超临界二氧化碳动力循环

超临界二氧化碳布雷顿循环的研究进展及应用前景摘要：超临界二氧化碳（S-CO2）应用布雷顿循环能够使系统结构紧凑、效率高具有良好的工程应用前景。

本文首先介绍了超临界二氧化碳工质的特点及布雷顿循环的优势，总结了近年来国内外针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统及其关键部件的研究进展和相应成果，最后对超临界二氧化碳布雷顿循环在能源领域的潜在应用前景进行了说明。

关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；关键部件引言当二氧化碳达到临界条件时（温度31.1℃，压力7.38MPa），处于超临界状态。

将超临界二氧化碳用于布雷顿循环，具有以下优势：S-CO2工质黏性小，S-CO2布雷顿循环比其他常用的循环在较高的运行温度下具有相对更高的效率优势；S-CO2工质密度大，S-CO2布雷顿循环的系统结构紧凑，循环设备占用空间小；CO2极易获取，设备体积相对较小，且运行时损耗小，保证了设备的使用寿命，使得S-CO2布雷顿循环的成本相对较小。

1 S-CO2布雷顿循环研究进展1.1国外研究美国、日本、韩国、捷克等国家均开展了超临界二氧化碳布雷顿循环的系统设计及实验研究。

美国具有多家研究机构较长时间的研究基础，其在超临界二氧化碳布雷顿循环的研究上处于世界领先地位。

美国桑迪亚国家实验室是最早开展S-CO2布雷顿循环的机构之一，其搭建了发电功率为124KW的简单布雷顿循环系统。

美国桑迪亚国家实验室正致力于研发兆瓦级超临界二氧化碳布雷顿循环，进一步增大循环效率并增强实用性。

美国西南研究院（SWRI）进行了1MW 级的超临界二氧化碳布雷顿循环设计研究，采用天然气燃烧作为热源，完成了实验系统的制造运行。

近年来，美国能源部资助科研项目的投入不断加大、加快，并在2016 年投入巨资建设10 MW试验装置，表明美国整体技术成熟度水平已达到较高级别，距离商业化为期不远。

韩国能源研究所（KIER）自2103年起，先后搭建了两种不同的S-CO2布雷顿循环实验平台，并进行了相关研究。

二氧化碳超临界发电技术二氧化碳超临界发电技术（CO2超临界发电技术）是一种新型的发电技术，其优势在于其高效、安全、环保。

同时，它也是一种地球温度升高越来越明显的情况下减少全球二氧化碳排放的好办法，可有效减少二氧化碳排放。

CO2超临界发电技术其实是一种利用超临界二氧化碳作为工作流体的发电技术。

在传统的火力发电过程中，常采用水蒸气发生器和涡轮发电机，而CO2超临界发电技术则采用超临界CO2作为工作流体。

超临界CO2是指物质温度和压力都高于其临界点的CO2，此时CO2既具有液相的高密度和较高的热容量，同时又具有气相的高运动速度，能够产生较高的动力输出。

因此，CO2超临界发电技术可以通过更高效的能量转换过程从而带来更高的电压产出和更好的压力控制。

在CO2超临界发电技术中，燃烧产生热量，将水转化为蒸汽，蒸汽再经过凸轮式涡轮机产生电能。

与常规火力发电不同的是，超临界CO2不需要快速加热和冷却，可以将热量更充分地利用，并在排放的过程中最大限度地减少温室气体的排放。

由于CO2超临界发电技术的工作流体为CO2，因此比传统火力发电中使用的水更适合在高温高压的情况下使用。

因为CO2在高温高压下的物性与水相比有着更大的优势，能够更好地适应高温高压工作环境。

在技术上，CO2超临界发电技术需要克服的难点是工作流体（CO2）的压力和温度。

CO2需要在严格的压力和温度条件下保持超临界状态，并保证在不同负荷和质量流量条件下正常工作。

总之，CO2超临界发电技术充分利用了超临界CO2作为工作流体的物性，相较于传统火力发电技术有着更高的效率、更清洁的环境效益，也广受欢迎在能源市场中发挥其作用。

随着我国对新型能源技术的重视和需求的不断提高，CO2超临界发电技术无疑在未来将会有更加广泛的应用前景。

超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环得比较目前,世界上正在建设与研究得高温气冷堆都就是使用Ｈｅ作为工质,这就是因为Hｅ具有很好得稳定性、化学相容性及热传导性。

但就是,Ｈｅ作为工质存在一些不足,例如动力循环需要较高得温度、难于压缩等,给反应堆与换热部件得结构材料、叶轮机械得设计带来很多困难。

出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆得安全性与经济性等各方面得考虑,有学者进行了选取CO２作为循环工质得研究、CＯ2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差,但ＣＯ2具有合适得临界参数,不需要很高得循环温度就可以达到满意得效率,且具有压缩性好、储量丰富等优点。

采用CO作为循环工质可以降低循环温度与压缩２功,从而提高反应堆得安全性,同时降低反应堆造价、超临界ＣO2得闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用、1、二氧化碳布雷顿循环分析(1)二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大得不同点就就是气体性质随压力、温度得变化差别很大(表1—1)。

高压(７.5 MPa)环境中,CO2得导热系数λ、定压比热容ｃｐ与压缩因子z均与低压(0.1 MPa)下得参数有很大差异;在循环工况下,He循环可以视为理想气体循环,除密度外,其余参数变化不大。

动力循环得工况,CO2得工作参数在其临界点(7、３77 ＭPa,３１℃)附近;因此,CO2动力循环除与Ｈe循环有相同得决定因素外,还取决于动力循环得不同实际工况,即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况(图1—1)、超临界循环:循环压力及温度均在临界参数以上;跨临界循环:循环高压侧压力高于临界压力,低压侧压力低于临界压力;亚临界压力循环:循环压力均低于临界压力,工作于气相区。

表1-1 ＣＯ2与He热物性比较(35℃)工质P/ＭPa ρ／kg·m－3 λ/W·(m·Ｋ)—1 CＰ/kJ·(kg·K)—1ｚCO2 7、5 ２７７、6 ０.０3532 5.９306 0、4６30、１１.95 0.01497 0、828 0.8７9He 7、５11。

超临界二氧化碳布雷顿循环的发现一、引言超临界二氧化碳布雷顿循环是一种新型的能源转换技术，能够高效地将化石燃料等能源转化为电力。

该技术的发现对于解决全球能源问题具有重要意义。

二、布雷顿循环的基本原理布雷顿循环是一种常见的热力学循环，通常用于发电厂中。

该循环包括四个主要步骤：加热、膨胀、冷却和压缩。

在这个过程中，燃料被燃烧以产生高温高压的蒸汽，然后通过涡轮机驱动发电机来产生电力。

三、超临界二氧化碳技术的发现超临界二氧化碳技术最初是由美国国家实验室的科学家在20世纪50年代发现的。

当时他们正在寻找一种更有效率地转换化石燃料为电力的方法。

他们通过将二氧化碳加压到极高温度和压力下，使其变成了一种称为“超临界流体”的状态。

这种状态下，二氧化碳具有类似于液态和气态之间的特性，同时具有非常高的密度和低的粘度。

这使得它成为一种理想的工作流体，可以用于代替传统的水蒸汽来驱动涡轮机。

四、超临界二氧化碳布雷顿循环的工作原理超临界二氧化碳布雷顿循环与传统布雷顿循环类似，但使用超临界二氧化碳作为工作流体。

该循环包括以下几个步骤：1.加热：将燃料燃烧以产生高温高压的超临界二氧化碳。

2.膨胀：将超临界二氧化碳通过涡轮机进行膨胀，从而驱动发电机产生电力。

3.冷却：将剩余的超临界二氧化碳冷却并压缩回到初始状态。

4.压缩：再次将压缩后的超临界二氧化碳送回加热器，开始下一轮循环。

五、超临界二氧化碳布雷顿循环的优点相比传统布雷顿循环，超临界二氧化碳布雷顿循环具有以下几个优点：1.更高效率：由于超临界二氧化碳具有更高的密度和低的粘度，因此能够更有效地驱动涡轮机，从而提高发电效率。

2.更环保：使用超临界二氧化碳作为工作流体可以减少大量的二氧化碳排放，从而降低对环境的影响。

3.更灵活：超临界二氧化碳布雷顿循环可以适用于各种不同类型的燃料，包括天然气、煤炭和生物质等。

六、结论超临界二氧化碳布雷顿循环是一种非常有前途的能源转换技术，具有高效率、环保和灵活性等优点。

超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。

但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。

出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。

CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。

采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。

超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。

1. 二氧化碳布雷顿循环分析（1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。

高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。

动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He 循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。

超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。

表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPaρ/kg·m-3λ/W·(m·K)-1C P/kJ·(kg·K)-1zCO27.5277.60.03532 5.93060.4630.1 1.950.014970.8280.879He7.511.320.1604 5.198 1.0330.10.1560.1571 5.1980.999（2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆（AGR）为例。

超临界二氧化碳循环特性作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。

由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。

但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。

与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。

同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。

1. 二氧化碳动力循环（1）简单超临界Brayton循环与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。

其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。

回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。

图1-1简单超临界Brayton循环受堆芯出口温度限制以及CO2工况下比热容变化较大的影响，CO2简单超临界Brayton循环的效率与氦气循环相比并不高。

由于CO2相对氦气较为活泼，高温下可与燃料元件和金属构件发生化学腐蚀，因此，在使用CO2作为冷却剂的气冷堆中存在工程约束条件，即CO2的工作温度不能超过670℃。

超临界二氧化碳动力轮回与氦动力轮回的比较今朝,世界上正在扶植和研讨的高温气冷堆都是应用He作为工质,这是因为He具有很好的稳固性.化学相容性及热传导性.但是,He作为工质消失一些缺少,例如动力轮回须要较高的温度.难于紧缩等,给反响堆和换热部件的构造材料.叶轮机械的设计带来许多艰苦.出于降低反响堆构造材料请求.削减技巧难度.进步反响堆的安然性与经济性等各方面的斟酌,有学者进行了拔取CO2作为轮回工质的研讨.CO2固然在稳固性.热传导性方面比He稍差,但CO2具有适合的临界参数,不须要很高的轮回温度就可以达到知足的效力,且具有紧缩性好.储量丰硕等长处.采取CO2作为轮回工质可以降低轮回温度和紧缩功,从而进步反响堆的安然性,同时降低反响堆造价.超临界CO2的闭式布雷顿轮回被推举在铅冷快堆及钠冷快堆中应用.（1）二氧化碳布雷顿轮回CO2与He在动力轮回中最大的不合点就是气体性质随压力.温度的变更不同很大（表1-1）.高压（7.5 MPa）情况中,CO2的导热系数λ.定压比热容cp和紧缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差别;在轮回工况下,He轮回可以视为幻想气体轮回,除密度外,其余参数变更不大.动力轮回的工况,CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa,31℃）邻近;是以,CO2动力轮回除与He轮回有雷同的决议身分外,还取决于动力轮回的不合现实工况,即超临界压力.跨临界压力及亚临界压力3种轮回工况（图1-1）.超临界轮回：轮回压力及温度均在临界参数以上;跨临界轮回：轮回高压侧压力高于临界压力,低压侧压力低于临界压力;亚临界压力轮回：轮回压力均低于临界压力,工作于气相区.表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPaρ/kg·m-3λ/W·(m·K)-1CP/kJ·(kg·K)-1 zCO2He（2）CO2简略轮回与He轮回的比较剖析以英国改良型气冷堆（AGR）为例.英国改良型气冷堆（AGR）现实运行时 CO2温度高于670℃.斟酌到 CO2高温下与不锈钢材料化学不相容,是以轮回最高温度保守取为650℃,若要采取更高的轮回温度,须要采取其他金属材料.CO2和 He 动力轮回在给定前提下盘算的最优参数见表1- 2,温熵图见图1-1.个中 He 轮回的温熵图略有不合,采取 2 个紧缩机分级紧缩.图1-1 CO2轮回及He轮回温熵图表1-2 CO2简略轮回与He轮回比较从表1-2 可看出,CO2轮回盘算所需初参数比He 轮回多出压力项.如前文所述,He 在轮回工况下取决于温度,只需给定轮回的温度规模即可盘算出不合压力比（ε）下轮回效力（η）,而 CO2的 cp 还取决于压力.给定超临界和跨临界压力CO2轮回的最高压力（Pmax）是因为现有技巧前提的限制,保守取为20 MPa.表 2 中的所列的最高η是 Pmax达到限制值的效力,并未达到现实盘算的最大η.He 轮回的 Pmax为现有模块化高温气冷堆 He 轮回最高压力（7MPa）.图1-2 分离给出了表 2 中所列初参数下η与ε关系.在所盘算ε下,亚临界压力 CO2轮回与 He轮回类似,η随ε先增大到一个极大值点再迟缓降低.而超临界和跨临界轮回,同样受到 Pmax的限制,在盘算ε下并未达到极大值.3 种 CO2轮回在响应限制前提下达到的最高η与温度前提几乎雷同情况下的 He 轮回邻近.但是,这 3 种轮回均低于 He 在 tmax＝800℃下的η,且雷同温度前提下,CO2轮回达到最高η的ε要大于 He 轮回达到最高η的ε.图1-2 CO2简略轮回与He轮回效力在气体汽轮机轮回中,氦气透平带动紧缩机,是以紧缩机耗功也是存眷的问题.界说紧缩功与膨胀功之比 wc/wt为氦气透平做功返回率.从图1-3中可看出,CO2轮回的 wc/wt小;这是因为CO2的 z <1,易于紧缩,而 He的z ≈1,较难紧缩的缘故.He 轮回tmax进步至800℃后,各压力比下的 wc/wt均有所降低,但仍然高于tmax=650℃下的CO2各轮回.在 CO2的3种轮回中,超临界及跨临界压力轮回的wc/wt明显变小;这是因为紧缩进程在临界点邻近进行,而在临界点邻近,cp明显减小,导致 z 减小,更易于紧缩;尤其是跨临界压力轮回的wc/wt,比雷同温度下 He 轮回几乎小了一个量级.图1-3 CO2简略轮回与He轮回氦气透平做功返回率从表1-2 还可看出,CO2轮回单位质量的工质换热量均比 He 轮回要少,这意味着雷同换热功率下 CO2轮回的质量流量 m 较大（图1-4）.这是因为 CO2的 cp较 He 小,雷同功率,工质温升不同不大的情况下,CO2轮回须要更大的m.图1-4 热功率310MW时,质量流量与压力比关系但是,这其实不料味 CO2轮回没有优势.流体体积决议了做功和换热部件的尺寸大小,单位体积的做功量或换热量越大,雷同功率下的做功换热部件体积越小,成本越低.CO2气体密度较大,是以各部件气体体积流量（V）较小（图1-5）.图1-5热功率310MW时,氦气透平出口体积流量与压力比关系以堆芯换热功率310 MW为例,对表1-1中的2种轮回进行盘算,成果见表1-3.表1-3 CO2简略轮回与He轮回比较从表1-3可以看出,雷同热功率,在几乎雷同的温度前提下,CO2轮回所消费的紧缩功远小于He 轮回所需的紧缩功.3种CO2轮回所须要的V均小于一致温度前提下和较优工况下He轮回的工质体积流量;这标明3种CO2轮回中单位体积流量的CO2气体做功效力均优于2种前提下He轮回单位体积He的换热做功效力.特殊是对于CO2的超临界轮回和跨临界轮回,其工质的V几乎与He轮回相差一个量级,大大减小了做功部件的体积.从表1-3还可以看出,CO2流经叶轮机械前后的V变更远比He流经叶轮机械的V变更大;是以,CO2轮回的叶轮机械进出口叶高变更比He轮回的大.这些都是因为轮回工况下CO2的密度比He大许多,是以固然m大,但是V却远远小于He轮回.2. 超临界CO2轮回改良—超临界CO2再紧缩布雷顿轮回二氧化碳超临界轮回需采取多个回热器（若只采取1个回热器,因为回热器低压侧流体比热较小,换热时高压侧流体温升不敷,会导致换热器消失夹点）,使热量得以更好应用.二氧化碳再紧缩轮回示意图如图2-1所示,轮回温熵图如图2-2所示.图2-1 二氧化碳再紧缩示意图图2-2 二氧化碳再紧缩轮回温熵图透平出口的二氧化碳流体先辈入高温回热器进行放热（5至5'）,落后入低温回热器（5'至6）,尔后,一部分流体直接通往高温紧缩机被紧缩（6至2'）,另一部分流体先冷却后（6至1）再进入紧缩机紧缩（1至2）.然后,经由过程低温回热器回热（2至2'）到与直接被高温紧缩机紧缩的流体雷同的温度,混杂后一路再流经高温回热器（2'至3）.换热器（3至4）,最后流入透平做功（4至5）.（1）轮回数学模子界说Brayton轮回压比ε=Pmax/Pmin.温比τ=tmax/tmin.个中,P 为压力,t为温度.假设经由预冷器的分流量为x（0≤x≤1）,低温回热器的回热度αlrec可暗示为：max min 65max min 22lrec )()()(''t mc h h t mc h h x p p ∆-=∆-=α（2-1）个中：max t ∆为高压侧或低压侧出进口温差最大值;h 为比焓,J/kg;m为质量流量,kg/s;cp 为比定压热容,kJ/(kg·K).高温回热器的回热度αhrec 暗示为：),(),(''''''2555525523t p h h h h t p h h h h hrec --=--=α (2-2)αhrec 与αlrec 的盘算办法差别是由分流引起的.个中,回热器高压侧的出口温度须分离知足前提t2+△t≤ t6≤t5'以及t2'+△t'≤ t5' ≤ t5,△t 与△t' 分离为防止回热器内传热恶化而设置的工程上所许可的最小温差,平日取为8℃.全部轮回的效力η可暗示为：3416)(x 1h h h h ---=η（2-3） 式（2-3）是从能量损掉角度来盘算轮回效力,可看出,采取分流设计,Brayton 轮回释放到情况中未被应用的热量削减,热源接收的热量也削减,是以,轮回效力大幅进步.分流措施可在CO2超临界Brayton 轮回中应用是因CO2物性受工作情况下的压力.温度影响较大.在无分流回热时有：—C p,h △th = —C p,l△t1,下标h 暗示回热器高压侧,l 暗示低压侧.个中,—C p,h ＞—C p,l ,是以,流量相等的情况下导致△th＜△t1,即进入堆芯的气体温度较低,在雷同的ε.τ下,高压侧流经堆芯或换热器的流体需接收较多的热量,降低了轮回效力.而分流轮回则是就义一部分功用于紧缩流体,从而使流体回热后温度得到升高.雷同前提下的轮回在堆芯或换热器接收的热量削减,同时预冷损掉的热量降低,增长了轮回效力.（2）超临界CO2动力轮回优化剖析由数学模子可知,超临界CO2 Brayton再紧缩轮回的轮回效力可暗示为：η=η（ϕ,ε,τ,η,ξ,κi）（2-4）个中：ϕ为初始点的工况;η为压气机和透平的等熵效力;ξ为各部件压力损掉;κi为以下4个变量任选其二,即经由预冷器的流量份额x.低温回热器低压侧出口温度与高压侧进口（即回热器冷端）温度之差△t.低温回热器回热度αlrec及高温回热器回热度αhrec.只要肯定了以上参数,并包管回热器不消失传热恶化现象,即可独一肯定超临界CO2 Brayton轮回的效力.作为现实气体的轮回,影响轮回效力的参数较庞杂,有的参数并不是完整自力,拔取有必定规模的限制.为简化评论辩论,选定二氧化碳超临界Brayton轮回的最高参数分离为压力20MPa.温度650℃,并作为盘算初始点.英国AGR反响堆的运行,证实了CO2在670℃以下的安然性.轮回其余各节点的压力.温度均在临界点参数之上.同时逆流换热器冷端温差越小,换热后果越好,但现实情况不克不及相等,是以,给定回热器冷端温差为8℃.对于图2-2所示的轮回,情况温度.ε.τ.低温回热器冷端温差和紧缩机等熵效力肯定,t2.t6和t2’即可肯定.在知足回热器不消失夹点和传热恶化的情况下,当高温回热器低压侧出口温度t5’越接近高压侧进口温度t2’时,高压侧所交流的热量越多,t3越高.而x=(—C p,lrec,l/—C p,lrec,h)·(△t1/△th),—C p,lrec,h.△th=t2’－t2不变,随t5’的减小,—C p,lrec,l增大,△t1=t5’－t6减小,—C p,l /—C p,h 的增幅小于△t1/△th的减幅.最终x减小到一微小值,此时高温回热器回热温度最高,从堆芯接收热量起码,透平做功份额增长弘远于紧缩机耗功份额的增长,是以,在雷同轮回ε.τ下,x最小时对应的轮回效力是所示轮回的最佳轮回效力,且不合的ε.τ对应不合的最小x和最佳轮回效力.（3）压比对最佳轮回效力的影响假定轮回最低温度为35℃,随ε增大,紧缩机进口工况向临界点接近,使二氧化碳的比热产生较大变更.各ε对应的最小分流量及最佳效力如图2-3所示.从图2-3可看出,随轮回ε的增大,各工况下的最佳轮回效力先增长到最大值,然后减小.而最小分流量变更纪律却与效力几乎相反.图2-3中左端取到了1个极限ε,这是因为回热器高下压侧二氧化碳的比热不同不太大,无需进行分流,不必采取再紧缩轮回,同时也可看出,此时的轮回效力其实不高.右端的极限ε是包管该轮回仍为超临界轮回的压比.图2-3 压比对最佳轮回效力和最小分流量的影响对应于各工况,分流量均能取到微小值.此时低温回热器高压侧流体经回热后,已达到知足限制前提的极限换热温升,再减小流量升高温度,易造成低温回热器消失夹点.当回热器低压侧流体越接近临界压力时,—C p,l /—C p,h 逐渐增大,且增长率越来越大（图2-4）,而t5’的温度越接近t2’的温度,使得△t1/△th 减小,在最佳ε之后减小速度变慢.在εd t t hp C d h p c /),(1______1,∆∆•=0时消失x 的最小值,此ε下的轮回效力也最高. 图2-4 压比比较热的影响（tmin=35℃）图2-5所示为对应最佳效力时高温回热器及低温回热器的回热度的变更.随ε增大,各最佳效力轮回回热度均增长,但两回热度增大的速度不合,在最优ε之前,高温回热器的回热度曲线斜率较大,之后趋于平缓,而低温回热器回热度在最优ε之前增长较缓,之后增幅逐渐变大.图2-5 压比对最佳轮回效力下回热器回热度的影响随ε变更,对应最佳效力下,流体最高回热温度敏捷上升,超出最佳ε后趋于平缓（图2-6）.最佳轮回效力在某压比处达到最大值的原因是：在最佳ε前,回热后流体进入堆芯温度升高,使流体接收热量削减,同时分流量减小使无法应用的热量比例削减,这两处对效力增长的进献较分流导致紧缩机做功增长所带来的损掉大,效力上升.超出最佳ε后,温度上升迟缓,而轮回最小分流量增大,使无法收受接管应用的热量比例增大,同时紧缩机做功增多,效力降低.图2-6 各压比最佳效力下最高回热温度t3随压比ε的变更（4）温比对最佳轮回效力的影响选定ε=2.45,转变低温压气机进口温度.给定压比下,幻想气体的简略回热Brayton 轮回平日热效力随最低轮回温度的减小而增大,但现实二氧化碳气体的轮回却有不合,效力消失最优值.在某个温度以上时,效力随最低轮回温度减小而增大,低于该温度后急速降低（图2-7）.分流量x 的变更与效力的变更正好相反.分流量在35℃阁下消失变更的道理（图2-8）类似于前面有关压比接近临界点邻近的阐述,εd t t h p C d h p c /),(1______1,∆∆•=0时,轮回效力最大.图2-7 tmin 对最佳轮回效力和分流量的影响图2-8 tmin 变更比较热的影响（ε=2.45）高温回热器回热度随轮回最低温度的上升,从最低值敏捷增长到最大值,尔后迟缓降低,而低温回热器回热度先略有降低,然后逐渐升高,且较高温回热器所需的回热度低（图2-9）.图2-9tmin 对最佳轮回效力下回热器回热度的影响最高回热温度先随轮回最低温度的增长而敏捷增长,在x 达最小值后减缓,超出最佳轮回最低温度后,温度上升迟缓,而轮回最小分流量增大使无法收受接管应用的热量比例增大,紧缩机做功增多（图2-10）.是以,轮回效力在x 最小处增长到极大值,然后减小.图2-10 最佳效力下最高回热温度t3随tmin 的变更（5）△t 及x 对轮回效力及回热度的影响选定ε=2.45,轮回最低温度35℃来研讨其他参数的影响.如图2-11所示,给定x,回热度.效力均随△t的变大而降低,因雷同情况下,回热器温差越大,未被应用的热量多,必定导致效力和回热度的降低.在给定ε和τ下,分流量消失最小值,原因同前面剖析雷同,随分流量的增大,效力降低.同时高温回热器回热度也逐渐降低,而低温回热器回热度却迟缓增长,这是因为对回热度有α= q/Q ＜1,即现实回热量q除以理论最大回热量Q,在冷端温度雷同情况下,低温回热器传热量增大,回热度αlrec=（q+dq）/(Q+dq),低温回热器回热度增长;而高温回热器冷端温差变大（x的增长带来t5' 的升高）,换热量削减,但理论最大换热量不变,回热度αlrec=（q－dq）/Q,所以高温回热度降低.图2-11 △t对轮回效力和回热度的影响图2-12 x 对效力.回热度的影响（6）△t及αhrec对轮回参数的影响依据当今紧凑式换热器技巧近况,回热度可达0.98,现保守取αhrec=0.95.给定高温回热器回热度,随低温回热器冷端温差的增大,x在很小的规模内逐渐减小（图2-13）,低温回热器的回热度也在减小.x的减小虽有利于效力的进步,但回热度的降低使效力最终呈降低趋向,在给定高温回热器回热度的情况下,冷端温差增长1℃,约使效力降低0.05%.图2-13 △t变更对轮回效力.αhrec及x的影响包管低温回热器冷端温差不变,随高温回热器回热度的增长,5' 点温度必定降低,是以,导致低温回热器高温流体换热量降低（图2-14）,而须达到雷同温度,只能削减x,同时导致低温回热器回热度降低,但降幅很小,所以,x减小带来的效力增长弘远于低温回热器回热度降低带来的损掉.是以,低温回热器冷端温度不变的情况下,随高温回热器回热度的增长,效力增长,且增长快率变大.同时,回热度只能在必定规模内变更,低于最低值时不需采取分流设计.图2-14 αhrec对轮回效力.αhrec及x的影响（7）△t及αlrec对轮回参数的影响若给定低温回热器的回热度αlrec=0.9,随冷端温差的增大,换热量必定增大,为使回热温度仍知足轮回设计点,只能增大x,而低温回热器回热度的增大导致高温回热器冷端差的增大,从而导致高温回热器回热度的降低,是以轮回效力降低（图2-15）.图2-15 △t变更对轮回效力.αlrec及x的影响若给定低温回热器冷端温差△t,随回热度的升高,高温流体进口温度上升,而低温流体换热后温度不克不及变更,这使x增长.同时,高温回热器换热量减小,其冷端温差变大,回热度减小,轮回效力降低.同样,低温回热器回热度也在必定规模变更,低于最低值无需采取分流设计（图2-16）.图2-16αlrec变更对轮回效力.αlrec及x的影响给定轮回最高压力和温度,在知足限制前提的情况下,轮回达到最佳效力时的工况为：△t=8℃,Pmax=20MPa,tmax=650℃,Pmin=7.8MPa,tmin=34.36℃,以及该工况下高温回热度为0.95.0.977时的参数（表2-1）.表2-1 最佳轮回工况下的参数比较αhrecαlrec xη/%采取分流式设计的二氧化碳Brayton轮回在较低的轮回最高温度下可达较高的轮回效力,与今朝普遍研讨的氦气轮回在高温下达到的效力相当.采取分流措施防止夹点温差小的问题,改良了轮回特征.二氧化碳轮回的堆芯出口温度较低,包管了反响堆的安然性,同时效力不低于He透平轮回,具有优越的成长远景,能用做第四代先辈核能体系的能量转换方法.。

新型超临界二氧化碳动力循环发电系统及控制策略摘要：近年来，超临界二氧化碳作为一种高效无污染的清洁运行工质一起了众多学者的关注，超临界二氧化碳布雷顿循环则成为了一种具有极大潜力的替代能源转换系统。

由于超临界二氧化碳具有一系列优势，使其在核反应堆、燃煤联合循环、太阳能等方面具有广泛的应用前景。

为了不断提高超临界二氧化布雷顿循环的性能，本文提出了一种新型的超临界二氧化碳的动力循环发电系统，并对其控制策略进行了比较分析。

关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；控制策略1.超临界二氧化碳布雷顿循环研究现状超临界二样化碳布雷顿循环由Feher于1967年首次提出，整个循环中，二氧化碳的运行温度和压力均在临界温度和严厉（7.39Mpa, 31.1°C）之上。

Angelion 在2004年对超临界二氧化碳普通布雷顿循环系统的理论性能做了总结，分析了整个循环的设计点性能。

此后，Dostal在技术分析上提出了再压缩超临界二氧化碳循环，相比于简单的回热循环，再压缩循环能够提供更高的热利用效率，降低高压与低压CO2之间存在的热容差，降低“夹点”的影响。

后来，学者们相继提出了预压缩模型和部分冷却模型，均是为了改善换热器冷热流热用不同的问题，从而提高热效率。

美国研究S-CO2布雷顿循环最早，目前在科罗拉多州和桑迪亚国家实验室更有一套循环装置，大力推进S-CO2发电的商用化，日本正开发一套高温高压无污染的S-CO2循环机组，现阶段已完成燃气轮机的燃烧试验。

韩国、捷克等国家均开展了S-CO2布雷顿循环的设计及试验研究，但仍处于理论研究和试验的起步阶段。

我国对S-CO2布雷循环的研究不多，近年也相继开展对S-CO2作为工质进行发电的研究工作。

2.新型S-CO2动力循环发电系统图一给出了新型S-CO2动力循环发电系统流程图。

新型S-CO2动力循环发电系统是在再压缩S-CO2布雷顿循环的基础上引入另一个热交换器和涡轮机，S-CO2在换热器1中被加热后进入高压透平做功，随后S-CO2工质不是直接进入回热器，而是再次进入换热器2进行二次加热，通过低压透平做功后进入回热器。

超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。

但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。

出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。

CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。

采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。

超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。

1. 二氧化碳布雷顿循环分析（1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。

高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。

动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He 循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。

超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。

表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1zCO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.4630.1 1.95 0.01497 0.828 0.879He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.0330.1 0.156 0.1571 5.198 0.999 （2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆（AGR）为例。

超临界二氧化碳动力循环研发现状及趋势【摘要】在化石燃料发电行业中，寻找有效的动力循环技术始终是工作的重点。

在本文中，主要是针对超临界二氧化碳动力循环，即sCO2循环，分析了其使用具备的优势，并且分析了其发展的趋势和方向。

【关键词】超临界；二氧化碳；动力循环；现状；趋势在最近几年中，超临界二氧化碳动力循环(sCO2循环)一直是热点，并且包含着各种应用的优势，如果突破当前的动力循环瓶颈，将会获得更大的发展前景。

在最初时期，关于sCO2的循环研究是上世纪四十年代，之后在六七十年代，研究更是获得了显著的发展。

到21世纪初，在美国又兴起了关于sCO2循环的相关研究，并且被其他的国家关注。

二氧化碳具有稳定的化学性质，并且其成本低、密度高、结构紧凑，在应用中循环简单，在聚光型太阳能热发电(CSP)以及火力发电和地热发电中都有着广阔的使用前景，同时也能够取代天然气联合循环(NGCC)以及整体煤气化联合循环(IGCC)，保证更高的工作效率和更低的废气排放。

一、超临界二氧化碳动力循环的相关概述（一）超临界二氧化碳动力循环方式和特点在超临界二氧化碳动力循环中，包含了两个方式，分别是间接加热方式(闭式参考图1)以及直接加热方式(半闭式参考图2)。

图1闭式sCO2循环在闭式循环包含了发电机、压缩机(或泵)、透平、预冷器、热交换器以及回热器等等，参考图1。

在工质一直在超临界状态下，闭式循环就是布雷顿循环，并且低温低压的工质到达压缩机中，上升到高压，之后经过回热器，将透平排出工质的热量吸收，然后再通过热交换器吸收热量，上升到最高温度，之后进入透平，进行做功来促进发电机工作，通过透平将工质排出，然后通过回热器来释放一些热量，最后通过预热器进行冷却，再次进入下一个循环。

如果工质通过预冷器成为液态，就可以使用泵加压。

图2半闭式sCO2循环半闭式循环包含的发电机、压缩机、泵、水分离器、燃烧器、回热器、透平、冷却器和预冷器等等，参考图2。