鄒正平 王一帆 姚李超 劉火星 許鵬程 李輝

(1. 北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院, 北京 102206; 2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;3. 北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 北京 100083)

當(dāng)前,絕大多數(shù)能源均以熱能動(dòng)力利用的形式被轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能,如何提高動(dòng)力循環(huán)的性能成為能源深度開發(fā)的主要技術(shù)途徑。 在現(xiàn)有成熟循環(huán)構(gòu)型和部件設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上,通過改變循環(huán)工質(zhì)以改善循環(huán)性能是熱能動(dòng)力利用領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向,諸如超臨界氦[1-2]、氦氙混合物[3-4]、超臨界二氧化碳(SCO2)[5]等特殊工質(zhì)被逐步挖掘,其中SCO2閉式布萊頓循環(huán)具備諸多潛在優(yōu)勢,被視作有望突破現(xiàn)有動(dòng)力循環(huán)技術(shù)發(fā)展瓶頸的革新技術(shù)[6]。

早在20 世紀(jì)60 年代,Feher 等[7-8]便率先提出將SCO2用作動(dòng)力循環(huán)工質(zhì)的構(gòu)想,指出SCO2循環(huán)憑借高熱效率和高緊湊性等優(yōu)勢在地面/空天發(fā)電及動(dòng)力推進(jìn)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。 之后,Angelino[9-10]通過對(duì)比不同SCO2循環(huán)和蒸汽循環(huán)的性能,證實(shí)無再熱SCO2循環(huán)的熱效率便可超過再熱蒸汽循環(huán)效率,且具備更高的結(jié)構(gòu)緊湊性和經(jīng)濟(jì)性,其工作掀起了關(guān)于SCO2循環(huán)的研究熱潮,所提出的再壓縮循環(huán)構(gòu)型為后續(xù)眾多的設(shè)計(jì)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[11-13]。 然而,受當(dāng)時(shí)葉輪機(jī)和緊湊換熱器的設(shè)計(jì)/制造水平等因素的限制,研究熱潮在20 世紀(jì)70 年代末期便戛然而止,相關(guān)研究成果也并未得到工程實(shí)際應(yīng)用。 隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)?dòng)力循環(huán)效率和經(jīng)濟(jì)性要求日益嚴(yán)苛,SCO2循環(huán)于21 世紀(jì)初重新受到關(guān)注。 Dostal等[14]率先探究了SCO2循環(huán)在新一代核電領(lǐng)域的應(yīng)用前景,從熱力性能、經(jīng)濟(jì)性、葉輪機(jī)/換熱器部件可行性等多方面系統(tǒng)地論述了該循環(huán)的優(yōu)勢。雖然其研究愿景為新一代核能發(fā)電,但研究人員敏銳地洞察了SCO2閉式布萊頓循環(huán)在熱動(dòng)力利用領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景,很快便在全球范圍內(nèi)掀起了新的研究熱潮。

本文綜述了國內(nèi)外在SCO2閉式布萊頓循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究現(xiàn)狀,并結(jié)合北京航空航天大學(xué)高超聲速強(qiáng)預(yù)冷團(tuán)隊(duì)(簡稱北航團(tuán)隊(duì))的研究,對(duì)循環(huán)總體熱力、葉輪機(jī)、緊湊換熱器、控制策略、儲(chǔ)熱等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1 SCO2 閉式布萊頓循環(huán)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 循環(huán)原理及優(yōu)勢

較傳統(tǒng)蒸汽/燃?xì)庋h(huán)而言,SCO2閉式布萊頓循環(huán)具備高熱效率和高緊湊性2 個(gè)突出的性能優(yōu)勢,這主要得益于工質(zhì)的特殊物性。 當(dāng)處于超臨界狀態(tài)時(shí)(臨界溫度304 K,臨界壓力7.38 MPa),二氧化碳兼具氣體的低黏性、強(qiáng)流動(dòng)性、易壓縮/膨脹的性質(zhì),以及液體的高密度、高傳熱效率、強(qiáng)做功能力。 更重要的是,其在臨界點(diǎn)附近物性變化非常劇烈(見圖1),對(duì)位于近臨界點(diǎn)的壓縮過程而言,較小的壓縮功耗便足以帶來工質(zhì)物性的顯著變化[15];此外,二氧化碳在近臨界點(diǎn)區(qū)域偏離理想氣體的程度很大(壓縮因子0.2 ～0.5),低可壓縮性使得其壓縮過程非常類似于液體壓縮過程,相應(yīng)的壓縮功耗也較低[16]。 SCO2閉式布萊頓循環(huán)的工作原理正是將壓縮過程起點(diǎn)置于臨界點(diǎn)附近,通過降低壓氣機(jī)功耗進(jìn)而有效提升循環(huán)熱效率。

圖1 SCO2 在臨界點(diǎn)附近的劇烈物性變化Fig.1 Dramatic variation of properties of SCO2 near critical point

研究表明,在最高循環(huán)溫度tmax為500 ～800℃時(shí),間接式SCO2閉式布萊頓循環(huán)熱效率可達(dá)40% ～55%,且可在更低溫度下(300 ～500℃)保持20%以上;當(dāng)tmax超過1 000℃,直接式SCO2閉式布萊頓循環(huán)的熱效率可達(dá)到60% ～65%,遠(yuǎn)高于燃?xì)庋h(huán),更高溫度下甚至優(yōu)于蒸汽-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)[16],如圖2(a)所示。 另外,SCO2的密度非常大(接近空氣密度的200 倍),使得SCO2閉式布萊頓循環(huán)中的葉輪機(jī)、換熱器、管路附件等部件的尺寸較小;同時(shí),葉輪機(jī)級(jí)數(shù)也較少(10 MW級(jí)系統(tǒng)僅需采用單級(jí)徑流式葉輪機(jī)設(shè)計(jì)),相應(yīng)地,系統(tǒng)緊湊性大幅提升,如圖2(b)所示。 相同功率量級(jí)下,SCO2閉式布萊頓循環(huán)中葉輪機(jī)部件的體積可降至0.1% ～5%;10 MW 級(jí)循環(huán)中葉輪機(jī)部件的直徑僅接近0.15 m,而300 MW 級(jí)循環(huán)中葉輪機(jī)部件的直徑也僅1.2 m 左右[17]。 以蒸汽循環(huán)和SCO2閉式布萊頓循環(huán)對(duì)比為例,在480℃熱源溫度下,蒸汽循環(huán)的熱效率接近40%,而SCO2閉式布萊頓循環(huán)的熱效率則可達(dá)42%,同時(shí)系統(tǒng)總體積不到蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的50%[18]。此外,SCO2工質(zhì)本身也具備以下天然優(yōu)勢[19]:①安全性高。 熱物性穩(wěn)定,無毒且不可燃。 ②環(huán)境友好。 對(duì)臭氧層無破壞,溫室效應(yīng)低。 ③經(jīng)濟(jì)性高。 自然界中的二氧化碳資源充足,且SCO2制備工藝成熟。

圖2 SCO2 閉式布萊頓循環(huán)的性能優(yōu)勢Fig.2 Performance advantages of closed SCO2 Brayton cycle

由于上述諸多優(yōu)勢,SCO2閉式布萊頓循環(huán)被視作當(dāng)前蒸汽/燃?xì)庋h(huán)的有力潛在替代者,在核能發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電、燃煤發(fā)電、燃料電池發(fā)電、余熱利用、艦船動(dòng)力系統(tǒng)甚至高超聲速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域均具備廣闊的應(yīng)用前景,如圖3所示。 在新一代核電領(lǐng)域,SCO2閉式布萊頓循環(huán)有望在當(dāng)前鈉冷反應(yīng)堆出口溫度(510 ～525℃)下達(dá)到43%的熱效率,在未來第四代反應(yīng)堆更高出口溫度下熱效率甚至有望突破50%[20]。 在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域,協(xié)同熔鹽儲(chǔ)熱和高效風(fēng)冷的SCO2閉式布萊頓循環(huán)被視為未來大幅降低光熱發(fā)電度電成本的首選技術(shù)途徑,主要原因在于[21-22]:①相同材料下,工質(zhì)低腐蝕性允許更高的循環(huán)溫度;②熱效率更高(在600 ～700℃甚至更高溫度下,熱效率可達(dá)到甚至超過50%),系統(tǒng)體積更小,質(zhì)量更輕,可大幅降低制造、安裝和維護(hù)成本(包括定日鏡場-集熱-儲(chǔ)熱系統(tǒng));③高溫風(fēng)冷下熱效率也相對(duì)更高,適用于干旱地區(qū)。 在低溫余熱利用領(lǐng)域,當(dāng)前有機(jī)朗肯循環(huán)存在易燃、有毒、化學(xué)穩(wěn)定性較差等諸多劣勢,而SCO2閉式布萊頓循環(huán)則更加安全可靠,并能在低溫?zé)嵩聪路€(wěn)定高效運(yùn)行。 在燃煤發(fā)電領(lǐng)域,目前基于蒸汽朗肯循環(huán)并采用MEA 燃燒后脫碳技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)在最大溫度700℃時(shí)的熱效率接近42.5%[23],而采用SCO2閉式布萊頓循環(huán)則有望將現(xiàn)有熱效率提高6. 2% ～7. 4%,同時(shí)獲得度電成本下降7.8% ～13.6% 的經(jīng)濟(jì)性能收益[24]。 在艦船/空天動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域,SCO2閉式布萊頓循環(huán)既能保證高熱效率,同時(shí)高緊湊性又能滿足在狹小受限空間中布置的要求,非常符合未來“綜合電站”和“能量綜合管理系統(tǒng)”對(duì)高效-緊湊-輕質(zhì)動(dòng)力系統(tǒng)的嚴(yán)苛需求[25-27]。 研究表明,基于SCO2閉式布萊頓循環(huán)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合循環(huán)可降低1. 9% 油耗[28],而采用SCO2閉式布萊頓循環(huán)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻燃油流量有望降低21.5% ～28.8%,同時(shí)壁面溫度可控制在995 K 安全溫度以內(nèi)[29]。 在燃料電池發(fā)電領(lǐng)域,采用SCO2閉式布萊頓循環(huán)不僅可帶來熱效率的提高和成本的降低,更能減少發(fā)電系統(tǒng)有害物質(zhì)的排放,同時(shí)幾乎對(duì)環(huán)境無污染[28-31]。

圖3 SCO2 閉式布萊頓循環(huán)潛在應(yīng)用領(lǐng)域Fig.3 Potential applications of closed SCO2 Brayton cycle

1.2 國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

國外起步較早,現(xiàn)已進(jìn)入試驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)集成和示范電站應(yīng)用階段。 美國能源部(DOE)早在2003 年便率先啟動(dòng)了第四代核電先進(jìn)動(dòng)力循環(huán)項(xiàng)目,其下屬桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)聯(lián)合麻省理工學(xué)院(MIT)等多家科研機(jī)構(gòu),建成了250 kW級(jí)再壓縮循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)(見圖4),完成了包括葉輪機(jī)特性試驗(yàn)、二氧化碳混合工質(zhì)試驗(yàn)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證[32-34]。 2011 年,DOE 又啟動(dòng)了Sunshot 計(jì)劃,旨在采用SCO2閉式布萊頓循環(huán)將太陽能光熱發(fā)電成本降至6 美分/(kW·h),該項(xiàng)目在10 MW 級(jí)軸流渦輪、50 MW 渦輪和450 MW壓氣機(jī)、微通道換熱器等方面取得眾多研究成果[35-37]。 2012 年,DOE 啟動(dòng)在燃煤發(fā)電領(lǐng)域的研究項(xiàng)目,旨在以SCO2閉式布萊頓循環(huán)替代蒸汽朗肯循環(huán)和燃?xì)獠既R頓-朗肯聯(lián)合循環(huán),研發(fā)葉輪機(jī)、回?zé)崞?、燃燒器及關(guān)鍵材料,并將技術(shù)成熟度提升至7 級(jí)。 之后,DOE 又相繼啟動(dòng)了STEP 計(jì)劃和APOLLO 計(jì)劃,設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行10 MW 級(jí)示范電站,實(shí)現(xiàn)700℃渦輪入口溫度,并驗(yàn)證50%以上的循環(huán)熱效率。 目前,美國西南研究院(SwRI)已在720℃、27.5 MPa 全溫全壓下完成了10 MW 循環(huán)渦輪全尺寸性能試驗(yàn)和耐久性測試。 此外,美國海軍核實(shí)驗(yàn)室也針對(duì)艦船推進(jìn)系統(tǒng)推出海軍堆項(xiàng)目,聯(lián)合SNL、NASA、MIT 等機(jī)構(gòu)開展包括循環(huán)及部件設(shè)計(jì)、流動(dòng)與傳熱試驗(yàn)和材料相容性試驗(yàn)等研究,搭建了100 kW 級(jí)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),并完成了葉輪機(jī)低轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn),以及啟動(dòng)過程、加熱、停機(jī)等過程動(dòng)態(tài)性能研究[38-41]。 美國Echogen 公司則針對(duì)商用余熱利用研發(fā)了2 款型號(hào)產(chǎn)品:EPS100(8 MW) 和 EPS5 (300 kW)。 其 中,EPS100 主要用于500 ～550℃、65 ～70 kg/s 流量的氣體燃燒摻入(如燃機(jī)排氣)的余熱回收,其已完成調(diào)試的最大功率達(dá)到3.1 MW[42]。

圖4 SNL SCO2 閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)[34]Fig.4 Experimental platform of closed SCO2 Brayton cycle at SNL[34]

韓國和日本也在SCO2閉式布萊頓循環(huán)領(lǐng)域開展了大量研究。 韓國原子能研究院(KAERI)早在2009 年便探究了SCO2閉式布萊頓循環(huán)在第四代核能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景,系統(tǒng)開展了循環(huán)設(shè)計(jì)與熱力分析、葉輪機(jī)和緊湊換熱器設(shè)計(jì)和性能分析、變工況性能分析,以及動(dòng)態(tài)特性分析及控制策略等研究[43]。 此后,KAERI 聯(lián)合韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)規(guī)劃并設(shè)計(jì)了兼具部件和循環(huán)試驗(yàn)?zāi)芰Φ钠脚_(tái),計(jì)劃分4 個(gè)階段逐步完成再壓縮循環(huán)的原理驗(yàn)證[44]。 第1 階段完成了高速壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析[45];第2 階段搭建了100 kW 級(jí)試驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了電功率輸出并獲得了壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速性能曲線[46]。 韓國能源研究所(KIER)也搭建了不同功率量級(jí)的循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),正在開展相關(guān)試驗(yàn)研究[47-48]。 此外,日本東京工業(yè)大學(xué)(TIT)針對(duì)中低溫工業(yè)余熱利用設(shè)計(jì)了2.3 MWe級(jí)循環(huán)和10 kW 級(jí)的縮尺試驗(yàn)臺(tái),并計(jì)劃開展壓氣機(jī)壓縮功耗下降驗(yàn)證和換熱器性能測試等工作[49]。

此外,在Horizon 2020 計(jì)劃的支持下,歐盟也在積極推進(jìn)SCO2閉式布萊頓循環(huán)技術(shù)的理論與應(yīng)用研究,并啟動(dòng)了2 個(gè)特別研究計(jì)劃:sCO2-Flex和sCO2-HeRo 計(jì)劃,旨在開發(fā)并驗(yàn)證用以燃煤發(fā)電和核燃料余熱利用的系統(tǒng)。 目前,包括英國、德國、捷克等國多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與該計(jì)劃,并在SCO2高效換熱機(jī)理、SCO2壓氣機(jī)、50 kW 級(jí)循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證等方面取得一定成果[50-52]。

國內(nèi)雖在SCO2閉式布萊頓循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域起步較晚,但已在各關(guān)鍵技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證和示范機(jī)組建設(shè)等方面取得顯著成果。 北京航空航天大學(xué)針對(duì)工業(yè)余熱利用完成3 MW 級(jí)循環(huán)和葉輪機(jī)、緊湊換熱器等部件設(shè)計(jì);中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院初步建立了用于研究循環(huán)流阻、換熱和流動(dòng)不穩(wěn)定性等問題的試驗(yàn)平臺(tái)[53];西安熱工研究院完成了5 MW 級(jí)循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)建設(shè)及試驗(yàn)機(jī)組72 h 滿負(fù)荷試運(yùn)行[54];中國科學(xué)院工程熱物理研究所建成MW 級(jí)SCO2壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)并完成全載測試運(yùn)行,建成示范機(jī)組并實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)定運(yùn)行;首航高科能源技術(shù)股份有限公司正與法國企業(yè)合作,推進(jìn)利用SCO2閉式布萊頓循環(huán)改造敦煌10 MW 太陽能光熱發(fā)電站;中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所也在積極探索SCO2閉式布萊頓循環(huán)在艦船動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。

2 SCO2 閉式布萊頓循環(huán)構(gòu)型及總體技術(shù)

2.1 循環(huán)構(gòu)型

優(yōu)化循環(huán)組構(gòu)、構(gòu)建高性能循環(huán)構(gòu)型一直是SCO2閉式布萊頓循環(huán)的研究熱點(diǎn)之一。 出于不同的應(yīng)用場景和性能提升目的,研究人員發(fā)展了眾多循環(huán)構(gòu)型。 Crespi 等[6]對(duì)超過60 種循環(huán)構(gòu)型進(jìn)行了全面的總結(jié),并將其分為2 類:獨(dú)立循環(huán)(stand-alone cycle)和聯(lián)合循環(huán)(combined-cycle)。下面對(duì)幾種典型的獨(dú)立循環(huán)構(gòu)型進(jìn)行介紹,如圖5所示。

圖5 典型的SCO2 閉式布萊頓循環(huán)構(gòu)型及其演化關(guān)系Fig.5 Layouts and derivative relationships of typical closed SCO2 Brayton cycles

2.1.1 典型獨(dú)立循環(huán)構(gòu)型演化及性能對(duì)比

最基本的SCO2閉式布萊頓循環(huán)為簡單布萊頓循環(huán),其包含一個(gè)壓氣機(jī)、一個(gè)渦輪、一個(gè)冷卻器和一個(gè)熱源換熱器。 由于工質(zhì)經(jīng)渦輪膨脹直接進(jìn)入冷卻器放熱,其所攜帶的大量余熱被浪費(fèi),導(dǎo)致該循環(huán)熱效率較低。 為提高循環(huán)熱效率,引入回?zé)崞鱽砘厥諟u輪膨脹后的余熱以預(yù)熱壓氣機(jī)出口的低溫流體,達(dá)到降低循環(huán)吸熱量的目的,即為簡單回?zé)嵫h(huán)。 在簡單回?zé)嵫h(huán)基礎(chǔ)上,采用間冷或再熱等手段可進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率。 間冷循環(huán)中,放熱和壓縮過程分2 次進(jìn)行,如此通過降低再次壓縮過程的起始溫度可有效減少循環(huán)壓縮耗功;再熱循環(huán)中,吸熱和膨脹過程分2 次進(jìn)行,如此通過提高再次膨脹過程起始溫度可有效增加循環(huán)膨脹做功。

受工質(zhì)物性劇烈變化的影響,簡單回?zé)嵫h(huán)中回?zé)崞饕壮霈F(xiàn)溫差?yuàn)A點(diǎn)問題,導(dǎo)致其熱效率進(jìn)一步提升受限[14]。 為此,可將回?zé)崞鞑鸱譃楦邷鼗責(zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞?通過改變低溫回?zé)崞骼鋫?cè)(或熱側(cè))的流動(dòng)參數(shù)來控制其換熱特征,進(jìn)而規(guī)避溫差?yuàn)A點(diǎn)問題。 典型的采用高/低溫回?zé)崞鞑季值难h(huán)包括再壓縮循環(huán)和預(yù)壓縮循環(huán)。 預(yù)壓縮循環(huán)中,高溫回?zé)崞鳠醾?cè)出口的低壓流體經(jīng)過預(yù)先壓縮進(jìn)入低溫回?zé)崞?預(yù)壓縮的增溫升壓作用減小了低溫回?zé)崞骼錈醿蓚?cè)的熱容差異,進(jìn)而有效地增強(qiáng)其換熱能力。 再壓縮循環(huán)中,低溫回?zé)崞鳠醾?cè)出口的流體被分流成兩支路:一股流體經(jīng)過放熱-壓縮后回到低溫回?zé)崞骼鋫?cè),另一股流體進(jìn)入并行的壓氣機(jī),之后2 股流體匯合后進(jìn)入高溫回?zé)崞骼鋫?cè)。 對(duì)低溫回?zé)崞鞫?分流使得其冷側(cè)流量降低,不僅使得循環(huán)放熱量降低,同時(shí)通過減小冷熱兩側(cè)的熱容差異有效削弱了溫差?yuàn)A點(diǎn)問題。 在再壓縮循環(huán)的基礎(chǔ)上演化而來的局部冷卻循環(huán)則在分流前引入新的預(yù)冷-壓縮過程,降低放熱支路的溫度并提高其壓力,循環(huán)放熱量可進(jìn)一步降低,進(jìn)而帶來熱效率收益。 此外,局部冷卻循環(huán)比功率更高,同時(shí)其熱效率對(duì)最優(yōu)循環(huán)增壓比變化的敏感性更低。

為分析不同循環(huán)構(gòu)型性能優(yōu)劣,北航團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了SCO2閉式布萊頓循環(huán)模塊化建模/仿真程序,并對(duì)比了上述幾種獨(dú)立循環(huán)構(gòu)型的熱力性能[55],如圖6 所示。 圖中:循環(huán)增壓比為3.2,最低壓力為7.5 MPa,最高循環(huán)溫度為550℃。 可以看到,較簡單回?zé)嵫h(huán)而言,再壓縮、預(yù)壓縮和局部冷卻循環(huán)具有明顯的效率優(yōu)勢,其熱效率增幅可達(dá)5%以上;而傳統(tǒng)的再熱和間冷增效手段所帶來的循環(huán)熱效率增幅有限;在這3 種高效率循環(huán)構(gòu)型中,再壓縮循環(huán)和預(yù)壓縮循環(huán)的熱效率基本持平,而局部冷卻循環(huán)的熱效率相對(duì)更高。 此外,再壓縮循環(huán)具備高流量-低比功率的特點(diǎn),而局部冷卻循環(huán)則表現(xiàn)出低流量-高比功率的特點(diǎn)。

圖6 典型的SCO2 閉式布萊頓循環(huán)性能對(duì)比[55]Fig.6 Performance comparison of typical close SCO2 Brayton cycles[55]

2.1.2 多再壓縮循環(huán)

在再壓縮循環(huán)基礎(chǔ)上,北航團(tuán)隊(duì)提出了一種多再壓縮循環(huán)構(gòu)型,可進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率[55]。 如圖7 所示,該循環(huán)包含n個(gè)再壓縮單元(圖中綠色虛線所示),其按順序串行排列于高溫回?zé)崞骱椭鲏嚎s壓氣機(jī)之間,每個(gè)單元包含串行低溫回?zé)崞?、分流三通、并行再壓縮壓氣機(jī)和合流三通。 當(dāng)n=1 時(shí),該循環(huán)退化為再壓縮循環(huán);當(dāng)n=0 時(shí),則進(jìn)一步退化為簡單回?zé)嵫h(huán)。 多再壓縮循環(huán)熱效率的增加歸功于再壓縮單元中的分流作用(流向再壓縮壓氣機(jī)的分流比x),其分流特征以分流向量x=(x1,x2,…,xn)表征。 圖8 對(duì)比了不同再壓縮循環(huán)的熱效率。 從圖8(a)中可以看到,在簡單回路的基礎(chǔ)上引入一個(gè)再壓縮單元構(gòu)建再壓縮循環(huán),能夠大幅提高循環(huán)熱效率,最大熱效率增幅超過7. 5%。 同樣地,從圖8(b)和圖8(c)中可以看到,繼續(xù)引入再壓縮單元后,循環(huán)的熱效率可進(jìn)一步提高,其中雙再壓縮循環(huán)較單再壓縮循環(huán)的最大熱效率增幅約為1.5%。 然而,隨著再壓縮回路數(shù)的增加,循環(huán)熱效率提升幅度逐漸降低,同時(shí)分流向量可行域持續(xù)變小。 因此,雙再壓縮循環(huán)構(gòu)型是一種較優(yōu)的選擇,其在不大幅增加構(gòu)型復(fù)雜度的條件下可獲得明顯的熱效率收益,同時(shí)分流向量可行域較寬。

圖7 多再壓縮循環(huán)構(gòu)型[55]Fig.7 Layout of multi-recompression cycle[55]

圖8 不同再壓縮單元數(shù)時(shí)多再壓縮循環(huán)性能對(duì)比[55]Fig.8 Performance comparison of multi-recompression cycle with different recompression units[55]

2.2 循環(huán)建模及分析方法

循環(huán)建模在于構(gòu)建各部件的熱力模型方程組,而循環(huán)分析則通過求解部件熱力方程組以確定各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)和熱力-經(jīng)濟(jì)性能。 準(zhǔn)確地預(yù)測SCO2的物性(尤其是臨界點(diǎn)附近)是進(jìn)行循環(huán)熱力建模與分析的基礎(chǔ)。 目前,開源代碼NIST REFPROP[56]被廣泛采用,其提供了專門針對(duì)二氧化碳而建立的SW EOS 物性模型[57],具備非常高的物性預(yù)測精度,尤其是臨界點(diǎn)附近[58-59]。 下面對(duì)部件建模和循環(huán)性能分析方法進(jìn)行簡要總結(jié)。

2.2.1 “零維”建模方法

對(duì)葉輪機(jī)而言,在等熵壓縮/膨脹假設(shè)下,其出口參數(shù)按式(1)和式(2)確定,式中ηis為等熵效率。 Dyreby 等指出[60-61],等熵效率對(duì)葉輪機(jī)總壓比存在依賴性,因此多變效率ηpo更適合用于葉輪機(jī)建模。 此時(shí),將整個(gè)壓縮/膨脹過程分為n個(gè)子過程,每個(gè)子過程中的總壓比按式(3)求得,而

表1 循環(huán)部件“零維”熱力學(xué)模型Table 1 0D thermodynamic model for cycle components

其等熵效率則等于多變效率。

式中:p為壓力;π為葉輪機(jī)增壓比。

Dyreby 等[60-61]指出,給定效能進(jìn)行換熱器模擬有可能導(dǎo)致回?zé)崞髟诓煌O(shè)計(jì)工況下的導(dǎo)熱率相差顯著,進(jìn)而造成顯著的尺寸和成本差異;而導(dǎo)熱率直接關(guān)系到回?zé)崞鞯某叽绾统杀?其更適用于不同循環(huán)構(gòu)型的性能(尤其是經(jīng)濟(jì)性能)對(duì)比分析。 此時(shí),將換熱器沿管程離散為多個(gè)子換熱單元,認(rèn)為每個(gè)子單元內(nèi)的換熱量和壓力損失相等,通過迭代求解每個(gè)子單元內(nèi)的溫度和壓力,最終可得到換熱器沿程的所有參數(shù)分布,如此可更為準(zhǔn)確地考慮到二氧化碳物性變化的影響(尤其是低溫回?zé)崞鞔嬖趭A點(diǎn)問題時(shí))。

2.2.2 循環(huán)性能分析

能量分析以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ),立足于能量的數(shù)量,以熱效率ηcyc為指標(biāo),其定義為凈輸出功率占從熱源吸熱量的比例,即

式中:系統(tǒng)選址建造成本與研發(fā)成本正相關(guān),資金回收系數(shù)CRF 則與回報(bào)率ir和系統(tǒng)生命周期l有關(guān)。

一般地,回報(bào)率ir可取12%,而生命周期l可取20 年[65-66]。 部件研發(fā)成本直接決定于各部件的熱力學(xué)性能參數(shù),具體如表2 所示。

表2 循環(huán)部件經(jīng)濟(jì)性模型Table 2 Economic model for cycle components

2.3 循環(huán)總體熱力設(shè)計(jì)方法

目前,大多數(shù)循環(huán)總體熱力設(shè)計(jì)均基于“零維”部件模型的“零維”設(shè)計(jì)方法,該方法可結(jié)合優(yōu)化算法快速實(shí)現(xiàn)初步熱力方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 此外,為考慮循環(huán)與部件的耦合效應(yīng),部分研究將部件低維設(shè)計(jì)集成至循環(huán)總體設(shè)計(jì)中,發(fā)展了循環(huán)總體“一維”耦合設(shè)計(jì)方法。 下面對(duì)這2 種方法進(jìn)行簡要總結(jié)。

2.3.1 循環(huán)總體“零維”設(shè)計(jì)/優(yōu)化

一般而言,循環(huán)總體熱力設(shè)計(jì)是復(fù)雜的多參數(shù)優(yōu)化問題,確定較優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合是總體設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。 由于“零維”方法簡單高效、魯棒性強(qiáng),借助其可快速進(jìn)行參數(shù)影響規(guī)律分析和大量方案對(duì)比,進(jìn)而總結(jié)參數(shù)選取準(zhǔn)則并確定較優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。 基于“零維”方法,Sarkar 和Bhattacharyya[62]對(duì)再壓縮再熱循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),指出再熱可帶來3. 5% 的熱效率增益;Cheng等[70]對(duì)再壓縮循環(huán)進(jìn)行了全局優(yōu)化,基于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;Akbari 和Mahmoudi[71]對(duì)再壓縮-有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了熱力-經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。 此外,“零維”方法的簡單和高魯棒性特點(diǎn)也可與優(yōu)化方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)循環(huán)總體方案快速優(yōu)化設(shè)計(jì)[72]。

北航團(tuán)隊(duì)提出了一種基于粒子群算法的再壓縮循環(huán)“零維”優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[73]。 該方法以循環(huán)熱效率為目標(biāo),以合流三通兩進(jìn)口溫差為限制條件,將再壓縮循環(huán)總體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問題:

式中:優(yōu)化參數(shù)向量a包括循環(huán)最低壓力pmin、增壓比πcyc和分流比x;g(a)為溫差不等式約束條件,其中Δtmax為合流三通兩進(jìn)口最大允許溫差。合流三通溫差限制的引入可有效考慮大溫差條件下三通熱條帶現(xiàn)象可能導(dǎo)致的熱疲勞失效,對(duì)部件壽命和循環(huán)運(yùn)行安全性十分必要。

圖9 給出了不同溫差限制條件下的再壓縮循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為粒子群算法尋優(yōu)得到的最大溫差限制Δtmax= 5℃和Δtmax=15℃時(shí)循環(huán)的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。 可以看到,A點(diǎn)和B點(diǎn)與合流三通進(jìn)口溫差等高線(黑色虛線)所反映出的Δtmax=5℃和Δtmax=15℃溫差限制下循環(huán)能達(dá)到的最高熱效率點(diǎn)十分吻合,說明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效地尋找到不同溫差限制下的循環(huán)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

圖9 再壓縮循環(huán)“零維”優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果[73]Fig.9 0D optimal design result of recompression cycle[73]

2.3.2 循環(huán)總體“一維”耦合設(shè)計(jì)SCO2閉式布萊頓循環(huán)總體與部件間存在強(qiáng)烈的耦合作用:一方面體現(xiàn)為循環(huán)性能高度依賴并直接決定于部件性能[5,70],另一方面部件性能又受循環(huán)參數(shù)(尤其是功率量級(jí)) 的顯著影響[74-75]。 在“零維”設(shè)計(jì)方法中,總體設(shè)計(jì)階段無法考慮此種耦合作用,為此發(fā)展出總體“一維”耦合設(shè)計(jì)方法,其核心思想是將部件初步設(shè)計(jì)(或“一維”模型)涵蓋至總體設(shè)計(jì)。 Dostal 等[14]將回?zé)崞鞒醪皆O(shè)計(jì)引入循環(huán)方案設(shè)計(jì)與分析中,通過換熱與壓降模型來評(píng)估回?zé)崞餍阅?類似的回?zé)崞鞒醪皆O(shè)計(jì)方法也被用于再壓縮循環(huán)設(shè)計(jì)和溫度夾點(diǎn)的影響研究[76-77];Saeed 等[78-79]則將渦輪初始設(shè)計(jì)集成進(jìn)循環(huán)設(shè)計(jì)中,并指出采用“零維”渦輪模型與“一維”渦輪設(shè)計(jì)模型所預(yù)測的最大循環(huán)熱效率偏差高達(dá)4.14%。

北航團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種適用于工程應(yīng)用的SCO2閉式布萊頓循環(huán)“一維”設(shè)計(jì)方法[80]。 該方法將葉輪機(jī)和換熱器部件初步設(shè)計(jì)耦合至總體設(shè)計(jì),一方面可在總體設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確定量評(píng)估部件性能,另一方面又能反饋部件的尺寸和內(nèi)部參數(shù)分布等重要信息。 以圖10 所示的再壓縮循環(huán)為例,壓氣機(jī)和渦輪部件采用徑流式構(gòu)型,初步設(shè)計(jì)時(shí)采用損失模型預(yù)測其熱效率;回?zé)崞鞑捎媚媪魇街蓖ǖ烙∷㈦娐钒迨綋Q熱器,基于離散換熱微元法利用換熱和壓降模型求得沿程參數(shù)分布。 利用該“一維”耦合設(shè)計(jì)方法分別對(duì)500 kW(CYCA)和5 MW(CYC-B)再壓縮循環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì),結(jié)果如表3 所示。 可以看到,循環(huán)流量的增加使得大功率循環(huán)CYC-B 中葉輪機(jī)部件效率均得到不同幅度的提高,并最終使得循環(huán)熱效率提高1.0%。 這表明該“一維”方法能有效考慮循環(huán)總體與部件間的強(qiáng)耦合作用。

表3 再壓縮循環(huán)“一維”耦合設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 1D coupled design results of recompression cycle

圖10 再壓縮循環(huán)“一維”耦合設(shè)計(jì)方法Fig.10 1D coupled design method of recompression cycle

2.4 循環(huán)非設(shè)計(jì)狀態(tài)仿真方法

SCO2閉式布萊頓循環(huán)非設(shè)計(jì)狀態(tài)性能仿真依賴于對(duì)部件非設(shè)計(jì)性能的預(yù)測。 對(duì)葉輪機(jī)部件而言,一般基于特性曲線圖預(yù)測其非設(shè)計(jì)狀態(tài)性能。 一種簡單的做法是通過特性曲線擬合出性能與特征參數(shù)的準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[60,81],但其準(zhǔn)確度和普適性非常低;另一種通用做法是通過折合特性圖換算得到葉輪機(jī)的非設(shè)計(jì)性能,然而目前多數(shù)研究均采用傳統(tǒng)空氣葉輪機(jī)的折合準(zhǔn)則[82],其并不能有效考慮到SCO2工質(zhì)的強(qiáng)真實(shí)氣體效應(yīng)的影響。 研究表明,SCO2的強(qiáng)真實(shí)氣體效應(yīng)會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的非設(shè)計(jì)狀態(tài)性能產(chǎn)生顯著的影響[83]。Carstens[84]認(rèn)為該影響主要反映在密度的不同上,通過引入密度修正來計(jì)算葉輪機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的物理流量和增壓比,然而僅考慮密度這一單一因素并不夠。

為此,北航團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種能夠較為全面地考慮工質(zhì)真實(shí)氣體影響的葉輪機(jī)非設(shè)計(jì)性能預(yù)測方法[55]。 該方法首先引入壓縮因子Zt和等熵指數(shù)ns建立起如下氣體工質(zhì)葉輪機(jī)通用折合準(zhǔn)則:

式中:?mcor為折合流量;Ncor為折合轉(zhuǎn)速;tt和pt分別為進(jìn)口總溫和總壓;N為物理轉(zhuǎn)速。

壓縮因子Zt和等熵指數(shù)ns為表征真實(shí)氣體效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù),如圖11 所示。 對(duì)理想氣體而言,壓縮因子Zt=1,等熵指數(shù)ns=γ(γ為比熱比,常數(shù)),式(14)退化為傳統(tǒng)空氣工質(zhì)葉輪機(jī)折合準(zhǔn)則:

圖11 SCO2 工質(zhì)真實(shí)氣體效應(yīng)表征參數(shù)Fig.11 Parameters for real gas effect of SCO2

基于上述折合準(zhǔn)則,采用特性圖插值的方法便可快速計(jì)算出SCO2葉輪機(jī)非設(shè)計(jì)性能,具體如下:

1) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)或仿真結(jié)果繪制特性曲線圖,根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總參數(shù)采用折合準(zhǔn)則繪制折合特性圖。

2) 按照非設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)口總溫/總壓和物理轉(zhuǎn)速計(jì)算此狀態(tài)的折合轉(zhuǎn)速,在折合特性圖上插值得到非設(shè)計(jì)狀態(tài)的折合流量、增壓比和效率。

3) 根據(jù)折合流量反算出非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的物理流量。

對(duì)換熱器而言,若其設(shè)計(jì)方案(即形式和幾何尺寸)已知,可利用正問題方法計(jì)算其非設(shè)計(jì)狀態(tài)性能。 若在總體分析階段僅知道其設(shè)計(jì)狀態(tài)性能而未知其形式和幾何尺寸,則可采用基于性能縮放的方法[85]進(jìn)行換熱器非設(shè)計(jì)性能預(yù)測。非設(shè)計(jì)狀態(tài)下,換熱器冷/熱側(cè)局部換熱系數(shù)α與面積A之積根據(jù)設(shè)計(jì)值按式(16)進(jìn)行縮放:

類 似 地, 基 于 摩 擦 壓 力 損 失 Δp∝(Δl/dh)ρu2, 非設(shè)計(jì)狀態(tài)下?lián)Q熱器冷/熱側(cè)壓力損失可按式(18)進(jìn)行縮放:

式中:ρ為密度。

3 SCO2葉輪機(jī)技術(shù)

臨界點(diǎn)附近的低壓縮功耗是SCO2閉式布萊頓循環(huán)巨大性能優(yōu)勢的根本原因,這一優(yōu)勢的實(shí)現(xiàn)與SCO2葉輪機(jī)密不可分。 SCO2工質(zhì)的物性迥異于常規(guī)工質(zhì),特別是其在臨界點(diǎn)附近所表現(xiàn)出的強(qiáng)真實(shí)氣體效應(yīng),使得葉輪機(jī)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一些特殊的流動(dòng)特征,同時(shí)也給葉輪機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。 本節(jié)對(duì)SCO2葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、相似技術(shù)及現(xiàn)階段國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。

3.1 SCO2工質(zhì)物性對(duì)葉輪機(jī)的影響

如圖1 所示,臨界點(diǎn)附近二氧化碳定壓比熱陡然增大,而壓縮因子Zt急劇減小,這意味著壓氣機(jī)能以更低的溫升獲得更高的壓比。 同時(shí),二氧化碳的比熱和焓同時(shí)受溫度和壓力的影響,壓縮因子亦如此,且其值遠(yuǎn)小于1,這意味著常規(guī)設(shè)計(jì)方法中所采用的理想氣體假設(shè)與定比熱假設(shè)均不再適用,在進(jìn)行葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需另行考慮。此外,二氧化碳的黏性低,使得葉輪機(jī)具有極高的雷諾數(shù)(可達(dá)107),對(duì)于工作在臨界點(diǎn)附近的壓氣機(jī)其雷諾數(shù)甚至可以達(dá)到108。 更高的雷諾數(shù)意味著更小的摩擦損失,對(duì)于粗糙度低的葉輪機(jī)而言這一優(yōu)勢是較為明顯的。

對(duì)于工作在臨界點(diǎn)附近的壓氣機(jī)而言,還存在一個(gè)特殊的流動(dòng)現(xiàn)象——進(jìn)口冷凝相變,如圖12所示。 受葉片前緣曲率的影響,SCO2工質(zhì)在壓氣機(jī)進(jìn)口葉尖吸力面區(qū)域存在局部加速,加速導(dǎo)致其靜溫靜壓降低,并極可能降至飽和線以下而落入兩相區(qū)。 部分試驗(yàn)表明,壓氣機(jī)進(jìn)口流動(dòng)大面積進(jìn)入冷凝區(qū)會(huì)降低其效率[86-87],也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷凝對(duì)壓氣機(jī)效率沒有影響[88],關(guān)于冷凝對(duì)壓氣機(jī)性能的影響還有待展開更加深入和廣泛的試驗(yàn)研究。 至于冷凝對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性的影響,就現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果來看,進(jìn)口工作在亞臨界區(qū)的壓縮基本都能穩(wěn)定運(yùn)行,未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)[88-89]。

圖12 SCO2 壓氣機(jī)進(jìn)口局部冷凝相變Fig.12 Local condensation phrase change at SCO2 compressor inlet

值得說明的是,工質(zhì)物性的影響不僅局限于氣動(dòng)方面,SCO2的高壓、高密度工作環(huán)境還對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐方案、封嚴(yán)方式等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn),其特殊的化學(xué)性質(zhì)也對(duì)加工制造的選材提出了一些要求,這些都需要在具體應(yīng)用中進(jìn)行相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的積累。

3.2 SCO2葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

SCO2葉輪機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要結(jié)合設(shè)計(jì)手段與分析手段進(jìn)行反復(fù)迭代調(diào)試優(yōu)化,其基本步驟如圖13 所示。 首先,在一維層面借助各種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇,并利用一維性能預(yù)測方法進(jìn)行性能評(píng)估,據(jù)此進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,以確定一組最優(yōu)的速度三角形,為后續(xù)設(shè)計(jì)提供一個(gè)良好的起點(diǎn);然后,在一維幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)節(jié)補(bǔ)充,借助準(zhǔn)三維分析工具進(jìn)行三維幾何的優(yōu)化選取;最后,使用三維數(shù)值模擬手段進(jìn)行更精細(xì)的性能分析和細(xì)節(jié)調(diào)整。

圖13 SCO2 葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程Fig.13 Aerodynamic design process of SCO2 turbomachinery

3.2.1 一維性能預(yù)測方法

在SCO2葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程中,一維層面的速度三角形設(shè)計(jì)直接決定著設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣,而速度三角形的優(yōu)化則依賴于一維性能預(yù)測方法。 為此,發(fā)展有效可靠的一維性能預(yù)測方法(關(guān)鍵是低維流動(dòng)損失模型)是SCO2葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

北航團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)SCO2徑流式葉輪機(jī)建立了低維損失模型,并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一維性能預(yù)測方法。 對(duì)離心壓氣機(jī)而言,所發(fā)展的混合模型[90]結(jié)合了傳統(tǒng)一區(qū)模型[91-92]和二區(qū)模型[93-94]的優(yōu)點(diǎn),其將壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)劃分為射流區(qū)和尾跡區(qū),對(duì)于射流區(qū)采用一區(qū)模型的分析思路和部分損失模型經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;對(duì)尾跡區(qū)則引入2 個(gè)狀態(tài)參數(shù)以間接地考慮損失機(jī)制尚未明確的端壁損失的影響。 該混合模型對(duì)射流區(qū)和尾跡區(qū)的損失預(yù)測均基于明確的物理意義,因此具有更高的普適性。 對(duì)向心渦輪而言,所發(fā)展的一區(qū)損失模型[95]建立于對(duì)現(xiàn)有不同損失經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式組合的對(duì)比評(píng)估,涵蓋攻角損失、轉(zhuǎn)子通道損失、葉尖泄漏損失、尾緣損失、鼓風(fēng)損失等損失項(xiàng)。 表4 總結(jié)了離心壓氣機(jī)和向心渦輪低維損失模型的基本方程,圖14 給出了某離心壓氣機(jī)和某向心渦輪的一維特性預(yù)測曲線,分別與實(shí)驗(yàn)值和三維CFD 值進(jìn)行了對(duì)比。 可以看到,所發(fā)展的一維性能預(yù)測方法能較為準(zhǔn)確地預(yù)測SCO2徑流式葉輪機(jī)性能。

圖14 SCO2 葉輪機(jī)一維性能預(yù)測方法校驗(yàn)Fig.14 Validation of 1D performance prediction method for SCO2 turbomachinery

表4 SCO2 葉輪機(jī)一維性能預(yù)測模型基本方程Table 4 Basic equations for 1D performance prediction of SCO2 turbomachinery

3.2.2 三維幾何設(shè)計(jì)影響

三維幾何設(shè)計(jì)通過幾何細(xì)節(jié)優(yōu)化,合理地組織葉輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng),達(dá)到控制流動(dòng)損失的目的。北航團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了SCO2徑流式葉輪機(jī)關(guān)鍵三維幾何設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律,給出了關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取準(zhǔn)則。

對(duì)離心壓氣機(jī)而言,葉輪分流葉片位置、后彎角、葉尖間隙高度等參數(shù)對(duì)其性能影響最為顯著[96]。 研究表明,通過合理調(diào)整分流葉片流向的起始位置,可有效改善分流葉片表面前緣附近負(fù)荷分布,獲得葉輪效率的提升,如圖15 所示;后彎角的增大會(huì)導(dǎo)致葉輪增壓比的明顯降低,但其可改善尾緣附近的負(fù)荷;由于SCO2離心壓氣機(jī)葉輪出口葉高較小,葉尖間隙高度的影響尤為顯著,當(dāng)出口葉尖間隙從8.3%增大至12.9% 時(shí),葉尖泄漏流量的增加導(dǎo)致間隙泄漏損失增大,尾跡區(qū)明顯增大,轉(zhuǎn)輪效率降低約0.7%;同時(shí)尾緣附近負(fù)荷明顯降低,葉輪增壓比也有所減小,如圖16 所示。 在靜子部件方面,采用葉片擴(kuò)壓器可有效降低進(jìn)入蝸殼的流體速度進(jìn)而減小蝸殼損失,此外,通過合理地選擇蝸殼截面形式、調(diào)整蝸殼進(jìn)口擴(kuò)張角及其流通面積與擴(kuò)壓器的匹配可有效降低蝸殼內(nèi)部流動(dòng)損失。

圖15 離心壓氣機(jī)分流葉片流向起始位置的影響Fig.15 Effect of streamwise location of centrifugal compressor splitter leading edge

圖16 離心壓氣機(jī)葉輪出口葉尖間隙的影響Fig.16 Effect of tip clearance at centrifugal compressor runner outlet

對(duì)向心渦輪而言,研究發(fā)現(xiàn)[95],葉輪子午流道形式(尤其是曲率)對(duì)其性能影響顯著,合理的流道曲率和流向面積變化可獲得較高的轉(zhuǎn)輪效率,如分別采用最大圓弧和多項(xiàng)式構(gòu)造輪轂和機(jī)匣型線并保證中間流向截面面積為進(jìn)出口面積的平均值;葉輪進(jìn)口余高可有效抑制泄漏流動(dòng),降低泄漏流量和損失,增加15% 的余高可提高近0.2%的轉(zhuǎn)輪效率(見圖17);存在最佳轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)使得渦輪效率較優(yōu),較小的進(jìn)口絕對(duì)氣流角對(duì)應(yīng)較大的最佳葉片數(shù)(見圖18)。 對(duì)靜子部件而言,采用導(dǎo)向器可改善轉(zhuǎn)輪進(jìn)口氣流條件,選擇合適的導(dǎo)向器進(jìn)口氣流能有效降低靜子部件損失,然而導(dǎo)向器的引入可能會(huì)限制渦輪在高膨脹比下的流量;導(dǎo)向器和蝸殼間無葉段長度會(huì)同時(shí)影響轉(zhuǎn)輪進(jìn)口參數(shù)展向分布的不均勻性和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)速度,其長度的選擇需綜合考慮轉(zhuǎn)輪效率和靜子部件的損失。

圖17 向心渦輪轉(zhuǎn)輪余高的影響Fig.17 Effect of extra height of radial turbine runner

圖18 向心渦輪轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的影響Fig.18 Effect of blade number of radial turbine runner

此外,清華大學(xué)張揚(yáng)軍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)SCO2軸流渦輪葉片高度尺寸小、泄漏流動(dòng)強(qiáng)的特征,基于旋渦流動(dòng)控制方法提出了一種復(fù)合彎掠前加載葉片構(gòu)型,可有效減小動(dòng)葉泄漏流動(dòng)損失,提高小流量SCO2渦輪的氣動(dòng)效率,并得到試驗(yàn)的成功驗(yàn)證,如圖19 所示[97]。

圖19 基于復(fù)合彎掠前加載葉片的SCO2 渦輪性能改進(jìn)[97]Fig.19 Performance improvement of SCO2 turbine based on composite curved and swept front-loading blade[97]

3.3 SCO2葉輪機(jī)性能相似試驗(yàn)技術(shù)

開展真實(shí)工質(zhì)下試驗(yàn)測量是獲取SCO2葉輪機(jī)性能的最可靠方法,然而其卻對(duì)試驗(yàn)條件與能力要求非常苛刻。 ①高壓工作環(huán)境構(gòu)建與長時(shí)運(yùn)行依賴于閉式循環(huán)系統(tǒng),這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)成本高昂、系統(tǒng)啟動(dòng)復(fù)雜和高壓氣體密封困難等問題;②保證壓氣機(jī)來流溫度/壓力穩(wěn)定于臨界點(diǎn)附近要求試驗(yàn)系統(tǒng)具備極高的控制精度。 為此,如何規(guī)避上述問題對(duì)SCO2葉輪機(jī)性能試驗(yàn)尤為重要。 一種簡單高效的思路是:基于不同工質(zhì)葉輪機(jī)相似變換思想[98-99],通過相似方法建立常規(guī)空氣葉輪機(jī)與SCO2葉輪機(jī)間的特性變換準(zhǔn)則,如此便可先基于開式循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)得到空氣葉輪機(jī)特性,而后間接變換得到SCO2葉輪機(jī)的特性。

北航團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種空氣葉輪機(jī)與SCO2葉輪機(jī)間的多變相似變換方法[100](Poly 方法),該方法基于PI 定理得到真實(shí)氣體工質(zhì)葉輪機(jī)的流量相似參數(shù)Π ?m和轉(zhuǎn)速相似參數(shù)ΠU,基于真實(shí)氣體壓縮過程的多變分析推導(dǎo)得到性能轉(zhuǎn)換參數(shù)ΠΔH和Πη,如表5 所示。 值得說明的是,理論推導(dǎo)證明等熵效率ηis不再適合作為真實(shí)氣體工質(zhì)葉輪機(jī)與空氣葉輪機(jī)之間的相似參數(shù),而多變效率ηpo由于不受增壓比、焓增及物性的影響,更適合作為一種通用的相似參數(shù)。

表5 真實(shí)氣體工質(zhì)葉輪機(jī)特性相似參數(shù)Table 5 Similarity parameters for real gas turbomachinery

由于SCO2渦輪工作于遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)工況,上述理論推導(dǎo)結(jié)果可直接使用。 然而,對(duì)SCO2壓氣機(jī)而言,工質(zhì)近臨界點(diǎn)劇烈的物性變化導(dǎo)致上述由理論推導(dǎo)得到的相似參數(shù)無法保證SCO2壓氣機(jī)與空氣壓氣機(jī)間完全相似,且越靠近臨界點(diǎn)不完全相似程度越大。 為此,引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)建立不完全相似度與真實(shí)氣體效應(yīng)間的聯(lián)系,用以對(duì)相似變換結(jié)果進(jìn)行修正。 具體思路為:首先引入2 個(gè)修正系數(shù)用以對(duì)相似轉(zhuǎn)換得到的性能參數(shù)進(jìn)行修正,通過理論分析得到2 個(gè)修正系數(shù)的影響參數(shù);然后借助一維性能預(yù)測方法得到一系列相似的SCO2壓氣機(jī)和空氣壓氣機(jī)的數(shù)據(jù)庫,搭建DNN(見圖20)進(jìn)行訓(xùn)練;最后得到一種采用DNN 改進(jìn)后的相似方法(Poly +DNN)。以一臺(tái)工作于臨界點(diǎn)附近的SCO2壓氣機(jī)為例對(duì)該方法進(jìn)行校驗(yàn),結(jié)果如圖21 所示。 圖中:圓點(diǎn)表示通過數(shù)值模擬直接得到的SCO2壓氣機(jī)特性點(diǎn),虛線表示由數(shù)值模擬得到的空氣壓氣機(jī)特性通過Poly 方法相似變換間接得到的SCO2壓氣機(jī)特性,實(shí)線則表示結(jié)合深度學(xué)習(xí)進(jìn)行相似變換(Poly +DNN)得到的結(jié)果。 可以看出,利用該方法由空氣壓氣機(jī)特性通過相似變換間接得到的特性曲線與SCO2壓氣機(jī)實(shí)際特性曲線之間的誤差基本不超過2%,滿足工程研制需求。

3.4 SCO2葉輪機(jī)試驗(yàn)研究

在SCO2葉輪機(jī)的試驗(yàn)研究方面,國外開展了相對(duì)深入和全面的工作。 早在2010 年SNL 就建成了250 kW 級(jí)再壓縮循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),完成了壓氣機(jī)/渦輪原理驗(yàn)證和特性測試等一系列試驗(yàn)[101-102],如圖22 所示。 由于主壓縮壓氣機(jī)工作在臨界點(diǎn)附近,試驗(yàn)主要關(guān)注主壓縮壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定性。 試驗(yàn)中測試的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到64 000 r/min,為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的85. 33%,壓氣機(jī)效率基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)估效率。

圖22 SNL 離心壓氣機(jī)和向心渦輪[101-102]Fig.22 Centrifugal compressor and radial turbine at SNL[101-102]

KAERI 以一臺(tái)增壓泵為研究對(duì)象,在其搭建的循環(huán)-部件綜合試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)進(jìn)口液相來流下的泵性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試,并對(duì)SCO2增壓泵數(shù)值模擬問題進(jìn)行了探討[45],如圖23 所示。 此后,其與KAIST、浦項(xiàng)科技大學(xué)共同設(shè)計(jì)并搭建了100 kW級(jí)SCO2閉式布萊頓循環(huán)綜合試驗(yàn)測試平臺(tái)(SCIEL),獲得了循環(huán)電功率輸出,同時(shí)完成了壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)測量[103]。 此外,日本TIT 針對(duì)高溫氣冷堆提出了一種SCO2部分預(yù)冷直接循環(huán)模式[104-105],開發(fā)了10 kW 實(shí)驗(yàn)室級(jí)發(fā)電循環(huán),并開展了葉輪機(jī)相關(guān)試驗(yàn)測量。

圖23 KAERI 壓氣機(jī)試驗(yàn)[103]Fig.23 Compressor experiment at KAERI[103]

國內(nèi)關(guān)于SCO2葉輪機(jī)部件試驗(yàn)研究相對(duì)較少,公開報(bào)道中,中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2018 年搭建了1 MW 級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)測試平臺(tái),目前完成了包括飽和態(tài)、臨界態(tài)、超臨界態(tài)等多進(jìn)口工況下的全載實(shí)驗(yàn)。

4 SCO2緊湊高效換熱器技術(shù)

換熱器是SCO2閉式布萊頓循環(huán)實(shí)現(xiàn)高熱效率、高緊湊度和高可靠性的核心部件。 一般地,SCO2閉式布萊頓循環(huán)包含熱源換熱器、冷卻器和回?zé)崞鳌?熱源換熱器是循環(huán)工作溫度最高的部件,其從高溫?zé)嵩次鼰釋⒐べ|(zhì)加熱至指定的渦輪入口溫度;冷卻器將工質(zhì)熱量傳遞給水或空氣等冷卻工質(zhì),實(shí)現(xiàn)指定的壓氣機(jī)入口溫度;回?zé)崞鞯睦錈醿蓚?cè)流體均為SCO2工質(zhì),通過熱量回收提升循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。 上述3 類換熱器應(yīng)具有超緊湊、高效能、低流阻及強(qiáng)換熱等特征,并能在高溫/超高壓( ＞500℃,20 MPa)等極端環(huán)境中長期服役[106]。 在眾多換熱器形式中,緊湊式換熱器(單位體積換熱面積大于700 m2/m3)以其比表面積大、換熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)完整性好等獨(dú)特優(yōu)勢,逐漸成為SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)中諸多換熱器的最佳選擇[107]。 圖24 給出了幾種具有較大應(yīng)用前景的緊湊式換熱器,包括印刷電路板式換熱器(PCHE)[108]、微細(xì)管式換熱器(MSTE)[109]、板翅式換熱器(PFHE)[110]和增材制造式換熱器(AMHX)[111]。 可以發(fā)現(xiàn),微小尺度換熱通道是上述幾類換熱器的基本特征,其不僅有利于滿足高溫/超高壓條件的工作要求,還能通過增加換熱面積、提升換熱系數(shù)的方式增強(qiáng)換熱性能,如圖24所示。

圖24 應(yīng)用于SCO2 閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的緊湊式換熱器Fig.24 Compact heat exchangers used for closed SCO2 Brayton cycles system

極端的工作環(huán)境和嚴(yán)苛的性能要求無疑對(duì)換熱器設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。SCO2工質(zhì)在換熱器內(nèi)存在的強(qiáng)物性變化特征會(huì)加劇浮升力和熱加速的影響,使得傳統(tǒng)的常物性換熱器設(shè)計(jì)方法(如對(duì)數(shù)溫差法和效能-換熱單元數(shù)法)和流動(dòng)換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式不再適用[112]。 超高的熱負(fù)荷需求也迫使研究人員不斷開發(fā)更加新穎高效的通道類型,但如何保證新型換熱器在極端條件下可靠工作是此類換熱器流道成型和焊接需要解決的首要問題[113]。 此外,高溫超高壓環(huán)境模擬也是SCO2換熱器試驗(yàn)面臨的技術(shù)難題,工質(zhì)密度和定壓比熱的劇烈變化同樣會(huì)對(duì)流量和溫度的精確控制產(chǎn)生影響。 因此,國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)SCO2換熱器內(nèi)部的流動(dòng)傳熱機(jī)理、設(shè)計(jì)及加工制造方法和試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)開展了大量研究。

4.1 SCO2流動(dòng)換熱機(jī)理

探究SCO2在微小尺度通道內(nèi)的流動(dòng)換熱機(jī)理可以深入理解強(qiáng)物性變化下的熱量輸運(yùn)機(jī)制,有利于構(gòu)建適用于超臨界流體傳熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,指導(dǎo)SCO2換熱器設(shè)計(jì)。

受熱物性參數(shù)劇烈變化的影響(見圖1),SCO2的流動(dòng)與換熱過程與常規(guī)工質(zhì)存在顯著區(qū)別,可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化換熱、惡化換熱或正常傳熱3 種結(jié)果[114]。 總體而言,SCO2流動(dòng)和換熱特性與熱流密度、質(zhì)量流速、系統(tǒng)壓力及流動(dòng)方向等邊界條件密切相關(guān)[115]。 高熱流密度結(jié)合低質(zhì)量流速易造成換熱惡化,而相反條件則會(huì)產(chǎn)生換熱強(qiáng)化現(xiàn)象;高壓下SCO2熱物性變化幅度較小,系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)離臨界壓力時(shí),換熱惡化/強(qiáng)化效果會(huì)得到抑制;流動(dòng)方向的影響則較為復(fù)雜,豎直向上流動(dòng)相較于豎直向下流動(dòng)更易產(chǎn)生換熱惡化現(xiàn)象,而水平流動(dòng)則會(huì)在流道截面方向產(chǎn)生非均勻傳熱,流道內(nèi)產(chǎn)生的“腎形渦”通常會(huì)強(qiáng)化通道底部的換熱能力[116-118]。

異常傳熱現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因在于強(qiáng)物性變化及其導(dǎo)致的特殊流動(dòng)結(jié)構(gòu)。 北航團(tuán)隊(duì)的研究表明[119],流體流動(dòng)換熱過程中,工質(zhì)的熱物性變化迅速,浮升力對(duì)流動(dòng)換熱的影響逐漸增大,導(dǎo)致流場在不同空間位置處呈現(xiàn)出非均勻分布,如圖25所示。 受浮升力作用,圓周方向上近壁面處的高溫低密度流體隨主流向下游運(yùn)動(dòng)的過程中,逐漸向圓管頂部聚集,低溫高密度流體則受重力的影響向底部壁面處聚集,導(dǎo)致局部換熱出現(xiàn)差異。近壁面處湍動(dòng)能與湍流換熱也隨之發(fā)生改變,增強(qiáng)了換熱特性的復(fù)雜性。 同時(shí),上述過程的發(fā)生將伴隨近壁面處湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變,在不同空間位置處的湍流猝發(fā)行為出現(xiàn)差異。 如圖26 所示,在浮升力影響顯著的水平管流中,發(fā)現(xiàn)在底部壁面處低速上拋和高速下掃現(xiàn)象得到強(qiáng)化,尤其是低速上拋現(xiàn)象。 然而,在頂部壁面處相同現(xiàn)象的發(fā)生卻在一定程度上受到了抑制,進(jìn)而導(dǎo)致局部流動(dòng)換熱能力顯著不同。

圖25 水平加熱圓管內(nèi)超臨界流體瞬時(shí)參量分布(混合對(duì)流工況)[119]Fig.25 Instantaneous parameter distribution of supercritical fluid in a horizontal heated tube (mixed convection)[119]

圖26 水平加熱圓管內(nèi)超臨界流體湍流行為與湍流換熱量關(guān)系[119]Fig.26 Relationship between turbulence behavior and turbulent heat transfer of supercritical fluid in a horizontal heated tube[119]

此外,流體密度的劇烈變化會(huì)增強(qiáng)浮升力的作用,從而改變壁面切應(yīng)力分布及邊界層內(nèi)湍流脈動(dòng)的生成量,增強(qiáng)換熱特性的復(fù)雜性[120]。 加熱條件下密度的迅速降低同樣會(huì)導(dǎo)致流速增加,產(chǎn)生熱加速效應(yīng)。 當(dāng)熱流密度較高時(shí),流體沿流向的加速行為會(huì)降低邊界層對(duì)數(shù)區(qū)的湍動(dòng)能,從而導(dǎo)致湍流層流化[121]。 此外,貼近壁面處的流體也會(huì)受到熱加速影響,從而導(dǎo)致特殊的流動(dòng)現(xiàn)象(主流速度低于近壁區(qū)),如圖27 所示[122]。 一般地,浮升力和熱加速在SCO2流動(dòng)換熱過程中產(chǎn)生耦合影響,大尺寸通道中浮升力效果較強(qiáng),而小尺寸通道中熱加速效果則更為明顯[123]。 Kurganov 和Kaptil’ny[124]在豎直加熱管流的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),受浮升力和熱加速的耦合作用,SCO2的速度型會(huì)經(jīng)歷由“U”型變化至平坦型,再演化為“M”型的復(fù)雜過程,而這2 個(gè)變化過程又對(duì)應(yīng)著切應(yīng)力的減小和恢復(fù),分別造成換熱能力的削弱與增強(qiáng)。

圖27 豎直加熱圓管內(nèi)SCO2 密度與速度分布[122]Fig.27 Density and velocity distributions of SCO2 in a heated vertical tube[122]

4.2 緊湊式換熱器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)

4.2.1 熱力設(shè)計(jì)方法

由于SCO2在流動(dòng)換熱過程中存在強(qiáng)物性變化,使得傳統(tǒng)基于常物性假設(shè)的設(shè)計(jì)方法不再適用[76]。 為了捕捉物性變化對(duì)換熱系數(shù)、流動(dòng)阻力和平均溫差等關(guān)鍵參數(shù)的影響,研究人員基于“離散換熱微元”思想提出了緊湊式換熱器的離散設(shè)計(jì)方法,如圖28 所示[125-127]。 該方法根據(jù)換熱量(設(shè)計(jì))或流動(dòng)長度(校核)將換熱器劃分為若干個(gè)子換熱器,使得各子換熱器內(nèi)部的參數(shù)可視為常數(shù)。 在此基礎(chǔ)上,針對(duì)每個(gè)子換熱器利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核,即可獲得考慮關(guān)鍵參數(shù)變化影響的換熱器結(jié)果。 當(dāng)需要考慮輸入條件變化和時(shí)間參數(shù)影響時(shí),基于該設(shè)計(jì)方法也可構(gòu)建緊湊式換熱器的動(dòng)態(tài)分析模型[128]。

圖28 緊湊式換熱器離散設(shè)計(jì)方法Fig.28 Segmented design method for compact heat exchanger

針對(duì)目前最常用于SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的逆流式PCHE,Guo[129]和Ke 等[130]分別基于效能-傳熱單元數(shù)方法和對(duì)數(shù)溫差法建立了相應(yīng)的離散分析模型,并證明了方法的有效性。 在此基礎(chǔ)上,北航團(tuán)隊(duì)提出了考慮肋效率影響的基本換熱單元并聯(lián)熱阻模型(見圖29)[131],該模型以翅片θ=(π -2)/4 位置為臨界截面,將傳統(tǒng)基本換熱單元進(jìn)一步分割為2 個(gè)換熱子單元,則換熱子單元的設(shè)計(jì)過程均可視為一個(gè)帶第三類邊界條件的一維導(dǎo)熱問題,從而實(shí)現(xiàn)了翅片影響的精細(xì)化考慮。 對(duì)于錯(cuò)流式PCHE,Zhao 等[132]發(fā)展了一種基于熱網(wǎng)絡(luò)的二維離散設(shè)計(jì)方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對(duì)強(qiáng)物性變化的捕捉能力。 此外,由于封頭的存在,換熱器內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)逆流、順流和錯(cuò)流同時(shí)存在的情況。 因此,Son 等[133]基于能量微分方程提出了考慮真實(shí)路徑變化的二維離散設(shè)計(jì)方法,并指出采用純逆流假設(shè)模型會(huì)對(duì)低效能換熱器產(chǎn)生較大預(yù)測誤差。 對(duì)于有望用于熱源換熱器和回?zé)崞鞯奈⒓?xì)管式換熱器,Li[134]和Jiang[135]等也提出了相應(yīng)的離散設(shè)計(jì)模型。

圖29 基本換熱單元并聯(lián)熱阻模型[131]Fig.29 Parallel thermal resistance model for heat transfer unit[131]

4.2.2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合發(fā)展現(xiàn)狀來看,PCHE 是SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的換熱器,因?yàn)槠渚哂心蛪焊?、單位體積換熱面積大、輕質(zhì)高效等優(yōu)勢。圖30展示了PCHE 的典型通道類型,可以分為連續(xù)型通道(直線型、Z 字型和正弦型)和間斷型通道(翼形翅片、S 形翅片和矩形翅片)2 類[136]。 目前,直線型和Z 字型是最為成熟的通道類型,其加工簡單、結(jié)構(gòu)完整性好,且用于換熱器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式較為可靠[137]。 相較于直線型通道,由于換熱面積增加和湍流增強(qiáng),Z 字型通道具有更好的換熱效果,但相應(yīng)的流動(dòng)損失也會(huì)增加。 正弦型通道及由其發(fā)展而來的S 形翅片通道可有效降低Z 字型通道中流體分離所造成的壓力損失[138]。 Tsuzuki 等[139]發(fā)現(xiàn),在相同換熱能力下,S 形翅片通道的壓力損失僅為Z 字型通道的1/5。類似地,Kim 等[140]提出了NACA 翼形翅片通道,指出在相同換熱能力下該型通道的壓降僅為Z字型通道的1/20。 此外,矩形翅片通道能有效增強(qiáng)換熱能力,但相同雷諾數(shù)下其摩擦因子卻高于S 形翅片通道和翼形翅片通道[141]。 盡管基于新型通道的PCHE 展現(xiàn)出了優(yōu)異的熱工水力性能,但其較高的加工制造難度和較低的承壓能力在一定程度上限制了自身的發(fā)展。

圖30 PCHE 典型通道類型Fig.30 Typical flow passage type of PCHE

除了換熱器芯體通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外,換熱器的封頭設(shè)計(jì)同樣重要,較差的封頭設(shè)計(jì)會(huì)造成流體流量分配不均,從而降低換熱器性能[142-143]。 Chu等[144]針對(duì)PCHE 設(shè)計(jì)了4 種不同型線的封頭形式(見圖31),發(fā)現(xiàn)基于雙曲線形的封頭可以有效降低氣流不均勻性,提高換熱器的綜合性能。 Siddiqui 和Zubair[145]發(fā)現(xiàn)封頭歧管面積和換熱器通道長度越大,流量分配越均勻。 Koo 等[146]則通過調(diào)整封頭角度和半徑對(duì)封頭進(jìn)行形狀優(yōu)化,以獲得質(zhì)量流量和壓力損失的均勻分布。 此外,Ma 等[147]提出了流量分布的物理模型來預(yù)測流量不均勻性,并分析了不同因素對(duì)流量不均勻性的影響。

圖31 PCHE 換熱器不同入口封頭的影響[144]Fig.31 Effects of different inlet headers of PCHE[144]

4.2.3 換熱器制造技術(shù)

為滿足高溫超高壓條件長期服役要求,PCHE一般采用光化學(xué)蝕刻及擴(kuò)散焊制造技術(shù),以使得芯體接合面達(dá)到母材的同等強(qiáng)度[148]。 圖32 展示了PCHE 的基本制造過程。 具體為:①通過光刻和蝕刻技術(shù)在金屬薄板上加工出特定的通道圖案,常規(guī)通道尺寸約為0.5 ～2.0 mm[149]。 ②將加工過的薄板按照規(guī)律“堆疊”并放入真空爐中,通過高溫高壓實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接。 受到焊接設(shè)備的限制,PCHE 芯體的外形尺寸一般小于600 mm ×600 mm ×1 200 mm[150]。 ③將芯體焊接上封頭和歧管等結(jié)構(gòu)形成最終換熱器。 由于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擴(kuò)散焊技術(shù),PCHE 耐壓和耐溫最高可達(dá)90 MPa和900℃。 此外,與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比,PCHE 基本換熱單元的特征尺度相對(duì)較小,緊湊度可高達(dá)2 500 m2/m3,故體積最高可減小85%[151]。 對(duì)于通道直徑小于2 mm 的微管換熱器,其一般采用釬焊技術(shù)將換熱管焊接于管板上,并被證實(shí)可承受15 MPa 的超高壓力[109]。

圖32 PCHE 加工過程[131]Fig.32 Processing route of PCHE[131]

近年來,增材制造技術(shù)(3D 打印)為SCO2換熱器加工開辟了全新的技術(shù)途徑[152]。 Rasouli等[111]利用增材制造技術(shù)完成了加熱器制造,試驗(yàn)證明該加熱器可承受約20 MPa 高壓和約550℃高溫。 同時(shí),增材制造技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)加工方式的約束,可用于加工十分復(fù)雜、新穎的通道形式。 Ding 等[153]利用該技術(shù)完成了包含自適應(yīng)通道的換熱器加工,試驗(yàn)表明,該換熱器在效能增加2%的同時(shí)壓力損失可降低69%,具有非常優(yōu)異的工作性能。

4.3 緊湊式換熱器試驗(yàn)研究

目前,針對(duì)SCO2PCHE,包括美國SNL[101,154]和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室[155],以及日本TIT[156]、韓國KAIST[157]、中國科學(xué)院工程熱物理研究所[158]等國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)均開展了豐富的試驗(yàn)研究。 Liu等[137]對(duì)特征長度為1 140 μm 的直線型通道PCHE 進(jìn)行了壓降特性測試,實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為64 ～14 160,在較為寬廣的區(qū)間內(nèi)驗(yàn)證了常規(guī)尺度流阻經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?最大偏差不超過4.6%。Chu 等[159]以水和SCO2為工質(zhì)研究了直線型通道PCHE 的流阻和換熱性能,發(fā)現(xiàn)相同流量下SCO2的換熱功率約為水的1.2 ～1.5 倍,并且在跨臨界狀態(tài)換熱性能會(huì)增強(qiáng)。 Kim 等[127,160-161]分別以水、氦氣及氦氣-二氧化碳混合物為工質(zhì),對(duì)特征長度922 μm、彎角15°的Z 字型通道PCHE 進(jìn)行了詳盡的試驗(yàn)研究,提出了全新的流阻和換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式以指導(dǎo)換熱器設(shè)計(jì)。 此外, Nikitin等[156]開展了3 kW 級(jí)PCHE 的性能測試,結(jié)果表明,該換熱器的總換熱系數(shù)可以達(dá)到300 ～650 W/(m2K)。 Zhou 等[158]設(shè)計(jì)制造了100 kW 量級(jí)的PCHE,并通過試驗(yàn)獲得了98.4%的換熱器效能,如圖33 所示。 鑒于連續(xù)型通道PCHE 具有良好的承壓和換熱能力,北航團(tuán)隊(duì)也試驗(yàn)探究了微通道PCHE(直線型通道和Z 字型通道)應(yīng)用于高超聲速強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的可行性[125,131],試驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的微通道PCHE 具有105 kW/kg的超高功重比性能,且總傳熱系數(shù)高達(dá)8.1 kW/(m2K),在航空航天領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

圖33 100 kW 級(jí)PCHE 試驗(yàn)結(jié)果[158]Fig.33 Experimental results of 100 kW class PCHE[158]

針對(duì)間斷型通道,Pidaparti 等[143]通過試驗(yàn)研究了翼形翅片及矩形翅片通道的換熱和流阻特性,結(jié)果顯示,與52° Z 字型通道相比,這2 種間斷型通道均能顯著降低流阻,且矩形翅片通道具有最好的換熱性能,可減小25% 的制造成本。Ngo 等[162]對(duì)比了S 形翅片通道和52° Z 字型通道的流動(dòng)與傳熱性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,Z 字型通道的努塞爾數(shù)雖比S 形翅片通道高24% ～34%,但其流阻卻是后者的4 ～5 倍。 對(duì)于其他類型的緊湊式換熱器,目前僅有部分研究對(duì)微管式換熱器[109]和增材制造式換熱器[111]的熱工水力性能進(jìn)行探究。 在此基礎(chǔ)上,諸多研究人員根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了適用于SCO2換熱器設(shè)計(jì)的流動(dòng)與換熱低維預(yù)測模型,以考慮強(qiáng)物性變化對(duì)換熱器熱工水力特性的影響。 表6 給出了PCHE 典型通道類型的部分經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 可以發(fā)現(xiàn),目前針對(duì)SCO2在復(fù)雜通道內(nèi)的試驗(yàn)研究多集中于較低雷諾數(shù)范圍,仍需開展更多高雷諾區(qū)間的試驗(yàn)研究以擴(kuò)寬經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。

表6 SCO2 PCHE 流動(dòng)與換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式Table 6 Flow and heat transfer correlations for SCO2 PCHE

5 控制及儲(chǔ)熱系統(tǒng)

5.1 循環(huán)控制策略

為保證SCO2閉式布萊頓循環(huán)安全穩(wěn)定運(yùn)行,有效可靠的控制策略十分重要。 一般地,SCO2閉式布萊頓循環(huán)的控制參數(shù)包括主壓縮壓氣機(jī)進(jìn)口溫度和壓力、渦輪進(jìn)口溫度、壓氣機(jī)喘振等,常用的控制策略包括各類閥門、葉輪機(jī)轉(zhuǎn)速、冷/熱源換熱量等[165]。

圖34 給出了典型的再壓縮循環(huán)控制策略。主壓縮壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)(尤其是溫度)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)性能影響顯著,保證其進(jìn)口參數(shù)穩(wěn)定維持在臨界點(diǎn)附近(超臨界區(qū))是循環(huán)控制策略的重點(diǎn)。通常,主壓縮壓氣機(jī)進(jìn)口溫度通過調(diào)整冷卻器冷側(cè)流量進(jìn)行控制(調(diào)整閥門V1 開度或者冷卻泵轉(zhuǎn)速)[166],必要時(shí)也可調(diào)整旁通閥V2 進(jìn)行輔助控制[167];而進(jìn)口壓力則通常采用庫存管理策略通過向循環(huán)系統(tǒng)充/放工質(zhì)進(jìn)行控制,工質(zhì)儲(chǔ)罐一般配置于主壓縮壓氣機(jī)出口和冷卻器進(jìn)口間[168-169]。 此外,引入低溫回?zé)崞鞴?jié)流閥(V9)并配合冷卻器流量調(diào)節(jié)也可實(shí)現(xiàn)主壓縮壓氣機(jī)進(jìn)口壓力和溫度的有效控制[170]。 渦輪進(jìn)口溫度,直接影響循環(huán)系統(tǒng)功率和運(yùn)行安全性,一般可采用調(diào)整熱源工質(zhì)流量、閥門開度、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速等策略實(shí)現(xiàn)有效控制。 Luu 等[171]采用調(diào)整熱源工質(zhì)流量(調(diào)整閥門V8)的策略,通過改變循環(huán)吸熱功率以控制渦輪進(jìn)口溫度;而通過旁通流路改變循環(huán)吸熱量也可實(shí)現(xiàn)渦輪進(jìn)口溫度控制,如渦輪旁通(閥門V4)和熱源換熱器旁通(閥門V14)。 此外,Matteo 等[172]指出渦輪進(jìn)口溫度對(duì)循環(huán)流量的敏感性更高,采用庫存管理也可控制渦輪進(jìn)口溫度,且更為合適。 由于循環(huán)流量受壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的影響顯著,調(diào)整壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速是一種控制渦輪進(jìn)口溫度的策略[173]。 為規(guī)避壓氣機(jī)喘振,循環(huán)運(yùn)行過程中需采用特殊的控制策略。 通常,采用調(diào)整葉輪機(jī)轉(zhuǎn)速[174]或閥門開度[166]的策略實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)喘振保護(hù)。 由于喘振發(fā)生在小流量工況下,通過提高轉(zhuǎn)速以增大流量可規(guī)避壓氣機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)。 此外,引入壓氣機(jī)循環(huán)閥(V11)和節(jié)流閥(V10 和V12) 也可有效規(guī)避喘振。 Clementoni等[41]采用循環(huán)閥在較寬的工況范圍內(nèi)將壓氣機(jī)維持在喘振邊界內(nèi)運(yùn)行;Gao 等[175]則采用節(jié)流閥進(jìn)行壓氣機(jī)喘振保護(hù),并指出節(jié)流閥的引入可有效提高控制系統(tǒng)的魯棒性。

圖34 典型的SCO2 再壓縮循環(huán)控制策略Fig.34 Typical control strategy for SCO2 recompression cycle

除上述控制參數(shù)外,換熱器進(jìn)口溫度、分流比、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速等也時(shí)常被作為控制參數(shù)。 Moisseytsev 和Sienicki[176]引入旁通閥(V7)來控制高溫?fù)Q熱器進(jìn)口溫度,并間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的有效控制。 循環(huán)分流比可通過調(diào)整閥門開度和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速等方法進(jìn)行控制,Carstens[84]指出可通過調(diào)整主壓縮壓氣機(jī)和再壓縮壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速,或分別在其出口引入閥門V10 和V5,來實(shí)現(xiàn)對(duì)分流比的有效控制。 由于壓氣機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)或渦輪驅(qū)動(dòng),也可通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)或渦輪的轉(zhuǎn)速以控制分流比[40-41]。

5.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)

當(dāng)前,儲(chǔ)熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電中,以在無日照條件下維持系統(tǒng)電功率輸出。在集熱-儲(chǔ)熱端,多采用直接集成高/低溫熔鹽儲(chǔ)罐的直接式儲(chǔ)熱布局,熔鹽被同時(shí)用作換熱和儲(chǔ)熱介質(zhì);在發(fā)電端,可直接采用SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)替代現(xiàn)有蒸汽朗肯循環(huán)系統(tǒng),如圖35 所示。 當(dāng)集熱溫度超過565℃時(shí),現(xiàn)有的硝酸熔鹽難以適用作集熱-儲(chǔ)熱介質(zhì),包括液態(tài)金屬(如Na、Na-K、Pb-Bi)、氯鹽、碳酸鹽等新型集/儲(chǔ)熱介質(zhì)有望得以利用[177-178]。 此外,利用固體顆粒進(jìn)行集熱-儲(chǔ)熱的技術(shù)也有望得到應(yīng)用,但接收器和熔鹽儲(chǔ)罐需特殊設(shè)計(jì)[179]。 Kelly[180]給出了一種采用硅巖或鋁珠等惰性介質(zhì)填充層的儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用內(nèi)隔熱設(shè)計(jì)可有效避免高溫端加裝壓力安全殼;在此基礎(chǔ)上,Bindra 等[181]通過動(dòng)態(tài)改變流動(dòng)進(jìn)出口的設(shè)計(jì)有效提高了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率。此外,相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)是另一種技術(shù)途徑,其通常采用化學(xué)鹽或金屬相變材料。 相較而言,高熔化熱的鋁或鋁合金是此類儲(chǔ)熱系統(tǒng)較為理想的可選材料,而化學(xué)鹽相變材料則存在導(dǎo)熱率限制問題。為改善化學(xué)鹽相變材料性能,可將其注入至石墨等多孔導(dǎo)熱介質(zhì)中[182],亦或?qū)⑵浞庋b至熱穩(wěn)定殼體并置入填充層中[183]。 相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)有望更好地與構(gòu)型簡單的SCO2閉式布萊頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)集成,然而目前尚未在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域得到商業(yè)化應(yīng)用。

圖35 聚焦式太陽能發(fā)電系統(tǒng)(集成SCO2 再壓縮循環(huán))Fig.35 Concentrating solar power system (integrated with SCO2 recompression cycle)

6 工程應(yīng)用面臨的問題與挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段,SCO2閉式布萊頓循環(huán)技術(shù)雖已取得長足發(fā)展,但離大范圍工程應(yīng)用尚存在一定距離。未來,需圍繞以下方面開展更為全面深入的研究。

1) 計(jì)及不確定性效應(yīng)的全壽命周期變工況熱力-經(jīng)濟(jì)綜合性能的總體技術(shù)。 SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)受外部工況條件影響顯著,工作環(huán)境變化幅度大,不確定性效應(yīng)明顯,其中最為典型的如太陽能光熱發(fā)電存在多變的光照時(shí)間和強(qiáng)度等,有必要發(fā)展計(jì)及多變工況綜合性能及不確定性影響的SCO2總體技術(shù)。 此外,在工程應(yīng)用中考慮全壽命周期的效費(fèi)比(性能/成本)最佳的氣動(dòng)熱力和結(jié)構(gòu)布局、最佳運(yùn)行控制規(guī)律等仍需進(jìn)一步探討。 有必要構(gòu)建適用于總體熱力分析的、考慮長時(shí)間運(yùn)行的性能衰減的模型,以真正建立考慮全工況范圍內(nèi)綜合性能的評(píng)價(jià)模型和方法。 由于閉式循環(huán)多子系統(tǒng)的緊密耦合,使得系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)更為復(fù)雜和困難,尚需突破多變工況下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制并掌握高魯棒動(dòng)態(tài)調(diào)控策略,以及精確的氣動(dòng)熱力邊界條件控制技術(shù)。完整的SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)中涉及儲(chǔ)能等相關(guān)子系統(tǒng),發(fā)展更穩(wěn)定的高溫儲(chǔ)熱材料和儲(chǔ)熱系統(tǒng)或其他形式的儲(chǔ)能系統(tǒng),有助于提高整個(gè)系統(tǒng)對(duì)多變工況應(yīng)用場景下的適應(yīng)性。

2) 冷凝相變對(duì)壓氣機(jī)和系統(tǒng)的影響機(jī)制及其在設(shè)計(jì)中的考慮。 當(dāng)SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)中的壓氣機(jī)工作在臨界點(diǎn)附近時(shí),壓氣機(jī)進(jìn)口存在的局部加速可能導(dǎo)致冷凝相變,從而導(dǎo)致局部的氣動(dòng)熱力狀態(tài)和流動(dòng)發(fā)生較為明顯的變化,進(jìn)而影響壓氣機(jī)的性能、穩(wěn)定工作范圍,甚至導(dǎo)致壓氣機(jī)的激振等。 液滴與葉片的相互作用還可能會(huì)導(dǎo)致葉片的腐蝕和磨損等,進(jìn)一步引起壓氣機(jī)乃至系統(tǒng)性能的衰減,并降低其穩(wěn)定工作范圍。目前,缺乏有效且可準(zhǔn)確模擬冷凝的非穩(wěn)態(tài)相變過程的數(shù)值手段;對(duì)冷凝的動(dòng)力學(xué)特征及影響機(jī)制尚不明晰,包括液相形成過程、尺寸/形態(tài)/分布范圍、演化規(guī)律等,液滴撞擊等因素導(dǎo)致的葉片磨損和激振機(jī)理、過程及力學(xué)特征等。 此外,冷凝相變的有效調(diào)控方法及其在氣動(dòng)設(shè)計(jì)層面(如低維速度三角形設(shè)計(jì)參數(shù)選取、葉片造型等)的應(yīng)用途徑等還需進(jìn)一步研究。

3) 高速葉輪機(jī)高溫高壓動(dòng)封嚴(yán)技術(shù)。 高速/高壓/高溫工作環(huán)境導(dǎo)致超臨界葉輪機(jī)泄漏量大、鼓風(fēng)損失、動(dòng)靜碰磨、氣流激振誘發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)、高溫腐蝕等問題,嚴(yán)重限制運(yùn)行轉(zhuǎn)速和性能的提高,現(xiàn)有常規(guī)迷宮、蜂窩等密封方法難以滿足封嚴(yán)要求。 采用氣浮或磁懸浮軸承支撐轉(zhuǎn)子并做好與空氣系統(tǒng)等的匹配是一種可行思路,如SNL 采用氣浮軸承支撐配合耐磨迷宮封嚴(yán)結(jié)構(gòu)[184],如圖36所示。 但目前高速氣浮軸承面臨剛度不足導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題、高溫環(huán)境下耐磨涂層失效等問題,磁懸浮軸承則存在體積大、質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度要求苛刻等不足,相關(guān)技術(shù)仍需進(jìn)一步提升。 此外,空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)大軸向力的平衡仍是限制氣浮或磁懸浮軸承得到工程實(shí)用的難題。 特別是在閉式循環(huán)系統(tǒng)中,無論是氣浮軸承還是磁懸浮軸承,能否有效工作與二次流系統(tǒng)緊密相關(guān),因此實(shí)現(xiàn)軸承與二次流系統(tǒng)在全工況范圍的匹配以提供軸承安全可靠的工作環(huán)境,也是需要進(jìn)一步研究的技術(shù)。

圖36 SNL 葉輪機(jī)氣浮軸承及迷宮封嚴(yán)結(jié)構(gòu)[184]Fig.36 Turbomachinery gas foil bearing and labyrinth seal structure at SNL[184]

4) 輕質(zhì)耐腐蝕高溫材料及加工技術(shù)。 SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)包含渦輪、換熱器、高溫調(diào)節(jié)閥和高溫高壓管路等多個(gè)高溫/高壓環(huán)境工作的熱端零部件,這些熱端零部件是限制系統(tǒng)壽命和安全性的關(guān)鍵,其對(duì)材料有著極為苛刻的要求:耐高溫和高壓、耐腐蝕、低成本并具備良好加工性能等,使得其成本是整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)成本中最為昂貴的部分。 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)壽命、降低生產(chǎn)成本,以滿足工程使用要求,需進(jìn)一步開發(fā)適用于SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、低成本和加工性能好的新材料,并突破高溫?fù)Q熱器、高溫調(diào)節(jié)閥等高溫零部件的加工制備技術(shù)以降低熱端零部件的生產(chǎn)成本。

5) 系統(tǒng)全面的試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)庫的建立。目前的研究在試驗(yàn)驗(yàn)證方面遠(yuǎn)不足以支撐形成成熟的產(chǎn)品,現(xiàn)有報(bào)道的試驗(yàn)大多數(shù)是零散、不系統(tǒng)的部件級(jí)試驗(yàn),整機(jī)的試驗(yàn)很少,且已有的試驗(yàn)中大多數(shù)仍然偏向于性能,并未覆蓋到所有設(shè)計(jì)流程,如耐久性考核試驗(yàn)、性能衰減試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、部件失效試驗(yàn)等亦未見報(bào)道,即沒有完整的覆蓋全設(shè)計(jì)流程的試驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)工作,導(dǎo)致實(shí)際工程應(yīng)用中缺乏諸多數(shù)據(jù)和信息支撐,同時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)、準(zhǔn)則和全工況的控制策略、系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性、環(huán)境的適用性等未得到驗(yàn)證或充分驗(yàn)證。 因此,建立適用于SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的試驗(yàn)體系,制定相應(yīng)的試驗(yàn)流程和規(guī)范,開展系統(tǒng)全流程全要素試驗(yàn)驗(yàn)證工作,并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,對(duì)于形成成熟的SCO2閉式布萊頓循環(huán)發(fā)電設(shè)備等產(chǎn)品具有十分重要的意義。

6) 高速電機(jī)技術(shù)、高溫高壓調(diào)節(jié)閥技術(shù)、輔助系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)全工況的匹配和調(diào)控技術(shù)、考慮不確定性的部件設(shè)計(jì)方法等也需在未來開展更全面深入的研究。

7 結(jié)束語

SCO2閉式布萊頓循環(huán)是一項(xiàng)具有巨大性能優(yōu)勢和廣闊應(yīng)用前景的熱動(dòng)力利用革新技術(shù)。 總結(jié)和分析國內(nèi)外相關(guān)研究表明:

1) 熱力循環(huán)是SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵,總體熱力設(shè)計(jì)和分析時(shí)有必要涵蓋部件低維特性分析,以充分考慮所提出的部件性能指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。 此外,循環(huán)設(shè)計(jì)目標(biāo)并非單純追求設(shè)計(jì)點(diǎn)的高熱效率,而應(yīng)綜合考慮全壽命周期性能、緊湊性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。

2) SCO2工質(zhì)的強(qiáng)真實(shí)氣體效應(yīng)使得葉輪機(jī)設(shè)計(jì)不能簡單借鑒成熟的常規(guī)工質(zhì)葉輪機(jī)的設(shè)計(jì)方法,需針對(duì)性地發(fā)展有效的設(shè)計(jì)方法。 此外,通過理論分析和機(jī)器深度學(xué)習(xí)相結(jié)合得到的不同工質(zhì)葉輪機(jī)相似方法為利用常規(guī)工質(zhì)葉輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)開展SCO2等特殊工質(zhì)葉輪機(jī)氣動(dòng)性能的試驗(yàn)驗(yàn)證奠定了理論基礎(chǔ)。

3) 劇烈的熱物性變化導(dǎo)致SCO2特殊的微尺度流動(dòng)換熱機(jī)理,采用離散模型進(jìn)行緊湊換熱器設(shè)計(jì)非常必要。 此外,通過機(jī)理性試驗(yàn)構(gòu)建適用于SCO2工質(zhì)的流動(dòng)換熱模型可為緊湊高效換熱器設(shè)計(jì)提供重要支撐。

4) 魯棒的控制策略是SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,旁通流路、庫存管理等策略可實(shí)現(xiàn)循環(huán)的可靠高效調(diào)控。 此外,儲(chǔ)能對(duì)太陽能光熱發(fā)電或多能綜合管理/利用具有重要意義,集成新型介質(zhì)儲(chǔ)熱技術(shù)的SCO2閉式布萊頓循環(huán)系統(tǒng)是高溫光熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備。

5) 為促進(jìn)SCO2閉式布萊頓循環(huán)技術(shù)大范圍工程應(yīng)用,未來仍需在計(jì)及不確定性效應(yīng)的全壽命周期熱力-經(jīng)濟(jì)綜合性能的總體技術(shù)、冷凝相變的影響機(jī)制和調(diào)控方法、高速葉輪機(jī)高溫高壓動(dòng)封嚴(yán)技術(shù)、輕質(zhì)耐腐蝕高溫材料及加工技術(shù)、更全面的系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)庫建立、高速電機(jī)技術(shù)、考慮不確定性的部件設(shè)計(jì)方法等方面開展更全面深入的研究。