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1、Nuclear Science and Technology 核科学与技术核科学与技术, 2020, 8(2), 53-60 Published Online April 2020 in Hans. http:/www.hanspub.org/journal/nst https:/doi.org/10.12677/nst.2020.82006 文章引用文章引用: 王俊峰, 黄彦平, 臧金光, 刘光旭. 超临界二氧化碳布雷顿循环热力学优化研究J. 核科学与技术, 2020, 8(2): 53-60. DOI: 10.12677/nst.2020.82006 Investigations on T
2、hermodynamic Optimization of Supercritical CO2 Brayton Cycle Junfeng Wang, Yanping Huang, Jinguang Zang, Guangxu Liu CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu Sichuan Received: Mar. 19th, 2020; accepted: Apr. 2nd, 2020; published:
3、 Apr. 9th, 2020 Abstract Supercritical carbon dioxide Brayton cycle is an important candidate in nuclear energy innovation. In this paper, an investigation on thermodynamic analysis and optimization was carried out for supercritical carbon dioxide Brayton cycles on the basis of the first law of ther
4、modynamics. A new cycle, called double flow split compression cycle, was proposed to further increase system effi-ciency. Thermodynamic analysis and evaluation have been conducted. The effect of inter-cooling and re-heating on cycle efficiency has been obtained. A comparison of cycle efficiency has
5、been made between the newly proposed double flow split compression cycle and traditional recom-pression cycle. The results show that cycle efficiency of double flow split compression cycle is 1-2 percent higher than that of recompression cycle. The efficiency improvement can exceed 3 percent while i
6、nter-cooling and re-heating were adopted in system. Keywords Supercritical Carbon Dioxide, Brayton Cycle, Thermodynamic Optimization 超临界二氧化碳布雷顿循环热力学优化研究超临界二氧化碳布雷顿循环热力学优化研究 王俊峰王俊峰，黄彦平黄彦平，臧金光臧金光，刘光旭刘光旭 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，中国核动力研究设计院，四川 成都 收稿日期：2020年3月19日；录用日期：2020年4月2日；发布日期：2020年4月9日 摘摘 要要 超临界二氧化碳布雷顿循环是
7、核能技术创新的重要选择。基于热力学第一定律，开展了超临界二氧化碳超临界二氧化碳布雷顿循环是核能技术创新的重要选择。基于热力学第一定律，开展了超临界二氧化碳王俊峰 等 DOI: 10.12677/nst.2020.82006 54 核科学与技术 布雷顿循环热力学分析与优化研究。为进一步提高转换效率，提出了双级分流压缩循环方案，开展了热布雷顿循环热力学分析与优化研究。为进一步提高转换效率，提出了双级分流压缩循环方案，开展了热力学特性分析和评价， 获得了间冷、 再热对系统效率的影响规律， 并与传统再压缩循环进行了定量比较。力学特性分析和评价， 获得了间冷、 再热对系统效率的影响规律， 并与传统再压缩
8、循环进行了定量比较。研究表明：本文提出的双级分流压缩循环比传统再压缩循环的热效率可提高研究表明：本文提出的双级分流压缩循环比传统再压缩循环的热效率可提高12个百分点，带间冷和再个百分点，带间冷和再热时热效率可提高近热时热效率可提高近3个百分点。个百分点。 关键词关键词 超临界二氧化碳，布雷顿循环，热力学优化超临界二氧化碳，布雷顿循环，热力学优化 Copyright 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution Internationa
9、l License (CC BY 4.0). http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 1. 引言引言 相比当前大规模使用的蒸汽朗肯循环，超临界二氧化碳布雷顿循环具有效率高、系统简单紧凑、成本低、无需消耗水资源等显著优势，在核能、化石能、太阳能、地热能、工业余热利用等多种领域具有较好的应用前景，近年来受到广泛关注，成为能源动力领域的研究热点之一1 2 3 4 5。 自 V. Dostal 1经过多方案系统评估提出超临界二氧化碳再压缩循环以来，国内外研究人员对该循环进行了大量的理论和数值计算研究，普遍认为相比部分冷却、预先压缩等其他复合循环，再压缩循环
10、在中高温下能达到最高的转换效率6，是核能、太阳能等中高温能源领域应用超临界二氧化碳布雷顿循环的首选方案。本文在再压缩循环已有研究基础上，从基本热力学原理入手，分析了进一步提高系统效率的方法，提出了双级分流压缩循环方案，对该方案进行了热力学分析，并与再压缩循环进行了对比和评价。 2. 基本模型基本模型 2.1. 计算模型计算模型 超临界二氧化碳布雷顿循环主要由压气机、透平膨胀机、回热器、冷却器和热源等基本设备构成。在循环方案组织过程中，每一个热力过程可根据循环需要，通过一个或多个同类设备共同实现，但每一类设备的基本热力模型相同。 二氧化碳的物性参数由 REFPROP 9.0 7获得。 REFPR
11、OP 是美国国家标准技术研究所(NIST)开发的针对各类工质物性计算的标准软件，涵盖了几十种常见流体工质的热物性数据库。 针对压气机压缩过程，其基本模型如下： cocicPP= (1) (),cociciss P T= (2) (),cococohh Ps= (3) ()ccocichhh= (4) (),cococicTT Phh=+ (5) 针对透平膨胀机膨胀过程，其基本模型如下： totitPP= (6) (),totitiss P T= (7) (),tototohh P s= (8) Open AccessOpen Access王俊峰 等 DOI: 10.12677/nst.2020
12、.82006 55 核科学与技术 ()ttotithhh= (9) 式中，P 表示压力(MPa)，s 表示熵(kJ/kg)，h 表示焓(kJ/kg)，T 表示温度()，h 表示焓升(kJ/kg)，表示压比， 表示压气机、透平膨胀机的等熵效率。下角标 c，ci 和 co 分别表示压气机、压气机入口和压气机出口，下角标 t，ti 和 to 分别表示透平膨胀机、透平膨胀机入口和透平膨胀机出口。 针对回热器和冷却器等换热设备， 超临界二氧化碳布雷顿循环一般需采用可耐高温高压的 PCHE (印刷电路板式换热器) 8，以在控制换热设备体积的条件下实现较低的端部温差和较高的换热效率。回热器、冷却器换热和流动
13、特性会对系统效率造成一定影响，但换热设备的性能选取更多由工程因素决定。本文计算中，考虑到 PCHE 的换热效率和成本平衡，回热器、冷却器最低端部温差取为 10。换热设备的能量守恒方程为： ()()111222iooim hhmhh= (10) 式中，m 表示流量(kg/s)，h 表示焓(kJ/kg)，下脚标 1 和 2 分别表示换热器热侧和冷侧，下脚标 i 和 o 分别表示进口和出口。 透平膨胀机输出功和压气机耗功分别为： tttWmh= (11) cccWmh= (12) 式中，W 表示功率(kW)，m 表示流量(kg/s)，h 表示焓升(kJ/kg)，下脚标 c 和 t 分别表示压气机和透
14、平膨胀机。 则系统热效率可由式(13)计算。 tcWWQ= (13) 式中 表示系统热效率，Q 表示热源功率(kW)。 当系统内有多个透平膨胀机或压气机时， 效率计算的透平膨胀机输出功取多个透平膨胀机功率之和，压气机耗功取多个压气机耗功之和。 2.2. 初始条件及参数初始条件及参数 本文计算的初始条件及设备参数如表 1 所示。综合考虑系统效率和压气机运行稳定性，将压气机入口参数设置在二氧化碳临界点之上，入口温度和压力分别为 32和 7.7 MPa。压气机和透平膨胀机效率按当前大型工业压气机和高压透平膨胀机的效率给定。热功率按当前典型小型反应堆热功率选取。根据工程经验，系统内工质流动引起的压力损
15、失取 0.9 MPa，其中高压侧存在压降较大的透平膨胀机主气门、主调门，取为 0.55 MPa，低压侧取为 0.35 MPa。 3. 计算结果分析计算结果分析 3.1. 再压缩循环计算验证再压缩循环计算验证 超临界二氧化碳再压缩循环基本流程如图 1 所示。被热源加热的超临界二氧化碳进入透平膨胀机做功(1-2)后，经高温回热器(2-3)和低温回热器(3-4)预热高压侧流体。在进入冷却器之前进行分流，一部分经冷却器将循环废热排出(4-5)，再进入主压气机升压(5-6)，另一部分直接被压缩至高压(4-7)，并与被低温回热器预热的工质汇合。汇合后的流体被预热(7-8)后进入热源吸热(8-1)，形成闭合
16、循环。再压缩循环通过分流再压缩，一定程度上解决了超临界二氧化碳工质在系统内高压侧比热大、低压侧比热小而导致的回热不足问题，显著提高了系统效率。 王俊峰 等 DOI: 10.12677/nst.2020.82006 56 核科学与技术 Table 1. Initial conditions and equipment parameters 表表 1. 初始条件及设备参数 参数名称 数值 选择说明 透平膨胀机效率 0.9 工业级高压气体透平的效率 压气机效率 0.89 工业级压气机的效率 热功率 600 MW 典型小型反应堆 回热器最低端部温差 10 综合考虑换热器效率和成本之间的平衡 压气机入口温度 32 综合考虑效率和运行稳定性 压气机入口温度 7.7 MPa 入口温度对应的拟临界点压力 系统总压降 0.9 MPa 高压侧 0.55 MPa，低压侧 0.35 MPa Figure 1. Recompression cycle layout 图图 1. 再压缩循环流程图 本文首先基于上述模型和方法计算了国际上公认作为验证基准的典型工况1，并将计算结果进行了比较，如表 2 所示。可以看出，
