基于有機(jī)工質(zhì)及CO2的跨臨界動(dòng)力循環(huán)研究進(jìn)展

陳崇輝，歐少端，蘇 文，李曉雅，藺新星，周乃君

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.南洋理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，新加坡 639798；3.中國三峽集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100038)

0 引 言

全球變暖已成為世界共識，為將全球溫升控制在2 ℃以內(nèi)，多國發(fā)布了適合自身國情的低碳發(fā)展路徑及時(shí)間表。現(xiàn)階段，CO2排放主要來自化石能源的燃燒，故提高能源利用效率及加強(qiáng)可再生能源的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵舉措。在能源利用過程中，能量基本以熱能的形式存在。按照溫度高低，可將熱能依次劃分為高溫?zé)崮?≥500 ℃)、中溫?zé)崮?230～500 ℃)及低溫?zé)崮?<230 ℃)[1]。在自然界及工業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量的中低溫?zé)崮埽哂蟹植紡V及種類多的特點(diǎn)[2-3]。有效利用這部分熱能是提高一次能源利用率、推進(jìn)可再生能源替代化石能源、實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段。

近年來，涌現(xiàn)大量有關(guān)跨臨界動(dòng)力循環(huán)的研究報(bào)道，包括不同熱源驅(qū)動(dòng)下的循環(huán)構(gòu)建及優(yōu)化[9-10]、動(dòng)態(tài)分析及控制策略[11]、高效換熱器及透平部件的設(shè)計(jì)[6,12]等。通過仿真、試驗(yàn)等方法分析論證了跨臨界動(dòng)力循環(huán)在利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣/工業(yè)煙氣的余熱[13]、地?zé)醄14]、太陽能[15-16]等熱源的可行性和優(yōu)越性。如石凌峰[13]應(yīng)用跨臨界動(dòng)力循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣和缸套水余熱，構(gòu)建了4種基本熱力循環(huán)，設(shè)計(jì)并搭建了一套4.6 kW量級樣機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)4種循環(huán)結(jié)構(gòu)的簡易切換。RAO等[16]針對太陽能驅(qū)動(dòng)的跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，建立了云擾動(dòng)下基本循環(huán)及回?zé)嵫h(huán)的動(dòng)態(tài)仿真模型。以關(guān)鍵詞“Subcritical power cycle”和“ORC”、“Transcritical power cycle”、“Supercritical power cycle”在Scopus 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)近年來有關(guān)動(dòng)力循環(huán)的論文數(shù)量明顯增多，論文作者以中國、美國、伊朗和英國學(xué)者居多。在已發(fā)表的綜述文章中，有諸多關(guān)于亞臨界[17-18]和超臨界[19-21]動(dòng)力循環(huán)的文章，但缺乏對跨臨界動(dòng)力循環(huán)研究進(jìn)展的總結(jié)分析。因此，筆者將以跨臨界動(dòng)力循環(huán)為主線，首先回顧現(xiàn)有循環(huán)結(jié)構(gòu)，介紹循環(huán)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真模型，根據(jù)不同的循環(huán)工質(zhì)(有機(jī)工質(zhì)、CO2及CO2混合工質(zhì))綜述了國內(nèi)外跨臨界動(dòng)力循環(huán)的最新理論和試驗(yàn)研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，筆者探討了跨臨界動(dòng)力循環(huán)將要面臨的挑戰(zhàn)以及今后的發(fā)展方向。

1 跨臨界動(dòng)力循環(huán)結(jié)構(gòu)及仿真模型

1.1 循環(huán)結(jié)構(gòu)

圖1 基本跨臨界動(dòng)力循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the basic transcritical power cycle

圖2 改進(jìn)回?zé)嵫h(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the improved recuperative cycle

近年來，由一個(gè)頂循環(huán)和一個(gè)底循環(huán)組合而成的聯(lián)合循環(huán)成為了研究熱點(diǎn)，具體循環(huán)結(jié)構(gòu)的選擇通常與熱源溫度有關(guān)。聯(lián)合循環(huán)在無額外消耗能源的條件下，提高了熱源的利用率和系統(tǒng)熱效率。目前已有大量關(guān)于跨臨界循環(huán)和亞臨界[29]、跨臨界[30]、超臨界[31]、卡琳娜[32]及斯特林[33]循環(huán)等組成的聯(lián)合循環(huán)研究。一般地，頂循環(huán)和底循環(huán)之間有3種連接方式。第1種是熱源側(cè)耦合，即熱源流體依次流經(jīng)頂循環(huán)和底循環(huán)并進(jìn)行熱交換。以跨臨界CO2動(dòng)力循環(huán)和卡琳娜循環(huán)耦合為例，典型循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示[32]。第2種是工質(zhì)側(cè)耦合，即通過中間換熱器連接頂循環(huán)和底循環(huán)，底循環(huán)工質(zhì)回收利用頂循環(huán)冷凝熱，或共用動(dòng)力部件如泵和透平，降低系統(tǒng)成本。以有機(jī)朗肯循環(huán)和跨臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的聯(lián)合為例，典型循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示[29]。第3種是混合耦合，即熱源側(cè)和工質(zhì)側(cè)均耦合連接。以跨臨界動(dòng)力循環(huán)和亞臨界動(dòng)力循環(huán)耦合為例，典型循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示[31]。超臨界CO2(S-CO2)動(dòng)力循環(huán)被認(rèn)為是回收高溫?zé)嵩醋罹邞?yīng)用前景的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[7,34]，但是其冷卻溫度仍然較高且余熱利用程度不足。因此，出現(xiàn)了大量將跨臨界動(dòng)力循環(huán)作為底循環(huán)與S-CO2再壓縮循環(huán)耦合的研究[15,31,35-37]。ZHOU等[37]提出S-CO2再壓縮循環(huán)和改進(jìn)型回?zé)嵫h(huán)的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在跨臨界循環(huán)中，工質(zhì)經(jīng)過泵壓縮后進(jìn)行分流，一部分進(jìn)入回?zé)崞鳎硪徊糠诌M(jìn)入預(yù)熱器，從而提高系統(tǒng)性能。

圖3 聯(lián)合循環(huán)示意Fig.3 Combined cycle

圖4 S-CO2再壓縮循環(huán)與跨臨界循環(huán)的聯(lián)合結(jié)構(gòu)Fig.4 Combined structure of the S-CO2 recompression cycle and the transcritical cycle

聯(lián)合循環(huán)雖能提高系統(tǒng)性能，但由于系統(tǒng)部件增多，使系統(tǒng)質(zhì)量、占地面積、經(jīng)濟(jì)成本等隨之增加，難以應(yīng)用于對循環(huán)系統(tǒng)的空間和質(zhì)量有較高要求的場合，如海上平臺、移動(dòng)車輛等[28,38]。對此， MOROZ等[39]提出復(fù)合循環(huán)方法，即共用2個(gè)循環(huán)壓縮機(jī)、回?zé)崞骱屠淠鞯认到y(tǒng)部件，以提高系統(tǒng)的緊湊性，如圖5給出的復(fù)合循環(huán)示例。

圖5 復(fù)合循環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the complex cycle

綜上所述，目前跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，但已有的循環(huán)結(jié)構(gòu)僅憑研究者的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建，難以得到適用于不同條件的最佳循環(huán)結(jié)構(gòu)。對此，學(xué)者們[40-42]提出了循環(huán)形式的智能構(gòu)建方法，即采用二進(jìn)制編碼表征各熱力過程，并基于智能算法對熱力過程進(jìn)行拓?fù)浣M合，以優(yōu)化得到最佳循環(huán)構(gòu)型。如天津大學(xué)趙力團(tuán)隊(duì)[40]設(shè)計(jì)了一套2層算法來實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的智能構(gòu)建，將循環(huán)簡化為傳熱部分和基本配置部分，并對3個(gè)案例進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)循環(huán)功率分別增加了47.97、46.5和42.59 kJ/kg。因此，智能構(gòu)建將循環(huán)構(gòu)建和智能算法相結(jié)合或?qū)⒊蔀闊崃ρh(huán)的研究熱點(diǎn)。

1.2 熱力學(xué)模型

1.2.1 穩(wěn)態(tài)模型

針對提出的多種新型跨臨界動(dòng)力循環(huán)結(jié)構(gòu)，學(xué)者們基于熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模。為簡化循環(huán)模型，大部分研究多限于穩(wěn)態(tài)工況[5,6,30-31,43-46]，并做出以下假設(shè)：

① 忽略管道和換熱器熱損失和壓降[6,44-45]，或取某一定值[31,35]；② 泵、壓縮機(jī)和透平機(jī)具有恒定的等熵效率[43,45,47]；③ 給定換熱器的窄點(diǎn)溫差[35,45,48-49]；④ 冷凝器出口的工質(zhì)處于飽和液態(tài)[47,50]。

值得注意的是，在對加熱器進(jìn)行熱力建模時(shí)，通常已知工質(zhì)進(jìn)出口溫度、熱源進(jìn)口溫度及質(zhì)量流量，從而基于窄點(diǎn)溫差確定工質(zhì)的質(zhì)量流量[49]。然而，對于跨臨界動(dòng)力循環(huán)，工質(zhì)在整個(gè)加熱過程中都處于超臨界狀態(tài)，且工質(zhì)的比熱隨溫度和壓力變化很大。因此，加熱器內(nèi)溫度窄點(diǎn)理論上可發(fā)生在任意位置。對此，在數(shù)學(xué)建模時(shí)，通常將加熱過程劃分為n段，逐段求解并得到每段的最小溫差，從而確定溫度窄點(diǎn)位置和熱源出口溫度，以得到工質(zhì)質(zhì)量流量。否則，改變熱源的出口溫度值，重新迭代計(jì)算[45,51]。

∑min=∑mout，

(1)

∑Q+∑minhin=∑mouthout+∑W，

(2)

∑Ein=∑Eout+∑W+EL，

(3)

Ei=mi[hi-h0-T0(si-s0)]，

(4)

表1 主要部件的熱力學(xué)模型Table 1 Thermodynamic model of the main components

Wnet=∑WTur-∑WP，

(5)

ηth=Wnet/QH×100%，

(6)

(7)

(8)

1.2.2 動(dòng)態(tài)模型

由于熱源及環(huán)境工況的波動(dòng)，熱力系統(tǒng)的運(yùn)行將偏離設(shè)計(jì)工況。當(dāng)波動(dòng)較大時(shí)，熱力系統(tǒng)甚至可能無法正常運(yùn)行。因此，除建立穩(wěn)態(tài)模型，還必須建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型，以對系統(tǒng)的變工況運(yùn)行進(jìn)行模擬分析。針對跨臨界動(dòng)力循環(huán)，泵及膨脹機(jī)的響應(yīng)較快，可認(rèn)為無慣性延遲，常采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行建模[52-53]。相比動(dòng)力部件，回?zé)崞鳌⒓訜崞鳌⒗淠鞯葥Q熱部件的響應(yīng)時(shí)間較長，直接決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特性。因此，在動(dòng)態(tài)建模中，研究者主要考慮換熱器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型[54]。

換熱器的動(dòng)態(tài)建模方法主要有分布參數(shù)法、移動(dòng)邊界法和集總參數(shù)法[55]。依據(jù)傳熱流體所處相態(tài)，分布參數(shù)法和集總參數(shù)法適用于單相流體的傳熱，而移動(dòng)邊界法主要用于多相流體的傳熱建模。因此，針對跨臨界動(dòng)力循環(huán)，換熱器的動(dòng)態(tài)建模常采用分布參數(shù)法和移動(dòng)邊界法。

分布參數(shù)法由集總參數(shù)法發(fā)展而來，適用于跨臨界動(dòng)力循環(huán)中加熱器及回?zé)崞鞯膭?dòng)態(tài)建模。該方法將換熱器劃分為多個(gè)微元段，每個(gè)微元段內(nèi)的流體物性參數(shù)可取該段進(jìn)出口數(shù)值的平均值。在此基礎(chǔ)上，換熱器的任意微元段內(nèi)質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程[53]可分別表示為

(9)

(10)

對于多相流體傳熱，移動(dòng)邊界法將換熱器分成過冷區(qū)、兩相區(qū)和過熱區(qū)3個(gè)區(qū)域，適用于跨臨界循環(huán)中冷凝器的動(dòng)態(tài)建模。相比分布參數(shù)法，移動(dòng)邊界法中3個(gè)區(qū)域的相邊界會(huì)隨工況變化而發(fā)生移動(dòng)。每個(gè)區(qū)域的質(zhì)量和能量平衡方程[53]如下：

液相過冷區(qū)：

(11)

(12)

氣液兩相區(qū)：

(13)

(14)

氣體過熱區(qū)：

(15)

(16)

1.3 經(jīng)濟(jì)模型

∑Cout+Cw=∑Cin+Cq+Z，

(17)

Cj=cjEj，

(18)

Z=Ceq+Cm，

(19)

表2 經(jīng)濟(jì)模型參數(shù)表達(dá)式Table 2 Parametric expressions of economic model

1.3.2 成本模型

為預(yù)估當(dāng)年經(jīng)濟(jì)狀況下熱力系統(tǒng)的總投資成本，一般通過化工工廠成本指數(shù)(iCEPC)轉(zhuǎn)化為參考年份的總投資成本[58]。

Ctotal,n=Ctotal,refiCEPC,total/iCEPC,n，

(20)

Ctotal,ref=∑Ci，

(21)

式中，Ctotal為總投資成本；n和ref分別為當(dāng)年和參考年份。

系統(tǒng)各部件的投資成本取決于購買成本CPur和成本系數(shù)F，計(jì)算公式見表3[36]。

由表3可知，透平和壓縮機(jī)的投資成本通過輸出功與功耗估算，而加熱器、回?zé)崞鞯葥Q熱設(shè)備的投資成本則通過換熱面積進(jìn)行估算。上述模型中K、B、D、F為相應(yīng)系數(shù)。

表3 主要部件的投資成本模型Table 3 Investment cost models for major components

基于系統(tǒng)成本的計(jì)算，單位發(fā)電成本[36]可定義為

(22)

式中，fk為操作、維護(hù)和保險(xiǎn)成本系數(shù)；t為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

2 不同工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)理論研究

2.1 有機(jī)工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)

對于有機(jī)工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)，工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)對換熱器內(nèi)部熱匹配有顯著影響，直接決定循環(huán)系統(tǒng)性能。表4列出了常用工質(zhì)的熱力學(xué)和環(huán)境參數(shù)[17,20,29,59-61]。WANG等[62]研究了工質(zhì)的臨界壓力、臨界溫度和干度對跨臨界循環(huán)性能的影響。結(jié)果表明，較高的臨界溫度導(dǎo)致熱源出口溫度較高，熱源利用率低，較低的臨界溫度導(dǎo)致透平出口溫度較高，冷凝器換熱惡化。較高的臨界壓力則會(huì)影響加熱器內(nèi)部的熱匹配；在相同冷凝壓力下，工質(zhì)的溫熵飽和蒸汽曲線斜率(k)越大，則冷凝器中過熱度越大，對應(yīng)的熱匹配性越差。因此，在優(yōu)選工質(zhì)時(shí)，應(yīng)盡量選擇臨界壓力低、臨界溫度適中，且k較小的工質(zhì)。此外，最佳的循環(huán)工質(zhì)還與熱源溫度有關(guān)。WANG等[51]在不同熱源溫度下研究了跨臨界動(dòng)力循環(huán)的熱匹配性能，提出了邊界溫度的概念。每種工質(zhì)都存在一個(gè)邊界溫度，如R1234ze(E)、R227a、異丁烷、R245fa的邊界溫度分別為151.4、125.5、170.8和195.8 ℃。當(dāng)熱源溫度高于邊界溫度時(shí)，跨臨界動(dòng)力循環(huán)使用該工質(zhì)才具有更好的熱力性能。

表4 常用工質(zhì)的熱力學(xué)和環(huán)境參數(shù)Table 4 Thermodynamic and environmental parameters of common fluids

針對跨臨界動(dòng)力循環(huán)，工質(zhì)在超臨界狀態(tài)下吸熱，可與熱源形成良好的溫度匹配，而工質(zhì)在亞臨界兩相恒溫冷凝，與冷源溫度匹配性差。為提高工質(zhì)與冷源的溫度匹配程度，可將2種及以上有機(jī)工質(zhì)組成混合物作為跨臨界動(dòng)力循環(huán)的工作流體，以利用非共沸混合工質(zhì)相變過程的溫度滑移實(shí)現(xiàn)換熱流體間更好的溫度匹配。YANG等[63]利用R1234yf/R32混合物作為低品位余熱回收的工作流體，研究了跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性能。結(jié)果表明，在最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，R1234yf/R32(0.8∶0.2)的熱經(jīng)濟(jì)性能分別比純R1234yf和純R32高1.46%和4.88%。ZHI等[64]將混合工質(zhì)R600a/R601a和R134a/R245fa分別應(yīng)用于圖2(c)聯(lián)合系統(tǒng)的跨臨界和亞臨界循環(huán)，發(fā)現(xiàn)在最佳配比下，混合工質(zhì)的最大凈輸出功為97.95 kW，比純工質(zhì)的凈輸出功增加19.78%。

針對亞臨界動(dòng)力循環(huán)、跨臨界動(dòng)力循環(huán)、雙壓加熱亞臨界動(dòng)力循環(huán)、雙壓加熱跨臨界動(dòng)力循環(huán)4種結(jié)構(gòu)，CHAGNON等[60]基于20種有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)雙壓加熱跨臨界循環(huán)(圖4(b))在大多數(shù)情況下具有最高的循環(huán)性能。SURENDRAN等[65]利用蒸汽再生器，改進(jìn)了圖4(b)循環(huán)結(jié)構(gòu)，得到了圖4(c)循環(huán)構(gòu)型，以環(huán)戊烷作為工作流體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后系統(tǒng)的凈輸出功比原有系統(tǒng)增加了16%。針對雙壓加熱跨臨界動(dòng)力循環(huán)，ZHI等[45, 66-67]采用純工質(zhì)(R600、R600a、R601、R601a、R601b、R1233zd(E))和混合工質(zhì)(R600a/R601a、R600/R601)進(jìn)行了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)工質(zhì)中，R1233zd(E)的循環(huán)凈輸出功最大；當(dāng)采用有機(jī)混合工質(zhì)時(shí)，可提高系統(tǒng)的凈輸出功并降低系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。值得注意的是，當(dāng)以CO2為工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)的最大凈輸出功將大幅提高，而系統(tǒng)的最大壓力也隨之提高。該研究顯示了CO2相比有機(jī)工質(zhì)在提高余熱回收系統(tǒng)性能上的優(yōu)越性，故2.2節(jié)將重點(diǎn)介紹跨臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的研究進(jìn)展。

2.2 CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)

在跨臨界動(dòng)力循環(huán)中，由于傳統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)分解溫度較低，且環(huán)境友好性差，故研究者一直致力于研發(fā)新型高效且穩(wěn)定的環(huán)保工質(zhì)。在已有工質(zhì)中，CO2作為一種自然流體，具有環(huán)境友好(臭氧消耗潛能值為0，全球變暖潛能值為1)、熱穩(wěn)定性高、可與高溫?zé)嵩粗苯訐Q熱、易達(dá)到超臨界狀態(tài)(31.2 ℃、7.38 MPa)等優(yōu)點(diǎn)[8]，使其在跨臨界動(dòng)力循環(huán)中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注。將CO2應(yīng)用于跨臨界動(dòng)力循環(huán)時(shí)，處在超臨界狀態(tài)下的CO2具有密度高、黏度低等特點(diǎn)，能夠克服換熱器內(nèi)壓降大和易堵塞等問題[8]。此外，超臨界CO2的密度較高，可極大減小透平和換熱器的尺寸，使系統(tǒng)更加緊湊[68]。由于CO2定壓比熱在臨界溫度附近存在極大值，故CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)在利用高溫?zé)嵩吹耐瑫r(shí)具有高效回收低溫余熱的能力，從而實(shí)現(xiàn)熱源深度開發(fā)，以提高系統(tǒng)的做功能力[12]。在實(shí)際應(yīng)用中，CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)可更好適應(yīng)熱源的瞬時(shí)變化，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，避免頻繁啟停。

表5 基于CO2跨臨界動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)研究Table 5 Research on combined cycle based on CO2 transcritical power systems

在利用太陽能等周期性波動(dòng)的熱源時(shí)，常將跨臨界動(dòng)力循環(huán)和壓縮空氣[70,72]、壓縮CO2[73-74]等儲能系統(tǒng)相結(jié)合，以提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。圖6為兩級跨臨界壓縮CO2儲能系統(tǒng)[73]，該系統(tǒng)在用電低谷時(shí)，將低壓儲罐內(nèi)的CO2經(jīng)過壓縮、吸熱后，儲存于高壓儲罐內(nèi)；在用電高峰時(shí)，再將高壓儲罐內(nèi)的CO2進(jìn)行發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)電力的削峰填谷，從而緩解電網(wǎng)負(fù)荷的壓力。

圖6 兩級跨臨界CO2儲能系統(tǒng)Fig.6 Dual-stage transcritical CO2 energy storage system

針對CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，WU等[22]在地?zé)狎?qū)動(dòng)下研究了回?zé)崞鲗ρh(huán)非設(shè)計(jì)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)責(zé)崴馁|(zhì)量流量和溫度變化時(shí)，CO2跨臨界回?zé)嵫h(huán)的凈輸出功和熱效率均高于基本循環(huán)。DU等[75]以最大凈輸出功為目標(biāo)提出了一種新型控制方法，研究CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的非設(shè)計(jì)性能，發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的滑壓控制法和恒壓控制法，新型控制法可分別提高凈輸出功15.07%及3.49%。此外，為提高系統(tǒng)適應(yīng)熱源變化的能力，LI等[76]開發(fā)了自適應(yīng)流量控制策略，以主動(dòng)控制系統(tǒng)工質(zhì)流量。

由于CO2的臨界溫度與環(huán)境溫度接近，難以用自然冷源對CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行冷凝，極大限制了CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的工程應(yīng)用[77]。對此，研究者從循環(huán)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)[46,78-80]，構(gòu)建了新型自冷凝系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 自冷凝循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of self-condensing cycle

圖8 液化天然氣再氣化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 LNG regasification system

2.3 CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)

近年來，為降低CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的運(yùn)行壓力，研究者提出將CO2與有機(jī)工質(zhì)混合，以形成CO2混合工質(zhì)。相比于CO2，CO2混合工質(zhì)具有較高的臨界溫度，可以提高跨臨界動(dòng)力循環(huán)冷凝溫度的上限[43]。相比于純有機(jī)工質(zhì)，CO2混合工質(zhì)可以抑制有機(jī)組分的毒性及燃爆特性[82-83]。針對CO2混合工質(zhì)，喻志剛[84]以P-R狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，建立了相應(yīng)的物性預(yù)測模型，并通過試驗(yàn)測得了預(yù)回?zé)峥缗R界動(dòng)力循環(huán)中混合工質(zhì)CO2/R134a(0.6∶0.4,物質(zhì)的量比)的冷凝溫度為36.3 ℃，可以滿足環(huán)境冷源冷卻的要求。在眾多有機(jī)工質(zhì)中，為選擇最優(yōu)的有機(jī)工質(zhì)與CO2混合，常遵循以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)初選出候選工質(zhì)[50,61,85]：① 有機(jī)工質(zhì)的全球變暖潛能值GWP低于150和臭氧消耗值ODP為0；② CO2混合工質(zhì)的最大溫度滑移值應(yīng)小于50 ℃，以避免分餾；③ 有機(jī)工質(zhì)的臨界溫度要大于特定值，以實(shí)現(xiàn)CO2混合工質(zhì)的常溫冷凝。

表6總結(jié)了CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)的研究。可以發(fā)現(xiàn)，目前研究主要針對基本跨臨界動(dòng)力循環(huán)結(jié)構(gòu)。

表6 CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)研究Table 6 Research on the trans-critical power cycle of CO2 mixtures

續(xù)表

針對CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，WANG等[89-90]以CO2/R134a(0.7∶0.3，物質(zhì)的量比)為工質(zhì)建立了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要受換熱器的換熱性能和工質(zhì)熱慣性的影響。在非設(shè)計(jì)條件下，預(yù)熱器有利于降低系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)，而回?zé)崞鲃t會(huì)加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)參數(shù)的波動(dòng)幅度及響應(yīng)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，研究者提出了最優(yōu)控制策略，并在不同條件下比較了恒溫、恒壓和最優(yōu)控制策略的系統(tǒng)運(yùn)行特性。結(jié)果表明，CO2混合工質(zhì)中有機(jī)物占比越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越少，更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[91]。

3 不同工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)

相比于理論研究，已有的跨臨界動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)研究較少，擁有試驗(yàn)臺架的主要機(jī)構(gòu)有清華大學(xué)、天津大學(xué)及中科院。清華大學(xué)張信榮團(tuán)隊(duì)[92-94]最早搭建了以太陽能驅(qū)動(dòng)的CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，包括真空管太陽能集熱器、CO2泵、冷凝器和膨脹閥等部件。因未找到合適的膨脹機(jī)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于膨脹閥獲得，后續(xù)性能分析以假定的膨脹機(jī)效率開展，所得結(jié)果為估算值而非實(shí)測值。對此，針對CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)，HUANG等[95]設(shè)計(jì)制造了一種具有傳統(tǒng)碳環(huán)機(jī)械密封和角接觸陶瓷球軸承的部分進(jìn)氣軸流式渦輪膨脹機(jī)，并研究了該膨脹機(jī)的熱力性能，發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)的最大效率可達(dá)53.43%。而對于有機(jī)工質(zhì)，LANDELLE等[96]基于R134a改裝了渦旋膨脹機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明該渦旋膨脹機(jī)最大效率可達(dá)66.5%。

表7和表8列出了近年來不同工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)的試驗(yàn)研究及結(jié)果，目前試驗(yàn)研究的跨臨界動(dòng)力循環(huán)主要為圖1的4種基本循環(huán)，而對于理論研究中具有較高熱力性能的復(fù)雜循環(huán)仍未有相關(guān)的試驗(yàn)研究。對于CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)，僅有天津大學(xué)搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺。此外，在跨臨界動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)中，研究者常用熱水或?qū)嵊统洚?dāng)系統(tǒng)熱源，并采用冷水機(jī)組產(chǎn)生的低溫冷卻水作為循環(huán)冷源。

表7 有機(jī)工質(zhì)試驗(yàn)Table 7 Experimental studies on organics

表8 CO2及其混合工質(zhì)試驗(yàn)Table 8 Experimental studies on CO2 and mixtures of CO2

續(xù)表

4 結(jié)語及展望

1)跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，已有的循環(huán)結(jié)構(gòu)僅憑研究者的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建，尚無統(tǒng)一的系統(tǒng)構(gòu)建法則，同時(shí)針對各循環(huán)構(gòu)型的性能評價(jià)統(tǒng)一準(zhǔn)則至今還未明確。因此，探索熱力系統(tǒng)綜合評價(jià)機(jī)制，并嘗試與人工智能有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能構(gòu)建，將成為熱力循環(huán)的研究熱點(diǎn)。

2)為平衡工質(zhì)的熱力性能及環(huán)境性能，CO2混合工質(zhì)將成為跨臨界動(dòng)力循環(huán)研究的熱點(diǎn)。作為循環(huán)分析的前提，CO2混合工質(zhì)物性與有機(jī)工質(zhì)種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)測CO2混合工質(zhì)物性及高效優(yōu)選適用于跨臨界動(dòng)力循環(huán)的有機(jī)工質(zhì)還需進(jìn)一步研究。

3)現(xiàn)有跨臨界動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)研究僅針對簡單的基本循環(huán)。由于系統(tǒng)關(guān)鍵部件效率不高，導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)的性能與理論研究相差甚遠(yuǎn)。因此，亟需研發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)關(guān)鍵部件并針對多種循環(huán)結(jié)構(gòu)展開試驗(yàn)研究。