应用于工业余热的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热力学和㶲分析

　　近年来，sCO₂布雷顿循环系统以其热效率高、结构简洁紧凑、功率密度大、成本低等优点成为国内外研究热点。我国工业余热资源丰富但利用率较低，部分余热资源如船舶动力排烟和分布式燃机排烟等，其温度可达450~600℃。这部分余热资源与sCO₂布雷顿循环的运行工质温度具有很好匹配。sCO₂布雷顿循环在工业余热领域应用时，如何设置合理的系统参数以实现热源高效利用，是迫切需要解决的问题。本论文以船舶动力余热为代表的热源为研究对象，通过自主开发的一套基于分流再压缩的sCO₂布雷顿循环数值模拟程序，研究系统各关键参数对系统性能的影响。

　　本论文旨在研究分析sCO₂布雷顿循环在工业余热领域应用的系统热力学及㶲特性，深入挖掘各关键参数对系统性能影响的内部机制。

　　通过本论文研究，可为应用于工业余热领域的超临界CO2布雷顿循环系统关键参数设计提供有效指导，避免系统性能恶化，实现热源高效利用。

　　本文利用Matlab结合NIST-REFPROP9.0物性数据库接口，自主开发了一套基于分流再压缩的sCO₂布雷顿循环的工业余热利用数值模拟程序，并结合㶲分析原理深入挖掘各参数对系统性能影响的内部机制。本文根据船舶动力排烟和分布式燃机排烟等工业余热特点，取系统发电功率为300kW，透平入口温度为450~600℃，再压缩分流比为0.25~0.54，主压缩机入口压力和温度分别为7.6MPa和32~40℃，主压缩出口压力为15~31MPa，高、低温回热器最小温差为5℃，压缩机等熵效率取85%，透平等熵效率取90%，换热器、回热器和预冷器压降取1%。研究结果表明再压缩分流比、透平入口温度、主压缩出口压力和主压缩入口温度对系统性能影响各异；通过分析各部件的㶲损失率分布规律可进一步挖掘系统㶲损失主因。

图1  双级回热分流再压缩sCO₂布雷顿循环示意图

图2  程序流程示意图

　　1）任意给定输入参数下，存在一个最佳分流比使得热效率和㶲效率同时达到最优。

　　2）透平入口温度变化对最佳分流比不造成影响。提高透平入口温度始终对系统热效率和㶲效率起到积极促进作用。

　　3）最佳分流比随主压缩机出口压力的提高而单调递减。系统最佳热效率和㶲效率随压力提高先增加后缓和，在低压段(15~23MPa)增加明显。随着主压缩机出口压力的提高，系统㶲损失率的减少基本上是由高温回热器贡献的。

　　4）最佳分流比随着主压缩机入口温度的提高而降低。主压缩机出口达25MPa时，主压缩机入口温度从32℃升至34℃，最佳热效率和㶲效率分别下降约3%和5%。主压缩机入口温度提高造成系统性能恶化的结果主要是通过预冷器的㶲损失率增加实现的。

图3  热效率和㶲效率与再压缩分流比的关系

图4  各部件㶲损失与主压缩机出口压力的关系

　　陶志强，赵庆，唐豪杰，吴家桦. 应用于工业余热的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热力学和㶲分析[J].　中国电机工程学报，2019，39 (23): 6944-6951.

　　东方研究院燃机及先进热力系统研究团队隶属东方电气集团科学技术研究院有限公司（简称“东方研究院”）。东方研究院是东方电气股份有限公司的全资子公司，是东方电气集团的创新平台、人才高地和孵化中心。东方研究院燃机及先进热力系统研究团队，研究领域涉及燃气轮机关键技术、先进热力循环发电和工业热力系统节能。研究团队发挥东方电气集团在大型发电设备及系统集成方面的优势，开展热力设备及系统的技术创新，旨在为用户提供热力相关的综合解决方案。研究团队自2015年开始开展sCO₂2布雷顿循环系统研究和开发工作，开发sCO₂系统热力系统建模、仿真、工艺流程设计以及集成关键技术研究。以工信部“船舶热能发电系统关键技术研究及示范应用”项目为依托，完成了适用于大型舰船余热发电的300kW闭式sCO₂布雷顿循环发电装置热力系统设计。正在开展系统集成设计、变工况仿真研究，后续还要开展部件试验、系统实验和实船示范。

　　吴家桦，博士，高级工程师，现就职于东方电气集团科学技术研究院有限公司，现任能源清洁利用与环保技术研究所所长，兼任东方电气洁能科技成都有限公司副总经理。中国动力工程学会青年学术委员会副主任委员，成都绿色能源产业协会副会长、常务理事。发表论文10 余篇，专利授权51项，获得集团公司级及以上科技奖励3项，获得集团公司级荣誉称号3项。主要从事煤炭清洁转化利用、固废处置、先进热力系统及工业余热利用等研究。作为主要研发人员，参与工信部高技术科研项目“超临界二氧化碳布雷顿发电技术研究及示范应用”等项目。

　　唐豪杰，博士，高级工程师，现就职于东方电气集团科学技术研究院有限公司。主要从事燃气轮机、先进热力系统等方面的科研工作。主持或参加 “973”项目、工信部项目、能源部等多项国家级项目和东方电气集团科研项目。作为项目负责人，主持工信部项目“船舶热能发电关键技术研究及示范应用”子课题“sCO₂布雷顿循环系统设计”。近年来，发表论文22篇，其中SCI 6篇，EI 8篇。申请专利申请13项，其中发明专利6项，曾受邀2次赴国际学术会议做口头报告，MEASUREMENT 自由审稿人。

　　陶志强，硕士，工程师，现就职于东方电气集团科学技术研究院有限公司，主要从事先进热力系统及工业余热利用等研究。作为主要研发人员，参与工信部项目“船舶热能发电关键技术研究及示范应用”子课题“超临界CO₂布雷顿循环系统设计”。

　　赵庆，硕士，高级工程师，现就职于东方电气集团科学技术研究院有限公司，目前主要从事超临界二氧化碳循环等先进热力循环方面的研究。作为主要研发人员，参与工信部项目“船舶热能发电关键技术研究及示范应用”子课题“sCO₂布雷顿循环系统设计”。