摘要：由于化石能源的消耗以及環(huán)境的惡化，各國都開(kāi)始尋找新型發(fā)電技術(shù)。SCO₂布雷頓循環(huán)身為新興的技術(shù)，具有臨界參數易達到、體積小、重量輕、循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)。將布雷頓循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO₂是zuì適合布雷頓循環(huán)的。之后將SCO₂布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)進(jìn)行比較，得到SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電相結合的效率更高?；诠鉄岚l(fā)電系統，對SCO₂布雷頓循環(huán)結構進(jìn)行了分析比較，得到再壓縮循環(huán)既簡(jiǎn)單又高 效，適合光熱發(fā)電系統。接著(zhù)在光熱發(fā)電系統中對布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化，從而使循環(huán)效率達到zuì 佳。zuì 后研究了SCO₂布雷頓循環(huán)的設備，包括向心透平、離心式壓縮機和印刷電路板式換熱器，其中印刷電路板式換熱器作為一種新型換熱器，因為它的緊湊高 效性等特點(diǎn)常被用于SCO₂布雷頓循環(huán)。

01 前言

近年來(lái)，隨著(zhù)環(huán)境的污染以及化石能源的消耗，各國都在努力尋找更加節能高 效的新能源。其中二氧化碳（CO₂）極為突出，它具有臨界參數易達到（臨界溫度30.98℃，臨界壓力7.38MPa）、安'全無(wú) 毒、比熱容大、能量密度高、儲量豐富、易獲取等優(yōu)點(diǎn)。而以超臨界二氧化碳（SCO₂）作為介質(zhì)的布雷頓循環(huán)，具有占地面積小、設備簡(jiǎn)單重量輕、循環(huán)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了大家廣泛研究。SCO₂布雷頓循環(huán)與太陽(yáng)能熱發(fā)電相結合，可以提高太陽(yáng)能轉化效率，所以目前來(lái)說(shuō)，光熱發(fā)電與SCO₂布雷頓循環(huán)相結合必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢。

本文將從以下5部分進(jìn)行介紹。第1部分將應用于布雷頓循環(huán)的介質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO₂是zuì 適合布雷頓循環(huán)的介質(zhì)；第2部分基于光熱發(fā)電系統比較了SCO₂布雷頓循環(huán)和水蒸氣朗肯循環(huán)、SCO₂朗肯循環(huán)，得到光熱發(fā)電與SCO₂布雷頓循環(huán)結合效率更高；第3部分基于光熱發(fā)電系統對SCO₂布雷頓循環(huán)結構進(jìn)行比較，得到再壓縮循環(huán)、中冷再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)效率較高，是比較適合光熱發(fā)電系統的；第4部分對基于光熱發(fā)電系統的SCO₂布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數進(jìn)行了優(yōu)化；第5部分對SCO₂布雷頓循環(huán)的設備進(jìn)行研究，主要包括透平、壓縮機和換熱器。

02 布雷頓循環(huán)介質(zhì)

圖1 簡(jiǎn)單循環(huán)

布雷頓循環(huán)是一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，如圖1所示，經(jīng)過(guò)定熵壓縮、定壓加熱、定熵膨脹、定壓放熱等4個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現能量的高 效轉化。

常見(jiàn)的布雷頓循環(huán)有：SCO₂布雷頓循環(huán)、He布雷頓循環(huán)和空氣布雷頓循環(huán)。與后兩者相比，SCO₂布雷頓循環(huán)的優(yōu)勢在于SCO₂在650℃就可以達到He在850℃的效率，并提供了選擇材料的靈活性，與空氣布雷頓循環(huán)相比大大減少了壓縮功，且循環(huán)效率可達到60%，比空氣布雷頓循環(huán)提高了10%。布雷頓循環(huán)作為一種以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，一般用于制冷劑的氣體可以用做布雷頓循環(huán)的工質(zhì)，為此也有選擇一些惰性氣體來(lái)進(jìn)行布雷頓循環(huán)效率的比較。Uusitalo等人選用了CO₂、C₂H₆、C₂H₄、R116等氣體來(lái)進(jìn)行布雷頓循環(huán)模擬，選擇它們主要是基于流體的臨界溫度略低于或接近壓縮機入口溫度，以確'保超臨界流體能貫穿整個(gè)循環(huán)，zuì 后得到以CO₂流體為工質(zhì)的中冷再壓縮循環(huán)具有zuì 優(yōu)效率。Coco-Enríquez L等人選擇了CO₂、N₂、Xe、CH₄、C₂H₆等5種氣體進(jìn)行效率比較，得到N₂的循環(huán)效率zuì 高，CO₂次之，但在提高透平入口壓力時(shí)只有CO₂可使循環(huán)效率升高，其它工質(zhì)均無(wú)變化。

通過(guò)在布雷頓循環(huán)中對這些工質(zhì)進(jìn)行效率比較，得到與大部分氣體工質(zhì)相比，CO₂循環(huán)效率zuì 高，且它是一種綠色安'全無(wú) 毒的氣體，是其它氣體無(wú)法比擬的，所以目前布雷頓循環(huán)的工質(zhì)還是CO₂zuì 佳，基于此興起了對SCO₂布雷頓循環(huán)的研究。

03 光熱發(fā)電中的SCO布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)比較

隨著(zhù)SCO2布雷頓循環(huán)的興起，人們不免將它與之前的循環(huán)進(jìn)行比較。其中zuì 突出的就是朗肯循環(huán)，如圖2所示，由鍋爐開(kāi)始進(jìn)行了定壓吸熱、定熵膨脹、定壓放熱和定熵壓縮等4個(gè)過(guò)程的簡(jiǎn)單動(dòng)力循環(huán)。

圖2 朗肯循環(huán)

光熱電站目前大部分都是采用的水蒸氣朗肯循環(huán)，與之相比，SCO2布雷頓循環(huán)不僅可以產(chǎn)生更高的循環(huán)熱效率，重量體積還會(huì )更小，與現有的水蒸氣朗肯循環(huán)相比較，不僅發(fā)電效率提高了6.2%～7.4%，電力成本還降低了7.8%～13.6%。Hanak等人得到SCO2布雷頓循環(huán)在透平入口溫度593.3℃，入口壓力24.23MPa下的凈效率損失比傳統水蒸氣朗肯循環(huán)少1%HHV，若進(jìn)一步提高溫度和壓力則凈效率損失會(huì )更少，且成本低27%。曹春輝建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)塔式光熱發(fā)電系統模型，得到再壓縮循環(huán)的發(fā)電系統熱效率和總熱效率分別為43.69%、25.95%，而使用水蒸氣朗肯循環(huán)時(shí)的兩個(gè)效率分別為37.85%、22.89%，可以明顯看出光熱發(fā)電系統使用再壓縮循環(huán)的效率要高。如表1，吳毅和楊雪也都將SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)進(jìn)行了比較，zuì 終得到SCO2布雷頓循環(huán)與光熱電站相結合的效率更高。

表 1  水蒸氣循環(huán)和 SCO 2 循環(huán)效率比較

前面得到SCO₂作為一種優(yōu)'秀工質(zhì)，同樣可以用于朗肯循環(huán)，為了得到更適合光熱電站的循環(huán)，同樣將SCO₂朗肯循環(huán)和SCO₂布雷頓循環(huán)的循環(huán)效率進(jìn)行比較。已知SCO₂布雷頓循環(huán)，當透平入口溫度在700℃的簡(jiǎn)單循環(huán)效率大于44%，而更先'進(jìn)的再壓縮循環(huán)效率可達到51%。而以SCO₂為工質(zhì)的太陽(yáng)能朗肯循環(huán)系統的電能效率和熱效率為11.4%和36.2%，在zuì 優(yōu)配置下的zuì 大循環(huán)熱效率才能達到40%。張玉偉搭建了SCO₂太陽(yáng)能朗肯循環(huán)系統，得到朗肯循環(huán)效率會(huì )隨著(zhù)時(shí)間產(chǎn)生較大的波動(dòng)，在中午時(shí)循環(huán)效率zuì 高，可達到21.6%，在整個(gè)時(shí)間段的平均循環(huán)效率可達到約14%。向沖同樣搭建了SCO₂太陽(yáng)能朗肯循環(huán)系統，得到在典型工況下（透平壓力從10MPa降到6.5MPa， 加熱溫度為100℃）的循環(huán)總效率為20.58%。從上述數據中均可以明顯看出，SCO₂布雷頓循環(huán)的效率明顯高于SCO₂朗肯循環(huán)。

將SCO₂布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO₂朗肯循環(huán)均進(jìn)行了比較，都證明了SCO₂布雷頓循環(huán)效率更高，所以SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電系統相結合存在優(yōu)勢，既可以提高太陽(yáng)能轉化效率，又能提高發(fā)電效率，是一種較優(yōu)的循環(huán)。

04 基于光熱發(fā)電系統的SCO布雷頓循環(huán)結構

隨著(zhù)SCO₂布雷頓循環(huán)的興起，簡(jiǎn)單循環(huán)由于換熱不均會(huì )造成回熱器的“夾點(diǎn)”問(wèn)題，從而影響循環(huán)效率，為解決這一問(wèn)題開(kāi)始增加回熱器的數量，以此引出來(lái)一系列改良的循環(huán)布局。而與光熱發(fā)電相結合，也需要將各種循環(huán)結構進(jìn)行比較，從而選出zuì 合適的。

其中已知再壓縮循環(huán)不僅能產(chǎn)生zuì 高的循環(huán)效率，而且同時(shí)保持結構簡(jiǎn)單。為了證明再壓縮循環(huán)zuì 適合光熱電站，基于光熱發(fā)電系統將簡(jiǎn)單循環(huán)、再熱循環(huán)、預壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)進(jìn)行比較，得到再壓縮循環(huán)效率zuì 高，單獨使用該循環(huán)zuì 大熱效率可以達到52%，光熱電站系統效率可以達到40%。

而后隨著(zhù)布雷頓循環(huán)結構的一步步優(yōu)化改良，出現了中冷再熱再壓縮循環(huán)結構，它在再壓縮循環(huán)的基礎上增加了壓縮機和冷卻器各一臺，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大?；诠鉄岚l(fā)電系統將簡(jiǎn)單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進(jìn)行比較，得到中冷再壓縮循環(huán)循環(huán)熱效率zuì 高，在透平入口溫度850℃時(shí)達到55.2%，將透平入口溫度優(yōu)化到730℃，并將循環(huán)和接收器效率之間達到zuì 佳時(shí)太陽(yáng)能發(fā)電效率為17.5%。Wang等人將再壓縮、中冷再壓縮、部分冷卻這3種循環(huán)集成到光熱發(fā)電系統中，比較它們的性能，得到循環(huán)效率從大到小依次是中冷再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、再壓縮循環(huán)，尤其是當壓縮機入口溫度較高時(shí)，中冷再壓縮循環(huán)和部分冷卻循環(huán)的優(yōu)勢會(huì )更加明顯。王雅倩建立了基于塔式光熱系統的SCO₂布雷頓循環(huán)的模型，分別取各個(gè)循環(huán)的zuì 高 效率點(diǎn)進(jìn)行比較，得到從大到小依次為：中冷再壓縮循環(huán)、再壓縮循環(huán)、部分冷卻循環(huán)、預壓縮循環(huán)、簡(jiǎn)單循環(huán)。李佩蔚則建立了簡(jiǎn)單、預壓縮、再壓縮、部分冷卻、中冷再壓縮這5種不同形式的SCO₂布雷頓循環(huán)熱力學(xué)模型，得到中冷再壓縮是zuì 適合于塔式太陽(yáng)能系統的一種循環(huán)形式。袁曉旭和張小波設置了透平入口溫度550℃、透平入口壓力20MPa、主壓縮機入口溫度35℃的情況下比較了簡(jiǎn)單、再壓縮、中冷再壓縮3種基于光熱發(fā)電的循環(huán)效率，由表2可以看出中冷再壓縮循環(huán)的供電效率zuì 高。

表2 基于光熱發(fā)電系統的3種循環(huán)比較

之后又出現了中冷再熱再壓縮循環(huán)結構，與中冷再壓縮循環(huán)相比，增加了一臺再熱透平，循環(huán)結構如圖3所示，雖然成本有所增加，但是循環(huán)效率也隨之增大?；诠鉄岚l(fā)電系統將簡(jiǎn)單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再壓縮循環(huán)進(jìn)行比較，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)熱效率zuì 高，既能夠適應干冷又能達到50%以上的發(fā)電效率。Mohagheghi等人研究了基于光熱發(fā)電的SCO2布雷頓循環(huán)采用簡(jiǎn)單循環(huán)、再壓縮循環(huán)、再熱再壓縮循環(huán)和中冷再熱再壓縮循環(huán)等不同結構，以循環(huán)效率zuì 大為目標函數，對各個(gè)循環(huán)的熱力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，得到中冷再熱再壓縮循環(huán)不僅顯著(zhù)降低了排熱的損失，而且提高了復熱性能，表3為各個(gè)循環(huán)的關(guān)鍵參數取值以及循環(huán)效率，可以看出中冷再熱再壓縮循環(huán)效率zuì 高。

圖3 中冷再熱再壓縮循環(huán)

雖然中冷再熱再壓縮循環(huán)效率zuì 高，但系統相對更加復雜，成本更高，而再壓縮相對來(lái)說(shuō)效率較高且系統簡(jiǎn)單，所以應用前景廣泛。所以綜合分析再壓縮循環(huán)既簡(jiǎn)單又高 效，是zuì 適合光熱發(fā)電系統的，后續對于關(guān)鍵參數研究也都是基于此循環(huán)。

05 基于光熱發(fā)電的SCO布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數優(yōu)化

針對各種循環(huán)結構進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，關(guān)鍵參數是其中重要的一項研究，從上節可以得到再壓縮循環(huán)既可以達到很高的效率又能保持系統相對簡(jiǎn)單，所以關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化大部分都是采用的再壓縮循環(huán)結構。

SCO₂布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數有：透平入口溫度和壓力、壓縮機入口溫度和壓力、分流比等。通過(guò)對關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化，可以使循環(huán)效率達到zuì 大。Iverson等人得到透平入口溫度高于600℃時(shí)SCO₂布雷頓循環(huán)在光熱發(fā)電系統中有明顯優(yōu)勢。周昊等人則得到透平入口溫度達到750℃左右全廠(chǎng)效率zuì 大。陳建生等人建立了基于塔式光熱電站與SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)集成的數學(xué)模型，得到當透平入口溫度為901K時(shí)基于塔式光熱電站的SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)系統熱效率可以達到28.4%。Abid等人分析得到當透平入口溫度從823K升高到1023K時(shí)，循環(huán)效率從44.55%升高到了49%。Grag等人得到循環(huán)效率隨著(zhù)透平入口溫度的增大而增大，隨著(zhù)透平入口壓力的增大先增大后減小，當溫度873K、壓力8.5MPa時(shí)循環(huán)效率zuì 大，約32%。何欣欣等人分析了循環(huán)關(guān)鍵參數對全廠(chǎng)熱效率的影響，得到全廠(chǎng)熱效率與透平入口溫度和循環(huán)壓比均呈先增大后減小的趨勢，采用遺傳算法以全廠(chǎng)熱效率為優(yōu)化目標，得到在透平入口溫度787.8℃、透平入口壓力35MPa、循環(huán)壓比4.573時(shí)全廠(chǎng)熱效率為35.244%。韓中合等人建立了SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)的塔式太陽(yáng)能光熱系統模型，采用遺傳算法對系統的關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化，得到在透平入口溫度784℃～841℃、主壓縮機入口壓力7.68MPa～10MPa、zuì 佳分流系數0.25～0.32的取值范圍內系統總損率可以達到70.72%～76.87%。王智等人建立了基于塔式光熱系統的SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)，得到循環(huán)效率與透平入口溫度和分流比呈先增大后減小的趨勢，在750℃、0.7左右達到zuì 大；而不同循環(huán)壓比對應不同的zuì 佳透平入口溫度和分流比，用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，結果見(jiàn)表4。

表3  幾種循環(huán)的效率比較

表 4  參數優(yōu)化后的循環(huán)效率

沈涵孜等人建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，通過(guò)軟件模擬來(lái)分析系統參數對循環(huán)效率的影響，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，循環(huán)凈效率隨透平入口溫度升高而升高，隨透平入口壓力升高而先增大后減??；zuì 后基于塔式光熱系統對關(guān)鍵參數的優(yōu)化，得到當透平入口溫度和壓力為550℃、24MPa， 主壓縮機入口溫度35℃，分流比0.65時(shí)可以使循環(huán)效率達到43.8%。

圖4 透平入口溫度與循環(huán)效率關(guān)系

圖5 透平入口壓力與循環(huán)效率關(guān)系

沈涵孜等人建立了SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)，通過(guò)軟件模擬來(lái)分析系統參數對循環(huán)效率的影響，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，循環(huán)凈效率隨透平入口溫度升高而升高，隨透平入口壓力升高而先增大后減??；zuì 后基于塔式光熱系統對關(guān)鍵參數的優(yōu)化，得到當透平入口溫度和壓力為550℃、24MPa， 主壓縮機入口溫度35℃，分流比0.65時(shí)可以使循環(huán)效率達到43.8%。

通過(guò)對關(guān)鍵參數的優(yōu)化會(huì )發(fā)現，這些參數不是單一影響循環(huán)效率的，它們之間存在著(zhù)耦合關(guān)系，所以為了使循環(huán)效率達到zuì 佳，zuì 好還是采用算法對參數進(jìn)行優(yōu)化，使各個(gè)參數都達到zuì 佳，從而得到zuì 優(yōu)的循環(huán)效率。

06 SCO布雷頓循環(huán)設備

在得到SCO₂布雷頓循環(huán)的循環(huán)結構和關(guān)鍵參數后，對于循環(huán)所需的設備也是一個(gè)重要的研究方向。設備主要就分兩種：旋轉機械和換熱器。

5.1旋轉機械

旋轉機械是SCO₂循環(huán)熱功轉換的關(guān)鍵部件。主要有兩種：透平和壓縮機。

SCO₂透平有徑流（向心）透平和軸流透平兩種，國內外對于透平的研究主要就分為這兩種。徑流式適宜較小規模應用，zuì 大適用于50MW級別，而軸流式更適于較大規模的應用。Moore等人為SCO₂再壓縮布雷頓循環(huán)設計了一種新型高溫透平，這種透平既可以應用在傳統熱源也能應用在太陽(yáng)能發(fā)電系統，讓SCO₂循環(huán)達到接近50%的熱效率，目前此透平已經(jīng)可以在溫度550℃、壓力18MPa時(shí)轉子轉速達到21 000r/min的要求，并將繼續提高要求進(jìn)行試驗。Lee等人提出了一種SCO₂布雷頓循環(huán)透平的改進(jìn)設計方法，此方法可以同時(shí)得到某一工況下軸向和徑向兩種透平的設計方案，從而方便在相同設計條件下選擇zuì 有效的透平類(lèi)型。Schmitt等人對100MW的SCO₂透平的參數進(jìn)行了設計，設定為6級的透平且入口溫度為1035K，并設計了詳細的流場(chǎng)計算氣動(dòng)損失系數，經(jīng)過(guò)驗證均滿(mǎn)足要求。劉長(cháng)春等人綜合了國內外的各種數據，將Ni基合金、奧氏體鋼和鐵素體鋼進(jìn)行對比得到了SCO₂透平選材建議，若考慮制造成本應選擇奧氏體鋼或鐵素體鋼，若考慮抗腐蝕應選擇Ni基合金。張少鋒等人將干氣密封裝置安裝在主軸靠近透平的位置，既實(shí)現了對透平的密封，又可以達到對密封的降溫作用，保 證了SCO₂布雷頓系統的運行。王鵬亮等人將壓縮機和透平采用同軸同缸的布置，將透平高溫高壓密封的難題變成了低溫密封，實(shí)現了這一系統應用。目前關(guān)于向心透平的研究較多，Cho等人設計了一種10KW級的SCO₂循環(huán)，采用徑向透平和離心壓縮機，并設計了帶有迷宮密封的徑向透平和離心壓縮機的葉輪的冠狀結構，以克服SNL報道的推力平衡問(wèn)題。Odabaee等人采用ANSYS對SCO₂向心透平進(jìn)行了CFD分析，該透平在光熱條件下可達到入口溫度560℃、壓比2.2、功率100KW，比較了SCO₂氣體屬性方程和從NIST中生成的RGP表兩種方法的計算結果和耗時(shí)，發(fā)現結果基本一致。周奧錚等人^]則提出了一種采用一維向心透平預測的SCO₂再壓縮循環(huán)模型，將它與固定透平進(jìn)行對比，結果發(fā)現這種模型更加適合變工況情況。王春陽(yáng)對一個(gè)70MW級SCO₂布雷頓循環(huán)的向心透平進(jìn)行了改進(jìn)，得到透平的參數為：zuì 佳進(jìn)口葉片角30°，zuì 佳葉片出口角82°，葉輪葉片數在10、11、12均可，zuì 佳葉根倒角半徑在3mm。王巧珍對7.5MW的SCO₂向心透平進(jìn)行了氣動(dòng)設計，通過(guò)數值模擬得到zuì 優(yōu)方案功率為7.47MW，效率85.38%。呂國川等人采用CFD對MW級的SCO₂向心透平進(jìn)行數值模擬，得到透平設計點(diǎn)效率達到88.45%，滿(mǎn)足要求。趙攀等人設計了1MW的SCO₂向心透平，使用RANS得到在設計工況下透平氣動(dòng)效率達到83.53%，與設計值偏差為1.54%，驗證了設計方法的可靠性。

除透平外，另一種旋轉機械就是壓縮機了，壓縮機的種類(lèi)有很多，但目前應用在SCO₂布雷頓循環(huán)中zuì 多的還是離心式壓縮機，如圖6所示。

圖6 離心壓縮機結構簡(jiǎn)圖

Utamura等人設計的離心壓縮機和徑向透平由發(fā)電機驅動(dòng)、高速逆變器控制，在轉速1.15kHz， 質(zhì)量流量1.1kg/s， 壓縮機7.5MPa、304.6K，透平10.6MPa、533K工況下，可以實(shí)現110W的發(fā)電運行。Rinaldi等人利用RANS模擬計算了SCO₂離心壓縮機的性能圖，考慮了45、50、55等3種不同轉速，并將數值結果與SNL的實(shí)驗數據進(jìn)行比較，證明了該方法的潛力。Behafarid等人利用可壓縮和不可壓縮的SCO₂模型，以及可壓縮理想氣體模型對離心壓縮機進(jìn)行一維分析，之后采用了新的建模方法用于SCO₂壓縮機的三維數值模擬，得到不可壓縮模型可對SCO₂壓縮機進(jìn)行完整詳細的多維模型仿真，且該模型具有數值穩定性、計算效率和物理精度等優(yōu)點(diǎn)。Shao等人引入了“凝結裕量”對SCO₂離心壓縮機進(jìn)行了詳細的設計探討，以低流量系數SCO₂離心壓縮機的初步設計結果為例進(jìn)行了CFD模擬，得到的結果與勘探結果一致。Du等人采用遺傳算法對SCO₂離心壓縮機進(jìn)行優(yōu)化設計，得到壓縮機zuì 佳揚程系數為0.53，zuì 大循環(huán)效率為24.4%。劉朝陽(yáng)等人研究了葉頂間隙對SCO₂離心壓縮機氣動(dòng)性能的影響，得到葉頂間隙的增大會(huì )降低SCO₂離心壓縮機的效率和壓比。朱玉銘等人設計開(kāi)發(fā)了SCO₂兩級離心壓縮機，得到實(shí)驗zuì 大總壓比超過(guò)2.69，zuì 大質(zhì)量流量接近16kg/s， 并將此壓縮機與多個(gè)型號單級離心式壓縮機進(jìn)行對比，提出降低轉速是提高SCO₂離心壓縮機性能的方法之一。曹潤等人研究了增加盤(pán)腔和密封結構的150kW SCO₂離心壓縮機，得到在設計工況下氣動(dòng)效率為72.1%，壓比為2.19，zuì 大軸向推力為1635kN，離心葉輪的表面等效應力zuì 大值為109.95MPa， 滿(mǎn)足設計材料304鋼的強度需求。尚鵬旭等人對10MW級SCO₂離心壓縮機不同進(jìn)口條件進(jìn)行分析，得到進(jìn)口溫度越低或進(jìn)口壓力越高時(shí)，壓縮機的性能越高。

5.2換熱器

在SCO₂循環(huán)中換熱設備主要分為回熱器、冷卻器以及加熱器 3 類(lèi)。目前的換熱器有板式、管殼式和印刷電路板式，其中印刷電路板式換熱器（PCHE）相比管殼式和板式換熱器具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，主要體現在：（1）換熱效率高；（2）耐高溫和耐高壓能力強；（3）在同等功率的條件下，PCHE的體積和重量是管殼式換熱器的1/5。由于流體之間的巨大壓力差以及它們的緊湊性，PCHE被認為是SCO₂布雷頓循環(huán)換熱器的zuì 佳選擇之一，大部分循環(huán)都是采用的此種換熱器，圖7所示為PCHE的結構示意圖。

圖7 印刷電路板式換熱器示意圖

圖8 PCHE通道類(lèi)型

可以看到許多文獻都是采用的此種換熱器，如Nikitin等人通過(guò)實(shí)驗和數值方法研究了SCO2布雷頓循環(huán)中PCHE的傳熱和壓降特性，得到局部換熱系數和壓降系數的經(jīng)驗關(guān)系式。Saeed 等人研究了PCHE的不同設計對SCO2循環(huán)性能的影響，采用了直型、Z型、C型、S型和翼型5種不同翅片構型，如圖8所示，得到C型通道和Z型通道分別對應循環(huán)效率的zuì 大值和換熱器的zuì 小尺寸。Ngo等人提出了一種新型S型PCHE，并將它與Z型對比，得到它可在保持傳熱性能的同時(shí)降低6～7倍的壓降。Kruizenga等人分析了PCHE內SCO2的傳熱，采用了316型不銹鋼、九通道、半圓形試驗段的結構。Mohammed等人提出冷卻器是阻礙實(shí)現SCO2循環(huán)高熱效率的主要原因之一，所以必須從冷卻器中回收熱量，以提高SCO2系統的整體能源利用效率，研究得到具有鋸齒形和波浪形通道的PCHE適合于SCO2循環(huán)，在通道中插入S型或翼型翅片可提高換熱能力。李磊等人通過(guò)數值模擬方法對Z型的PCHE傳熱通道的傳熱和阻力特性進(jìn)行了研究，得到層流模型對于Z型的PCHE的傳熱和阻力效果更好，當只改變兩側流體的質(zhì)量流量時(shí)傳熱效率會(huì )變小，而當只改變熱側通道的入口溫度時(shí)傳熱效率會(huì )變大。李凈松等人基于PCHE分析了換熱器尺寸對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)性能的影響，得到循環(huán)熱效率與換熱長(cháng)度和面積成正比，但當換熱器長(cháng)度大于1.5m， 高溫回熱器截面積大于12m2、低溫回熱器截面積大于9m2時(shí)循環(huán)效率提升不再明顯。高毅超等人建立了Z型PCHE模型，分析了管徑和轉折角對其換熱的影響，得到在2mm～3mm、20°～45°時(shí)換熱性能zuì 好。徐婷婷等人采用分段設計的方法對PCHE進(jìn)行建模，將結果與實(shí)驗數據進(jìn)行對比，見(jiàn)表5，可以看出誤差不大，證明了分段設計方法的可靠性。范世望等人采用流體-固體強耦合傳熱模型對SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)中的PCHE在穩態(tài)和非穩態(tài)工況下運行的換熱能力進(jìn)行研究，得到在穩態(tài)工況下模擬符合工況，在非穩態(tài)工況下由于冷熱通道換熱不均勻可能會(huì )導致部分流體偏離超臨界狀態(tài)，尤其是邊緣和出口附近，所以設計時(shí)需要考慮好PCHE內部傳熱不均的問(wèn)題。史陽(yáng)等人采用PCHE作為SCO2布雷頓循環(huán)的回熱器和冷卻器，對此進(jìn)行了測試以及費用分析，以1MW換熱器為例，發(fā)現投資費用遠高于運行費用，且隨著(zhù)SCO2質(zhì)量流量的增加，回熱器總體費用也隨之增加，而冷卻器的總體費用則呈現先下降后上升的趨勢。劉凱等人采用數值模擬方法探究SCO2在PCHE中的換熱特性，發(fā)現當保持壓力和流量一定時(shí)改變冷側入口溫度對PCHE熱功率的影響比熱側大，而若要改變熱通道的壓力或流量對PCHE熱功率的影響比改變冷通道的大。吳家榮等人利用有限元方法對PCHE的應力進(jìn)行分析，得到由于壓力和溫度的共同作用使芯體受到應力，可通過(guò)增大半圓截面尖角通道的圓弧半徑來(lái)減小應力。丁源等人設計了1MW SCO2光熱發(fā)電系統的換熱器，主要比較了直型和翼型兩種翅片，得到在換熱量、水力直徑、通道數量均相同時(shí)，翼型比直型換熱器的性能都要好。

07 總結

SCO₂布雷頓循環(huán)作為一種新興的發(fā)電循環(huán)受到了廣泛研究，主要包括以下幾部分：

（1）將用于布雷頓循環(huán)的工質(zhì)進(jìn)行比較，得到SCO₂與布雷頓循環(huán)zuì 合適，不僅效率高且安'全綠色無(wú)'毒。

（2）基于光熱發(fā)電系統比較了SCO₂布雷頓循環(huán)與水蒸氣朗肯循環(huán)和SCO₂朗肯循環(huán)的效率，得到SCO₂布雷頓循環(huán)與光熱發(fā)電結合更具有優(yōu)勢。

（3）基于光熱發(fā)電系統比較了SCO₂布雷頓循環(huán)的結構，得到再壓縮循環(huán)既簡(jiǎn)單又高 效，更適合光熱發(fā)電系統。

（4）對基于光熱發(fā)電系統的SCO₂布雷頓循環(huán)的關(guān)鍵參數進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現參數之間存在耦合關(guān)系，需要均達到zuì 優(yōu)才可使循環(huán)效率達到zuì 佳。

（5）對SCO₂布雷頓循環(huán)的設備進(jìn)行了研究，有透平、壓縮機和換熱器，其中PCHE作為一種新型的換熱器值得多關(guān)注。但目前看來(lái)結合光熱發(fā)電系統對SCO₂布雷頓循環(huán)設備分析的較少，后續可多研究。

作者|李光霽 付亞男

原題|SCO2布雷頓循環(huán)及其在光熱發(fā)電中的應用綜述

來(lái)源|汽輪機技術(shù)