摘 要

随着第四代核能系统不断发展以来，超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，S-CO2）布雷顿循环受到各个国家的广泛关注。S-CO2布雷顿循环凭借其热效率高，成本低廉，结构紧凑等特点，以及相对于常规蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环换热器的低不可逆性和更宽的温度适用范围，被认为是目前最具有应用发展前景的能量转换系统之一。同时，S-CO2布雷顿循环适用于核能、化石能源、太阳能、工业余热、船舶动力等多个领域。然而我国目前对S-CO2布雷顿循环的研究仍处于初级阶段，对循环系统瞬态过程的数值建模与特性分析仍有较大空白之处。

本文搭建了双TAC(Turbine Alternator Compressor)结构再压缩S-CO2布雷顿循环发电系统动态数值仿真模型，并对S-CO2布雷顿循环进行相关研究。首先，基于MATLAB/SIMULINK平台对循环内换热器、涡轮机、压缩机等关键部件进行数值建模与模型联调，其次在此基础上进行系统瞬态运行特性分析，并通过模型进行验证。同时模拟典型特性及典型扰动对循环系统的影响，分析(1)热源、分流比及冷却器参数发生变化时的热力循环系统运行参数和热效率参数变化规律；(2)温度扰动、压力扰动对系统各部件进出口参数及系统循环效率的影响及调节手段，为研制优化的运行控制策略提供数值依据。

关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；数值建模；动态特性

Abstract

With the continuous development of the fourth-generation nuclear energy system, supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle has received extensive attention from various countries. The S-CO2 Brayton cycle is considered to be a high-efficiency, low-cost, compact, and other characteristics, as well as low irreversibility and wider temperature application range compared to conventional steam Rankine cycle, organic Rankine cycle heat exchangers. It is currently one of the most promising energy conversion systems for application development. At the same time, the S-CO2 Brayton cycle is suitable for many fields such as nuclear energy, fossil energy, solar energy, industrial waste heat and ship power. However, China's current research on the S-CO2 Brayton cycle is still in its infancy, and there is still a big gap in the numerical modeling and characteristic analysis of the transient process of the circulatory system.

This article builds a double Turbine Alternator Compressor (TAC) structure recompression S-CO2 Brayton cycle power generation system dynamic numerical simulation model, and conducts related research on S-CO2 Brayton cycle. Firstly, based on the MATLAB / SIMULINK platform, numerical modeling and joint debugging of key components such as heat exchangers, turbines and compressors in the circulation are carried out. Secondly, the transient operating characteristics of the system are analyzed and verified by the model. Simultaneously simulate the impact of typical characteristics and typical disturbances on the circulatory system, and analyze (1) the change rules of the operating parameters and thermal efficiency parameters of the thermal cycle system when the heat source, split ratio and cooler parameters change; (2) The influence and adjustment methods of temperature disturbance and pressure disturbance on the import and export parameters of each component of the system and the system cycle efficiency, which provide a numerical basis for the development of optimized operation control strategies.

Key Words: supercritical carbon dioxide; Brayton cycle; numerical modeling; dynamic characteristics

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 S-CO2布雷顿再压缩循环系统数值建模 4

2.1 循环系统介绍 4

2.1.1 S-CO2布雷顿循环基本原理 4

2.1.2 S-CO2布雷顿循环系统布局 4

2.2 建模基础 7

2.2.1 模型功能及要求 7

2.2.2 模块划分与参数界定 7

2.3 S-CO2布雷顿再压缩循环系统关键部件模型搭建 8

2.3.1 换热器模型搭建 8

2.3.2 压缩机模型搭建 10

2.3.3 涡轮机模型搭建 11

2.3.4 工质混合模型和工质分流模型搭建 12

2.3.5 转轴和电机模型搭建 14

2.4 S-CO2布雷顿再压缩循环系统模型联调 14

第3章 S-CO2布雷顿再压缩循环系统运行特性验证 16

3.1 叶轮机械动态特性验证 16

3.1.1 主压缩机动态特性仿真 16

3.1.2 再压缩机动态特性仿真 17

3.1.3 涡轮机动态特性仿真 18

3.2 换热器稳态特性验证 20

3.3 本章小结 21

第4章 外界扰动对循环特性影响 22

4.1 烟气扰动对循环影响 22

4.1.1 烟气温度扰动的影响 22

4.1.2 烟气流量扰动的影响 26

4.2 冷却水扰动对循环影响 31

4.3 本章小结 36

第5章 总结与展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

自本世纪以来，能源消费以及环境保护问题受到全球各个国家的密切关注，在化石能源日益紧缺与各国日益增长的能源需求、环境保护与能源使用造成污染这两个矛盾下，寻找如何在提高能源利用效率的同时尽量减少环境污染的方法已成为当务之急。对于给定的能源、可再生能源（如地热和太阳能）以及工业或移动发动机废热，必须提出一种更高效的动力循环，以提高能源利用率^[1]。基于此，超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环在第四代核反应堆概念提出时引起各国学者的广泛研究。

本文所述的循环中主工质为超临界状态下的二氧化碳，并使之以布雷顿循环的运行方式在系统中流动。此循环相比于传统蒸汽朗肯循环具有以下优点：(1)热力循环效率高，在范围内可达到的效率均比蒸汽朗肯循环高，理论分析表明当涡轮入口温度接近800℃时，其热力循环效率可超过50%，而蒸汽朗肯循环平均效率仅为34%左右^[2]；(2)各种不同品质热源均可适用，并且相较于蒸汽朗肯循环，S-CO2布雷顿循环具有更广的适用温度范围^[3]。循环采用闭式循环，所以也可以适用于核能、太阳能、燃煤发电、燃料电池和工业废热等各种不同热源^[4]; (3)设备紧凑，占地面积小，相比于相同功率下的蒸汽朗肯循环，S-CO2布雷顿循环中的透平转子是蒸汽朗肯循环的1/20，使用的印刷式电路板换热器相对于管壳式换热器而言体积缩小了84%^[5]；(4)工质容易获取且性质稳定，二氧化碳成本低廉，无毒无味，化学性质稳定，超临界状态下较易压缩，且循环初温适宜。由于以上优点，S-CO2布雷顿循环尤其受到重视。研究发现，简单回热布局的S-CO2布雷顿循环中，因为工作流体压力差导致主工作流体热容量数值相差较大，外在表现为循环运行中工作流体的夹点温差太大，这一情况会使得循环的热效率降低，因此对简单回热布局的S-CO2循环的缺点进行了改进：循环引入了阀件将工作流体进行分流，引入再压缩机进行再压缩，还引入了再热工质回路，对再压缩后的流体进行二次加热，提高系统效率，该循环即为再压缩循环。

本文通过对超临界二氧化碳闭式布雷顿再压缩循环的瞬态过程进行数值建模和特性分析，并对循环内各设备的数学模型进行数值验证，进而获得实际工况下系统的运行性能，并通过改变模块输入参数了解其对循环运行可能造成的影响。该课题拟对循环系统的瞬态特性进行过程仿真，获取其典型的动态特性和外界扰动对循环特性的影响，为继续对超临界二氧化碳闭式布雷顿再压缩循环系统进行优化和控制提供了仿真依据。

1.2 国内外研究现状

1968年学者Feher提出并设计了第一个S-CO2循环系统，1969年Angelino通过回热和再压缩过程对S-CO2布雷顿循环进行改进^[6]，同时还发现了循环过程中的“夹点”问题，但由于当时机械设计和制造技术发展较落后，没有可以满足要求的换热器、叶轮机械等，对S-CO2布雷顿循环的研究工作一度停滞不前。2001年，第四代核能论坛推荐采用S-CO2布雷顿循环，使该循环再次进入人们视野。Dostal通过对各循环进行热力学对比，证明了S-CO2布雷顿循环具有更高的循环效率与更低的成本，并对S-CO2布雷顿循环系统应用于未来核反应系统的可行性进行分析^[7]。在此之后，各研究机构对于S-CO2布雷顿循环的研究更加详尽，Dyreby对S-CO2布雷顿闭式再压缩循环与其他循环进行对比，证实了其更高的效率，所以S-CO2布雷顿闭式再压缩循环尤其受重视^[8]。近年来，美国对S-CO2循环的研究发展较为迅速，多个实验室在美国能源部与海军的支持下，对S-CO2循环发电试验台进行了搭建。2007年，桑迪亚国家实验室搭建了以超临界二氧化碳作为工质的实验装置，循环采用了回热再压缩布局，并对相关数值进行了模拟分析，实验对循环控制策略，系统的瞬态特性进行了研究^[9]。同年，诺尔斯实验室开始搭建采用简单再热布雷顿循环的综合试验台，并将其应用于海军反应堆中^[1]。除此以外，阿贡国家实验室对S-CO2布雷顿循环在铅冷快堆、钠冷快堆的使用进行了论证；Echogen公司搭建了用于研究余热回收的商用机；美国西南研究院搭建了1MW的简单循环系统等^[10]。美国能源部于2016年资助八千万美金用于一个规模为10MW的示范性工程，并规划将此项目进行商业化，同时开展相关的拓展性研究，同时推广S-CO2在核能、太阳能等领域内的能量转换系统中的应用。