超临界二氧化碳离心压缩机性能预测模型研究

压缩机作为超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环的核心部件,对其开展部件级实验研究,测试压缩机及其附属设备的工作特性将至关重要;而建立精准的闭式S-CO₂压缩回路系统仿真模型是选取回路关键参数、建立系统控制策略的必要准备工作,也是保证压缩机可在测试参数下稳定运行的重要前提。本文针对测试回路中压缩机的热力学模型进行了研究,并对S-CO₂压缩机的运行性能进行了预测,基于传统压缩机一维损失模型,对比预测结果与公开文献实验数据,发现传统压缩机模型在偏离设计工况条件下存在较大误差,需要对其进行修正。本文引入流量系数,其定义为质量流量和转速的比值,以运行工况流量系数和设计工况流量系数比值作为修正因子,对传统损失模型进行修正。通过与桑迪亚国家实验室公开的实验数据对比可以发现,修正模型预测结果与实验值的变化趋势和数值大小保持一致,最大误差不超过3%,能够较好预测S-CO₂压缩机运行时的变工况特性。     

超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望

超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环具有效率高、系统紧凑及灵活性高等优点，未来可取代或部分取代水蒸气朗肯循环，实现高效热功转换。本文从能量传递转换机理、关键部件研发以及系统设计等角度，总结了国内外研究进展。已有研究表明，目前已成功展示小型径流式透平S-CO₂循环系统，但CO₂泄漏等导致系统性能降低，大型轴流式透平系统可能不会出现小型系统类似问题。综述了我国在S-CO₂循环方面的研究进展。围绕大型S-CO₂燃煤发电系统能量传递转换机理及系统概念设计，提出了锅炉模块化设计，将锅炉压降降低到与水蒸气锅炉相当甚至更低的水平；提出了顶/底复合循环，彻底解决了锅炉烟气热量全温区吸收问题。建立了高温高压CO₂传热实验系统，获得了宽广参数范围内的实验数据，引入超临界类沸腾概念并提出超临界沸腾数及K数，获得了高精度预测超临界传热恶化及传热系数的广义关联式，提出了控制壁温的S-CO₂锅炉概念设计等。在此基础上，提出了需加强的研究方向，包括适合不同热源（核能、太阳能、化石能源）的S-CO₂循环构建，回热器、压气机及透平等关键部件设计及制造技术，关键部件及全系统的控制运行技术，以及不同功率等级的S-CO₂循环的示范系统等，为S-CO₂发电的商业应用奠定理论和技术基础。     

超临界二氧化碳循环工质热物性研究进展

超临界二氧化碳（S-CO₂）循环是近年来受到广泛关注的发电技术。工质热物性是循环设计和优化的基础。本文综述了CO₂热力学性质和输运性质的实验数据和计算模型的研究进展，并结合S-CO₂动力系统的设计和运行需求进行了分析。针对研究现状，指出了亟待解决的问题:近临界区实验和理论研究尚有不足；比热容、声速、黏度和导热系数在液相区和高温高压区实验研究存在空白；已有的多种计算模型缺乏针对发电循环应用的系统评估和比较等。建议针对S-CO₂循环需要的CO₂热物性在具有空白区域重点开展实验和模型工作，并对已有工作进行系统评估。     

超临界二氧化碳透平机械用气体轴承的研究进展及关键技术

气体轴承可应用于超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)布雷顿循环透平机械(压缩机、涡轮机)中,以适应高转速并提高旋转机械运行的稳定性。文中总结了国内外对S-CO₂透平机械所用气体轴承的研究现状,介绍应用于S-CO₂透平机械中气体轴承的类型以及应用特点、理论分析和实验研究情况,为我国S-CO₂透平机械所用气体轴承的研究提供参考。此外,进一步总结今后S-CO₂透平机械气体轴承研究和应用需重点关注的问题,主要包括S-CO₂实际气体雷诺方程修正、止推气体轴承载力问题、径向轴承动态特性问题、风阻损耗计算问题、箔片轴承的热问题以及耐高温固体涂层问题等。对S-CO₂透平机械气体轴承的发展方向进行展望。     

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO₂)在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响，并对各结构特性灵敏度做了量化分析；搭建了闭式循环的S-CO₂测试平台，对螺旋管内S-CO₂对流换热性能进行了试验研究，并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性；对数据进行处理，拟合出了S-CO₂的传热关联式。该研究为S-CO₂螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础，并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。     

超临界二氧化碳向心透平研究进展

向心透平是超临界二氧化碳(S-CO₂)动力循环系统的核心设备,其性能的优劣对系统整体性能具有直接影响。首先从理论研究角度总结了国内外S-CO₂向心透平的损失模型、落后角模型、一维优化设计方法和气动性能的研究情况,然后从实验研究角度总结了美国、韩国、日本、中国等国家S-CO₂向心透平设备的相关研究进展。研究结果可为S-CO₂向心透平的设计研发提供参考。     

超临界CO2两级离心式压缩机实验研究

以超临界CO₂单级离心式压缩机设计及实验经验为基础,设计开发超临界CO₂两级离心式压缩机,解决原有单级离心式压缩机存在的气动设计、轴向力平衡以及密封问题,并完成该两级离心式压缩机多进口工况全载实验,实现超临界CO₂两级离心式压缩机安全稳定运行,累计运行时间接近100h,运行转速达到100%设计转速,并获取90%、80%、70%等转速下的压缩机性能曲线,实验最大总压比超过2.69,最大质量流量接近16kg/s。从实验对象、实验平台以及实验结果等角度对实验进行详细介绍,为超临界CO₂离心式压缩机设计理论及数值模拟研究提供更具价值的实验数据。最后,将实验压缩机与多个型号单级离心式压缩机实验结果进行对比,提出降低转速是提高超临界CO₂离心式压缩机性能的技术路径之一。     

钠冷快堆耦合超临界二氧化碳布雷顿循环中的PCHE研究进展

本文首先介绍了超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环的特点,包括临界点的重要性、回热器“夹点”问题、冷却器冷却工质问题等。然后,针对钠冷快堆（SFR）,总结了国内外应用于SFR耦合布雷顿循环系统中的印刷电路板换热器（PCHE）的相关研究,包括在Na/CO₂换热器、回热器、冷却器中运行的重要工质——S-CO₂的流动换热性能,以及影响PCHE自身性能的流道结构优化设计。结果表明,针对具体的SFR应用,目前仍无明确结论认为哪种流道结构更为优越,需要针对具体应用场景进行相应的数值分析或实验研究。     

5 MW超临界二氧化碳实验锅炉热力特性与壁温耦合计算模型

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环逐渐成为国内外研究的热点。相对于传统蒸汽朗肯循环的广泛应用，S-CO₂锅炉的热力计算还缺乏相关研究。本文以某5 MW S-CO₂实验锅炉布置方案为例，将锅炉管道、炉膛、高温受热面作为串联管路，将热力特性与壁温进行耦合计算建立数值分析模型。该计算模型气温、壁温计算结果能够同时满足工程计算要求，对S-CO₂锅炉研究具有重要意义。     

垂直上升加热管道内超临界二氧化碳流动不稳定性研究

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电技术被认为是最具前景的发电技术之一。在S-CO₂发电系统启动/停机或者较低负荷的条件下,主压缩机送出的S-CO₂在不能够充分回热的条件下直接进入S-CO₂锅炉,会使S-CO₂锅炉气冷壁内的大量S-CO₂工作在拟临界温度点附近,致使S-CO₂流动不稳定性成为S-CO₂锅炉必须考虑的问题。本文以S-CO₂锅炉气冷壁最为常见的布置结构（即垂直上升加热管）为研究背景,首先构建了S-CO₂流动不稳定性的计算模型,随后进行了大量的数值计算,研究了典型工况下的S-CO₂流动不稳定性特点,获取了主要边界参数对界限热流密度的影响规律。结果显示:随着入口压力或者质量流量的增大,界限热流密度显著提升,管内流动稳定性有明显提高;随着入口温度的提高,界限热流密度先降低再升高;对于不同的工况,存在1个临界入口温度,在该入口温度下,界限热流密度最低,管内流动稳定性最差。