吻合。

仿真計算中的循環運行參數見表1，仿真中忽略管道內的壓降及其他不可逆損失，且循環處于穩態。

2 仿真與分析

2.1 預壓縮壓力的影響

預壓縮循環與普通再壓縮循環的主要區別是設置了一個預壓縮機，并在其后增加了中間冷卻器，這樣做的原因是：CO2在壓縮機內被壓縮過程中溫度會升高，溫度升高后會造成壓縮機耗功增大，因此為了降低再壓縮機總功率，可以將壓縮過程中的CO2抽出進行冷卻，之后再繼續壓縮，這就是預壓縮循環的工作原理，在這個過程中預壓縮壓力會影響整個循環的效率。

表1 循環參數

圖2和圖3分別給出了不同預壓縮壓力下循環的效率、系統分流量以及壓縮機和透平做功的變化情況。此時循環的最低溫度Tmin=32 ℃、循環最高溫度Tmax=550 ℃、循環最高壓力p=30 MPa、循環壓比為3.9。由圖2可以看出，當預壓縮壓力較低時，系統的循環效率會快速提高，但當預壓縮壓力提高到9 MPa后，繼續增大預壓縮壓力，系統的循環效率提高很小，甚至預壓縮壓力再提高后，系統的循環效率會緩慢降低。由圖3還可以看出，預壓縮壓力較低時，壓縮機的總功率下降幅度較大，隨著預壓縮壓力的提高，壓縮機的總功率下降幅度越來越小，而預壓縮壓力的變化對透平出力幾乎沒有影響，因此隨著預壓縮壓力的提高，循環的凈輸出功緩慢增大。通過上述仿真結果可以看到，在循環最高壓力為30 MPa時，預壓縮循環的最佳預壓縮壓力為9.7 MPa。

圖2 預壓縮壓力對循環效率及再壓縮機分流量的影響

圖3 預壓縮壓力對循環設備功率的影響

2.2 循環最低溫度的影響

預壓縮循環的循環效率與壓縮機入口溫度有關。圖4～圖6給出了不同壓縮機入口溫度(Tmin=30～50 ℃)情況下循環的仿真結果，此時循環最高壓力pmax=30 MPa、循環最高溫度Tmax=550 ℃。圖4給出了循環效率與再壓縮機分流量隨著循環最低溫度的變化趨勢，由圖4可以看到其變化趨勢與分流再壓縮循環相似，隨著循環最低溫度的升高，循環效率逐漸降低。圖5給出了不同循環最低溫度下使循環效率最高時的最佳壓比和最佳預壓縮壓力的變化情況，由圖5可知，最佳壓比逐漸減小，而最佳預壓縮壓力則逐步提高。圖6給出了循環中壓縮機、透平及循環吸熱量的變化情況，可以看到隨著循環最低溫度的升高，透平總功率、壓縮機總功率以及循環吸熱量均減小，但透平總功率降低的幅度更大，這就造成循環效率隨著循環最低溫度的升高而逐漸降低。

圖4 循環最低溫度對循環效率及再壓縮機分流量的影響

圖5 循環最低溫度對最佳壓比及最佳預壓縮壓力的影響

(a)

(b)

2.3 循環最高溫度的影響

圖7～圖9給出了不同循環最高溫度下(Tmax=500～750 ℃)的循環仿真結果，此時循環最低溫度Tmin=32 ℃、循環最高壓力pmax=30 MPa。圖7給出循環效率及再壓縮機分流量的變化情況。由圖7可以看出，隨著循環最高溫度的提高，循環效率越來越高。圖8給出不同循環最高溫度下使循環效率最高時的最佳壓比及最佳預壓縮壓力的變化情況，圖8中最佳壓比逐漸增大，最佳預壓縮壓力則逐漸減小。圖9給出了循環中壓縮機、透平及循環吸熱功率的變化情況。由圖9可以看出，隨著循環最高溫度的提高，循環透平總功率增加，循環凈輸出功率不斷增加，且增加幅度比循環吸熱量的增加幅度稍大，因此循環效率隨著循環最高溫度的升高而提高。

圖7 循環最高溫度對循環效率及再壓縮機分流量的影響

2.4 循環最高壓力的影響

圖10～圖12給出了不同循環最高壓力(pmax=20～30 MPa)下的循環仿真結果，此時循環最低溫度Tmin=32 ℃、循環最高溫度Tmax=550 ℃。圖10為循環效率及再壓縮機分流量的變化情況，可以看出隨著循環最高壓力的升高，循環效率不斷提高。圖11給出了不同循環最高壓力下使循環效率最高時的最佳壓比及最佳預壓縮壓力的變化情況，可以看到最佳壓比及最佳預壓縮壓力隨著循環最高壓力的升高而增大。圖12給出了循環中壓縮機、透平及循環吸熱量的變化情況，可以看到隨著循環最高壓力的升高，透平總功率及壓縮機總功率均增加，但透平總功率增加幅度更大，因此循環的凈輸出功不斷增加，而且幅度比循環吸熱量增加的幅度大，所以循環效率隨著循環最高壓力的升高而提高。

圖8 循環最高溫度對最佳壓比及最佳預壓縮壓力的影響

(a)

(b)

圖10 循環最高壓力對循環效率及再壓縮機分流量的影響

圖11 循環最高壓力對最佳壓比及最佳預壓縮壓力的影響

(a)

(b)

3 預壓縮循環與再壓縮循環的對比分析

圖13～圖15給出了不同循環最低溫度、最高溫度以及最高壓力下預壓縮循環與再壓縮循環性能的比較。可以看到預壓縮循環由于增加了中間冷卻器，循環效率較再壓縮循環效率有所提高，在不同循環最低溫度下預壓縮循環效率最高提升約5%，在不同循環最高溫度下預壓縮循環效率最高提升約1.6%，在不同循環最高壓力下預壓縮循環效率最高提升不到1%。可見預壓縮循環效率較再壓縮循環效率提高幅度非常有限，考慮到預壓縮循環增加了循環設備和投資成本，該循環相比再壓縮循環優勢不明顯。

圖13 不同循環最低溫度下預壓縮循環與再壓縮循環的效率對比

圖14 不同循環最高溫度下預壓縮循環與再壓縮循環的效率對比

圖15 不同循環最高壓力下預壓縮循環與再壓縮循環的效率對比

4 結 論

(1) 預壓縮循環的效率與預壓縮壓力有關，且存在一個最佳預壓縮壓力使得循環效率達到最高。

(2) 預壓縮循環的效率隨著循環最低溫度的提高而降低，這期間最佳壓比逐漸減小，而最佳預壓縮壓力逐漸提高。

(3) 預壓縮循環的效率隨著循環最高溫度的升高而提高，這期間最佳壓比逐漸減小，而最佳預壓縮壓力逐漸提高。

(4) 預壓縮循環的效率隨著循環最高壓力的升高而提高，這期間最佳壓比逐漸增大，最佳預壓縮壓力逐漸升高。

(5) 通過不同循環最低溫度、最高溫度、最高壓力下仿真結果的對比可以看到，預壓縮循環的效率較再壓縮循環效率提升不明顯。

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