基于超临界CO2的布雷顿循环发电系统设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

通过文献调研发现，超临界二氧化碳布雷顿循环布局方式对参数影响研究和系统优化是联合应用和实验平台搭建的理论基础，也是研究的热门方向。YoonHan等人[1]对近年来的超临界二氧化碳布雷顿循环的研究做了调研和总结，发现超临界二氧化碳在核反应堆、余热利用等领域都具有较高的应用潜力，此外，还比较了不同分布的布雷顿循环，并介绍了韩国正在设计的10MW级别的大型SCIEL试验平台的基本原理和搭建现状。可以看出本课题为各国研究的热点方向。Dostal[2]等人将超临界CO2循环与其他先进的循环进行了比较。结果表明，采用直接S-CO2循环时，蒸汽间接循环可节约30%以上，与直接循环相比节约可达15%。

虽然超临界CO2布雷顿循环效率较高也是讨论热点，但因其循环结构类别多，技术尚未完全成熟，需针对不同工况做出改变。Crespi等人[3]总结了近年来研究中提及的不同布局分布、不同燃料、不同应用(在不同应用领域与不同技术的联合循环)，共有四十二种不同的独立分布的循环系统，和三十八种不同组合的联合布局循环，其中单独布局的循环平均热效率约为40％，而联合布局循环的效率能够达到50％到60％。通过总结可以得出，在众多方案中主要分为有回热、无回热和无压缩、单次压缩和再压缩这几类循环结构。

要想达到效率最高，则需要根据不同循环结构对不同参数进行设计。Wen-Long等人[4]针对传统循环分析的不足给出了影响循环效率的多个具体参数，并提出了几种参数和全局参数的灵敏度分析和优化方法。这些参数可分为设计参数和非设计参数。最大压力和分离比是设计参数；各涡轮机的热源温度和效率均为非设计参数。对于不同的循环系统，非设计参数固定，而设计参数的取值是循环优化的关键。这也给出了本课题的主要研究方向。Padilla 等人[5]的研究给出了常见循环㶲效率最高温度。其对有回热系统和无回热系统的太阳能发电布雷顿循环分别进行了热力学和㶲分析，其对比分析结果显示加入回热系统可以提高同时提高火用效率和第一定律效率，由于太阳能接收器中存在㶲损，㶲效率随温度先增大后逐渐减小，在600℃到最大值，而第一定律效率随温度升高单调递增。但对于本课题，考虑到工程材料造价等其余经济性因素，循环最佳温度应小于600℃。

其中，因再压缩式布雷顿循环经济性好循环效率高，其参数设计一直为着重讨论方面。Sarkar[6][7]等人进行了强度分析和优化研究并对超临界CO2回收装置进行了压气机压力比和高压与低压涡轮之间的中压优化，从而达到了最大的热效率。研究表明，最低操作温度对最佳压力比和循环效率的影响比最高操作温度更重要，而最大循环温度对循环效率的影响则更大。Ma等人[8]为了进一步提高超临界二氧化碳再压缩循环的性能，研究了带有主压缩机内冷(MCIC)的循环，对带有内冷和不带内冷的循环进行了对比，并对两个关键参数(压缩机压比和分压比)进行了优化分析。研究结果表明，在计算的参考条件下MCIC可以使循环效率提高2．65％，工作条件改变会影响MCIC对循环效率的影响。压缩机压比和分压比优化结果受最低温度，最高温度，最高压力的影响。陈渝楠[9]计算分析了压缩分流系数、汽轮机分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对循环效率的影响。结果表明：压缩分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对系统循环效率的影响显著，而汽轮机分流系数对系统循环效率几乎无影响；压缩机压比与压缩分流系数之间存在最优耦合值，使得该系统的循环效率最高；系统循环效率随着汽轮机入口温度增加而增加，随着主压缩机入口温度的增加而降低。梁墩煌[10]为了研究超临界CO2布雷顿循环中工作温度、压力以及换热器的换热能力对系统的热效率的影响。 通过计算机数值模拟的方法，在换热器换热能力一定的条件下，通过调整压缩机出口压力、压比以及换热器压降等参数，研究系统循环最大热效率的变化。计算结果表明，压缩机出口压力以及压比均存在最优值，当压力超过一定数值后，增大系统压力并不能提高热效率。换热器的压降对系统热效率影响显著，并影响系统最大热效率情况下的再压缩份额。综上所述循环的工作温度、压缩分流系数、涡轮入口温度、冷凝器出口温度为本课题对再压缩式布雷顿循环的研究重点。

也有学者将再压缩式与预压缩进行了比较，王兵兵[11]为了分析预压缩式超临界CO2布雷顿循环的性能，建立了预压缩式布雷顿循环的分析模型，分析了系统关键参数对再循环效率的影响并阐述了具体影响机理，对循环的最佳压比及最佳预压缩压力进行了计算，并开展了预压缩循环与再压缩循环的对比分析。结果表明：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；预压缩循环的效率随着循环最低温度的升高而降低，随着循环最高温度以及最高压力的升高而提高；在相同条件下，预压缩循环的效率较再压缩循环稍高，但优势不明显。且由于预压缩式结构复杂，造价成本高，工厂中一般不予采用，再压缩式布雷顿循环仍为主流设计方案，这也为本课题提供了研究的主要方向。

参考文献：

1. YOONHAN AHN,SEONG JUN BAE.Review of supercritical CO2 power cycle technology and current status of research and development[J].Nucl Eng Technol,2015,47:647-661.
2. Vaclav Dostal,Pavel Hejzlaramp;Michael J. Driscoll.The Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle: Comparison to Other Advanced Power Cycles[J].Nuclear Technology,2006,154:3,283-301.
3. Francesco Crespi.Supercritical carbon dioxide cycles for power generation: A review[J].Applied Energy,2017,195:152-183.
4. Wen-Long Cheng.Global parameter optimization and criterion formula of supercritical carbon dioxide Brayton cycle with recompression[J].Energy conversion and management,2017,150: 669-677.
5. R. Vasquez Padilla.An exergy analysis of recompression supercritical CO2 cycles with and without reheating[J].Energy Procedia,2015,69:1181-1191.
6. Jahar Sarkar.Second law analysis of supercritical CO2 recompression Brayton cycle[J]. Energy,2009,34:1172-1178.
7. Jahar Sarkar.Optimization of recompression S-CO2 power cycle with reheating[J].Energy Conversion and Management,2009,50:1939-1945.
8. Yuegeng Ma.Thermodynamic study of main compression intesupercritical CO2 recompression Brayton cycle[J].Energy,2017,140:746-756.
9. 陈渝楠.超临界二氧化碳火力发电系统模拟研究[J].热力发电,2017,46:2,22-28.
10. 梁墩煌.压力对超临界二氧化碳布雷顿循环系统的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2017,38:4,578-582.
11. 王兵兵.预压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环的特性研究[J].动力工程学报,2018,38:5,412-417.