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。利用S-CO2再压缩最佳分流系数和一次再热提高S-CO2工质温度，来最大限度提高S-CO2再压缩再热动力循环发电系统的循环效率。
超临界二氧化碳循环的高效性是建立在工质保持在超临界状态运行的基础之上的，因此必须保证循环系统在温度及压力的最低点高于临界点，同时为了使循环系统避免超温超压，要控制循环系统的入口参数不能超限。因此在主压缩机前增加了储能装置，即稳压罐，稳压罐的作用是调节主压缩机入口处的压力，当主压缩机入口压力高于设定值时，稳压罐出口与主压缩机入口形成压差，工质流入稳压罐，反之，工质由稳压罐流入主压缩机，最终两端压力平衡。
图1新型S-CO2动力循环发电系统
3.新型S-CO2动力循环发电系统控制策略设计
超临界二氧化碳发电系统稳态运行方案是指超临界二氧化碳发电系统在稳定运行条件下，以热源功率为核心，各运行参数，如温度、压力和流量等应遵循的一种相互关系。
超临界二氧化碳发电系统控制可以借鉴火电机组燃煤汽轮机组和燃气轮机发电系统。火电机组燃煤汽轮机组发电功率主要由主蒸汽压力和高调门开度决定，有两种最基本的稳态运行控制方式：主蒸汽压力恒定，发电功率与高调门开度成正比；高调门开度恒定，发电功率与主蒸汽压力成正比。燃气轮机发电系统发电功率由燃料量和导叶角决定，有两种最基本的稳态运行控制方式：导叶角不动，保证燃气轮机空气流量不变，发电功率与燃料量成函数关系；导叶角投入闭环控制，保证燃气轮机涡轮排温不变，发电功率与燃料量成函数关系；
借鉴火电机组燃煤汽轮机组稳态运行方案，设计超临界二氧化碳发电系统稳态运行方案。超临界二氧化碳发电系统，热源功率包括换热器1热负荷、换热器2热负荷，其中换热器1热负荷最大，且最能代表热源功率，因此以换热器1功率为核心，进行超临界二氧化碳发电系统稳态运行方案论证设计。
工质在换热器1冷端中加热带走热量，带走的热量不仅与工质流量有关，还与工质的温升相关，每一个参数改变都会影响换热器1的热负荷。其中，主要影响的参变量为工质流量和工质出口温度。对于这两个参变量，如果其中某一个恒定，那另一个的变化与换热器1热负荷就成一定的关系，这就引出了两种最基本的稳态运行控制方式。工质流量恒定，工质出口温度与换热器1热负荷变化成函数关系；工质出口温度恒定，工质流量与换热器1热负荷变化成线性关系。
3.1换热器1冷端的工质流量恒定运行方案
换热器1冷端的工质流量恒定方案是指当超临界二氧化碳发电系统启动达到功率运行状态后，在任何时候换热器1冷端工质流量都是不变的。换热器1冷端的出口工质温度随着换热器1冷端的热负荷改变而改变。随着换热器1冷端的热负荷上升，换热器1冷端的出口工质温度上升。
换热器1冷端的工质流量恒定运行控制模式中，有两个主要控制目标，一个是发电负荷，另一个是换热器1冷端的工质流量。另外，由于预冷器对主压缩机压力控制有重要作用，因此预冷器热端出口温度也是控制目标之一。
此种稳态运行方案，系统控制简单，主压缩机和再压缩机运行稳定；但系统温度变化大，且低负荷时，系统效率偏低。
3.2换热器1冷端的出口工质温度恒定运行方案
换热器1冷端的出口工质温度恒定方案是指当超临界二氧化碳发电系统启动达到功率运行状态后，在任何时候换热器1冷端出口工质温度都是不变的。换热器1冷端的工质流量随着换热器1冷端的热负荷改变而改变。随着换热器1冷端的热负荷上升，换热器1冷端的工质流量上升。
换热器1冷端的出口工质温度恒定运行控制模式中，有两个主要控制目标，一个是发电负荷，另一个是换热器1冷端的出口工质温度。另外，由于预冷器对主压缩机压力控制有重要作用，因此预冷器热端出口温度也是控制目标之一。
此稳态运行方案，系统温度几乎不变，低负荷时，发电效率较高；但系统控制复杂，主压缩机、再压缩机、换热器随负荷变化运行工况同时不变。
4.结论
S-CO2布雷顿循环所具有的优势使得在各个领域中都有潜在的应用，近年来作为一种新的能源利用方式应用于各个不同的热源系统中。为了更高的提高热循环效率，本文结合当前较为常见的再压缩循环基础上提出新型S-CO2动力循环发电系统，并介绍了两种不同的控制策略，为S-CO2布雷顿循环的研究提供了新的思路。
参考文献
[1]郑开云.超临界二氧化碳动力循环研发现状及趋势分析[J].能源工程. 2017,(05),31-37+47.
[2]张一帆,王生鹏,刘文娟,陈渝楠,王月明,李红智.超临界二氧化碳再压缩再热火力发电系统关键参数的研究[J].动力工程学报,2016,36(10):827-833+852.
[3]吴闯,王顺森,王兵兵,李军.超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电系统仿真研究[J].中国电机工程学报,2018,38(21):6360-6366+6498.
论文作者:冯岩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/5/16
标签：工质论文; 换热器论文; 超临界论文; 系统论文; 二氧化论文; 负荷论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;