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再压缩S-CO2布雷顿循环性能分析及多目标优化

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化工学报 2024年第6期75卷 2143-2156页

作者：李子扬郑楠方嘉宾魏进家西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049

结合储热的太阳能热发电技术输出稳定、调峰能力强,引入超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环可进一步提升热电转换效率。既有研究大多采用单一指标对S-CO2循环进行性能评估,结果相对片面,因而有必要开展多指标综合性能评价以客观反映循环... 详细信息

结合储热的太阳能热发电技术输出稳定、调峰能力强,引入超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环可进一步提升热电转换效率。既有研究大多采用单一指标对S-CO2循环进行性能评估,结果相对片面,因而有必要开展多指标综合性能评价以客观反映循环性能状况。建立了35 MW再压缩式S-CO2循环的热力学和经济性模型,考察了关键参数对循环性能的影响。构建了反向传播神经网络结合遗传算法的优化方法(BP-GA),对循环性能进行多目标优化。结果表明,回热器总热导率的增加可提升循环效率,但存在上限;透平入口温度、循环最低和最高压力、分流比与循环性能分别存在显著的非单调作用关系,优化后的设计值依次为639.14℃、8.10 MPa、29.74 MPa和0.70。与初始设计值下的循环性能相比,优化后的循环系统度电成本降低了11.1%,循环热效率和比功分别提高了5.1%和27.6%。

关键词：超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环遗传算法整体优化热力学

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超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统动态特性研究

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热科学与技术 2023年第3期22卷 290-299页

作者：王广义杨竹强张博中国核动力研究设计院四川成都610000 大连理工大学能源与动力学院辽宁大连116024

超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环因其环保性与高热电转换效率而被视为核能发电未来发展的重要方向。借助Simulink软件平台,建立了S-CO_(2)再压缩布雷顿循环闭环动态仿真系统,通过模拟结果与Sandia实验数据的比较,验证了系统模型的... 详细信息

超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环因其环保性与高热电转换效率而被视为核能发电未来发展的重要方向。借助Simulink软件平台,建立了S-CO_(2)再压缩布雷顿循环闭环动态仿真系统,通过模拟结果与Sandia实验数据的比较,验证了系统模型的有效性。研究搭建的超临界CO_(2)再压缩布雷顿循环系统在稳态设计点条件下的预测热效率为31.85%,此外,还获得了热源功率和流量扰动条件下系统热力学参数的响应特征,发现热源功率的变化促使系统效率单调提升或降低,而改变系统流量未呈现类似变化趋势;扰动施加过程中,循环系统的参数对热源功率的变化非常敏感,热源功率减小15.00%,循环效率从31.85%降低到22.00%。最终基于仿真结果,获得多参量耦合关联下的变化规律与调控策略,可为S-CO_(2)再压缩布雷顿工程应用奠定基础。

关键词：超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环仿真动态特性

船用低速机烟气余热回收SCRBC参数多算法优化

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内燃机学报 2024年第3期42卷 253-260页

作者：谢良涛杨建国杨欣孙思聪胡闹范玉武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 船舶动力工程技术交通行业重点实验室湖北武汉430063 中国船舶集团有限公司第七一一研究所上海200090

针对船用低速机烟气余热回收(WHR)的超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩布雷顿循环(SCRBC)参数优化,利用低速机台架的试验数据,建立了再压缩布雷顿循环一维仿真模型,基于神经网络模型拟合得到循环参数增压比、分流比与循环效率和净回收功... 详细信息

针对船用低速机烟气余热回收(WHR)的超临界二氧化碳(S-CO_(2))再压缩布雷顿循环(SCRBC)参数优化,利用低速机台架的试验数据,建立了再压缩布雷顿循环一维仿真模型,基于神经网络模型拟合得到循环参数增压比、分流比与循环效率和净回收功的关系,通过多目标遗传算法优化(MOGA)和多准则决策方法(TOPSIS)确定低速机不同负荷下的最佳循环参数组合,提高了循环效率和净回收功.结果表明:在低速机100%负荷、分流比为0.117及增压比为1.804时,净回收功达到178.14 kW,布雷顿循环效率达到19.22%,此时,系统总效率提升了1.68%,燃油消耗率降低了6.43 g/(kW·h).通过对系统进行火用分析,冷却器火用损失最大为85 kW,火用损失效率为11.44%;换热器的火用损失为32 kW,火用损失效率为3.44%.完成了船舶低速机烟气余热S-CO_(2)再压缩布雷顿循环性能优化方法的研究,并可推广到其他低速机.

关键词：船用低速机再压缩布雷顿循环循环参数神经网络模型

S-CO2再压缩布雷顿循环系统动态特性研究

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S-CO2再压缩布雷顿循环系统动态特性研究

作者：韩瑞岩大连理工大学

学位级别：硕士

人类一直面临能源的可持续性和环保性问题。开发利用新型能源、转变多元化能源结构、提高能源系统的转化效率是实现能源和环境可持续性发展的必经之路。超临界二氧化碳(S-CO)布雷顿循环能量转换技术具有高热电转换率,有望在能源动力技... 详细信息

人类一直面临能源的可持续性和环保性问题。开发利用新型能源、转变多元化能源结构、提高能源系统的转化效率是实现能源和环境可持续性发展的必经之路。超临界二氧化碳(S-CO)布雷顿循环能量转换技术具有高热电转换率,有望在能源动力技术领域带来革命性变化。首先使用REFPROP计算了CO的物性并分析了其在拟临界区的变化特点。针对S-CO再压缩布雷顿循环系统,建立了其数学模型,并用MATLAB软件编制了计算程序,通过与相关文献进行对比验证了该程序的准确性。研究了分流系数、主压缩机进出口压力、主压缩机进口温度、透平进口温度、涡轮机械的等熵效率等循环运行参数对循环热效率的影响。利用Simulink软件开发S-CO再压缩布雷顿循环的动态仿真模型。根据模块化建模思想,将循环系统划分成系列模块进行处理。基于热力学、传热学和流体力学等基本原理建立了S-CO再压缩布雷顿循环数学模型,其中包括压缩机、加热器、透平、回热器、预冷器等模块,通过软件的模块库及工具箱对各模块进行编译并将其植入仿真平台中。在仿真平台上,根据S-CO循环系统中各部件的对应关系,将各部件的模块耦合连接,从而建立动态仿真系统。将相同输入条件下的仿真结果与文献实验结果进行对比,证明了仿真系统具有较高的精度,可以满足动态分析的要求。最后对动态仿真系统进行施加扰动,分析热源加热功率、涡轮机械转速、系统质量流量等参数扰动下S-CO再压缩布雷顿循环系统中温度、压力、换热器换热量、涡轮机械功率等参数的响应曲线。结果表明:搭建的模型具有较高的精度和较快的仿真速度,可以真实反映参数扰动条件下系统性能的动态响应。当系统在工况设计点稳定运行时,循环系统的各参数对热源功率的减小更为敏感,对透平转速的增加更为敏感,对流量变化都较为敏感。在各种扰动下预冷器出口温度变化很小,而压力改变相对较大,但这对整个系统的影响是显著的。根据施加扰动后的动态特性结果,提出了S-CO再压缩布雷顿循环系统控制策略方案。取得的研究结果可以为S-CO布雷顿循环系统中组件的设计提供基本设计参数和理论依据,为先进能源转换技术提供技术基础以及推进早日实现工程应用。

关键词： S-CO2 再压缩布雷顿循环物性热力学特性动态特性仿真

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超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环参数分析

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环参数分析

作者：黄雯旭中国科学技术大学

学位级别：硕士

超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环具有工质清洁,效率高,能量密度大,设备体积小等优点,在核反应堆、燃煤联合循环等许多领域都有着广泛的应用前景,是近几年研究的热门课题。在各种改进的超临界二氧化碳布雷顿循环中,超临界二氧化碳再压缩... 详细信息

超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环具有工质清洁,效率高,能量密度大,设备体积小等优点,在核反应堆、燃煤联合循环等许多领域都有着广泛的应用前景,是近几年研究的热门课题。在各种改进的超临界二氧化碳布雷顿循环中,超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环被认为是一种能够有效解决回热器夹点问题的高效率循环。本文主要针对现有参数分析中缺乏全局参数对于循环的综合影响的问题,从全局优化的观点对再压缩循环系统进行了总体优化,并在全局优化的基础上对再压缩循环中换热系统中的超临界二氧化碳在不同流道内换热参数进行了研究。首先,本文对超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环进行了基于Spearman等级相关系数方法的循环参数敏感性分析。分析结果表明循环中的最大压力和透平膨胀机效率的相关系数绝对值最高,是高敏感性的影响参数,对效率的影响程度较大。而其他参数的敏感性相对较低,相关系数均在0.3以下,由大到小依次为再压缩压缩机效率,分流比,主压缩机效率和总压力损失。该分析结果为确定提高超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环效率所需优先采用的方法奠定了理论基础。为了克服现有循环参数优化局限于参数关系而缺乏对整体参数之间的互相影响分析的问题,本文提出了基于全局优化的再压缩布雷顿循环的优化方法。优化结果显示,任一超临界二氧化碳再压缩循环系统都存在最佳的循环最大压力和循环分流比,使得循环的整体效率达到最大值;利用该优化方法,可以得出不同工况条件下,最佳循环运行工况下的再压缩循环参数组合。为了避免参数优化过程中的繁琐计算,本文在全局优化结果的基础上,根据参数特性,将其分为设计参数和非设计参数,通过对优化数据的分析处理,得出了最佳循环效率、最佳无量纲压比、最佳分流比的优化准则数,从而为工程实践最佳循环工况下的参数计算提供了理论基础。最后,本文针对超临界二氧化碳的特殊换热性能也做出了研究,对普通的圆管流道基础上改变其进出口的比例形成的变流道圆管和普通圆管中超临界二氧化碳的流动传热性能进行了计算分析。在不同的工况下,本文对普通流道和变流道下超临界二氧化碳的流动传热进行了模拟分析,结果表明,当重力方向与流动方向相反时,普通流道和变流道的压力损失较大,而重力方向与流动方向相同时,普通流道和变流道的压力损失较小,重力方向改变会引起出口平均温度的细微变化。在相同的运行条件下下,变流道圆管的出口温度要高于普通圆管流道,压力损失比普通圆管流道更小,具有更加好的传热性能,将变流道应用于超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中,相较于普通流道带来的出口温度提升,对于提高循环效率是有益的。

关键词：超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环敏感性分析全局参数优化设计准则式换热研究变流道

中低温超临界CO_(2)及其混合工质布雷顿循环热力学分析

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化工学报 2022年第3期73卷 1379-1388页

作者：孙铭泽马宁李浩然姜海峰洪文鹏牛晓娟东北电力大学能源与动力工程学院吉林省吉林市132012

基于热力学第一定律对超临界CO_(2)混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,重点讨论了在中低温热源下(200~400℃)加入气体种类及比例、透平入口温度、透平入口压力、分流比、主压缩机入口温度对循环热力学性能的影响。结果表明:加入... 详细信息

基于热力学第一定律对超临界CO_(2)混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,重点讨论了在中低温热源下(200~400℃)加入气体种类及比例、透平入口温度、透平入口压力、分流比、主压缩机入口温度对循环热力学性能的影响。结果表明:加入0~10%的丙烷、新戊烷、异丁烷、正丁烷均能够提高循环效率,改善循环系统的热力学性能。在透平入口温度低于260℃时,加入乙烷的循环热效率低于单一工质CO_(2)。随着混合比例、透平入口温度和压力、分流比的增加,系统循环效率也随之提高。主压缩机入口温度增加,循环效率反而下降。

关键词：中低温超临界二氧化碳混合工质再压缩布雷顿循环热力学性质

1000MW超临界二氧化碳动力循环燃煤发电机组变工况特性研究

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中国电机工程学报 2023年第17期43卷 6681-6687页

作者：陈璟陈磊周敬朱萌廖海燕刘辉许凯向军国电电力发展股份有限公司北京市朝阳区100101 煤燃烧国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 国家能源集团新能源技术研究院有限公司北京市朝阳区100024

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))燃煤发电技术被视为可替代蒸汽朗肯循环的新型发电技术。该文针对1000MW的32MPa/620℃S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组,进行S-CO_(2)锅炉创新构型设计,可实现锅炉效率94.6%,发电标... 详细信息

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))燃煤发电技术被视为可替代蒸汽朗肯循环的新型发电技术。该文针对1000MW的32MPa/620℃S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组,进行S-CO_(2)锅炉创新构型设计,可实现锅炉效率94.6%,发电标准煤耗245.6g/(kW·h)。为更好的研究机组变工况下的运行性能,基于Aspen Plus平台,建立1000MW级S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组变工况模型。结果表明:在变负荷过程中,低压透平的工质体积流量受影响较大;机组的全厂热效率会随着负荷的降低而降低;主工质温度和和再热工质温度偏差是影响机组热经济性的主要原因。研究结果对未来建设S-CO_(2)动力循环燃煤发电机组具有指导意义。

关键词：超临界二氧化碳燃煤发电机组再压缩布雷顿循环变工况煤耗

空冷和水冷超临界二氧化碳布雷顿循环冷却核能系统的构型优化研究

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核科学与工程 2022年第4期42卷 822-830页

作者：薛琪冯民吴攀苟军利单建强西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049

本研究旨在设计紧凑性强且效率高的循环系统,通过结合具有中等堆芯出口温度的核能系统,设计了合适的再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环。在考虑回热器的最小温差和循环效率的基础上,对中等堆芯出口温度的核能系统在水冷和空冷条件下的再... 详细信息

本研究旨在设计紧凑性强且效率高的循环系统,通过结合具有中等堆芯出口温度的核能系统,设计了合适的再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环。在考虑回热器的最小温差和循环效率的基础上,对中等堆芯出口温度的核能系统在水冷和空冷条件下的再压缩布雷顿循环进行了优化设计。本文研究了压缩机入口压力和温度、气轮机入口压力、回热器换热能力、涡轮机械效率等参数对再压缩布雷顿循环效率的影响。在水冷条件下,再压缩布雷顿循环的最佳循环效率可达到40.48%。在空冷条件下,再压缩布雷顿循环的最佳循环效率可达到34.36%(压缩机入口温度为55℃)。压缩机入口温度每升高5%,再压缩布雷顿循环的循环效率降低1.2%。

关键词：超临界CO_(2) 再压缩布雷顿循环热力学分析优化

超临界CO2二元混合工质中低温余热布雷顿循环发电系统性能研究

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超临界CO2二元混合工质中低温余热布雷顿循环发电系统性能研究

作者：孙铭泽东北电力大学

学位级别：硕士

目前中低温余热资源利用率极低,回收和利用工业生产过程中产生的中低温余热,可以进一步提高能源利用率,降低能源消耗速度,是解决能源问题和环境问题的有效途径。超临界CO布雷顿循环具有性能好、构型简单、经济性好、匹配热源类型较广等... 详细信息

目前中低温余热资源利用率极低,回收和利用工业生产过程中产生的中低温余热,可以进一步提高能源利用率,降低能源消耗速度,是解决能源问题和环境问题的有效途径。超临界CO布雷顿循环具有性能好、构型简单、经济性好、匹配热源类型较广等优点,成为目前最具应用潜力的高效能源转换形式之一。而在超临界CO中混入适当的第二组分工质,能够改变工质的临界参数,进一步提高系统循环性能。因此本文对超临界CO二元混合工质中低温余热布雷顿循环发电系统的热力学性能开展了系统研究。获得混合工质种类及比例和循环参数对循环效率及循环(火用)效率的影响规律,并建立了以循环效率和循环(火用)效率为目标的优化模型,最后对再压缩布雷顿循环系统进行了结构优化,得到两种改进再压缩布雷顿循环。首先,建立了超临界CO混合工质再压缩布雷顿循环模型,并验证了模型的正确性。基于环保性、稳定性、安全性和合适临界参数等原则,筛选出新戊烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、乙烷五种烷烃类工质与CO进行混合,作为超临界CO混合工质再压缩布雷顿循环的循环工质。其次,对中低温超临界CO混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,与典型中低温有机朗肯循环热力学性能较高的工质进行对比,超临界CO混合工质再压缩布雷顿循环在效率上更具优越性。分析了混合工质种类及比例、透平入口温度(T)、透平入口压力(P)、分流比(x)、主压缩机入口温度(T)对循环效率及循环(火用)效率的影响规律。结果表明:循环效率及循环(火用)效率随着T、P、x的增加而提高,随着T的增加而下降。其中加入新戊烷等四种工质与CO进行混合,其循环效率及循环(火用)效率均高于CO。其中新戊烷与CO混合工质,热力学性能最佳,单一工质CO循环效率和循环(火用)效率分别低于混合工质1.66%、1.46%。各部件(火用)损随着T的增加而增加;透平机、预冷器、主、再压缩机部件(火用)损随着P增加而增加;透平、再压缩机、高温回热器、发电机部件(火用)损随着x的增加而增加;透平、预冷器、主、再压缩机部件(火用)损随着T增加而增加。最后基于遗传算法,建立了以循环效率和循环(火用)效率为目标的优化模型,得到最佳运行工况,分析混合比例对循环效率、循环(火用)效率、最佳分流比、透平入口压力的影响规律。结果显示:最佳循环效率、循环(火用)效率、最佳透平入口压力随着加入工质混合比例的增加也随之提高。最佳分流比随混合比例增加而下降。在再压缩布雷顿循环基础上,进行结构优化,提出两种优化构型,来提高循环热力学性能。在最佳运行工况下,预压缩布雷顿循环、回热再压缩布雷顿循环效率和(火用)效率均高于再压缩布雷顿循环。

关键词：超临界 CO2混合工质中低温余热再压缩布雷顿循环热力学性能