使用sCO2作為工質(zhì)設(shè)計(jì)葉輪機(jī)械時(shí)的考慮事項(xiàng)

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在包括廢熱回收，聚光太陽(yáng)能，核能和化石能源在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中，超臨界二氧化碳（sCO2）功率循環(huán)比常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)和氣體布雷頓循環(huán)具有更高的發(fā)電效率。 sCO2循環(huán)在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中都在高壓狀態(tài)下運(yùn)行，從而導(dǎo)致工作流體具有更高的密度，這將使得設(shè)備尺寸更小，碳排放更少，因此成本更低。 但是，sCO2發(fā)電循環(huán)中壓力，溫度和密度的組合應(yīng)用超出了許多設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)sCO2循環(huán)的挑戰(zhàn)包括葉輪械的空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承，密封件，熱管理和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)。 根據(jù)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Lab）的報(bào)告，在二氧化碳臨界點(diǎn)附近運(yùn)行的壓縮機(jī)和透平在滿分為9分的TRL（技術(shù)準(zhǔn)備水平）中僅達(dá)到4分和5分的水平。此博客討論了sCO2對(duì)葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)的影響。

軸流還是徑流

用于葉輪機(jī)械的徑向或軸向的選擇通常基于運(yùn)行條件（絕熱壓頭H和入口體積流量Q）進(jìn)行。可以從NsDs圖中選擇比轉(zhuǎn)速Ns和比直徑Ds的無(wú)量綱葉輪機(jī)械參數(shù)，以估計(jì)葉輪機(jī)械的尺寸，速度和類型。已經(jīng)有研究進(jìn)行了有關(guān)sCO2再壓縮循環(huán)的葉輪機(jī)械類型的選取，規(guī)模從100 kW到300 MW以上，得出的結(jié)論是，單級(jí)或低級(jí)數(shù)的徑向透平和壓縮機(jī)可能僅適用于低于10 MW的系統(tǒng)。工程師可以在圖1所示的AxCYCLE?工具中模擬這種再壓縮sCO2循環(huán)。隨著尺寸的增加，透平和再壓縮壓縮機(jī)的最有效配置分別從徑向向軸向轉(zhuǎn)變，適用于大約為30 MW到100 MW的范圍。可以在圖2中查看適用于不同功率范圍的葉輪機(jī)械及其部件的類型。循環(huán)中的主壓縮機(jī)會(huì)選取徑向配置用在所有發(fā)電規(guī)模上，這是由于它在臨界點(diǎn)附近運(yùn)行，它較低的體積流量和寬泛的工作范圍可以促進(jìn)工質(zhì)性質(zhì)的變化。

圖1 – AxCYCLE中模擬的再壓縮循環(huán)

圖2 – sCO2循環(huán)中各組件的類型及適用功率范圍

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)

開(kāi)式（帶有完全可見(jiàn)的葉片）和閉式葉輪均可用于離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。 閉式葉輪通過(guò)消除葉尖泄漏而提高了效率，其性能不受轉(zhuǎn)子和定子組件之間軸向熱增長(zhǎng)失配的影響。 而且，與開(kāi)式葉輪相比，閉式葉輪通常不易發(fā)生疲勞故障。 因此，在大多數(shù)sCO2循環(huán)中，閉式葉輪被認(rèn)為是更有利的，因?yàn)楦邏汉透呙芏攘黧w將需要非常緊密的間隙以保持盡可能小的泄漏。 sCO2葉輪中的高流體密度還將影響葉片主導(dǎo)模式的固有頻率，并產(chǎn)生相對(duì)較高的空氣動(dòng)力學(xué)載荷振幅。 因此，葉輪設(shè)計(jì)應(yīng)考慮由上游和下游定葉片部件（例如進(jìn)口導(dǎo)葉，擴(kuò)壓器葉片）的尾波激發(fā)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力造成的周期性激勵(lì)對(duì)葉片的影響。

從空氣動(dòng)力學(xué)性能方面來(lái)看，必須考慮到一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。 首先，由于壓縮機(jī)功率對(duì)循環(huán)效率具有一階影響，因此應(yīng)優(yōu)化良好的設(shè)計(jì)以最大程度地提高設(shè)計(jì)點(diǎn)效率。 其次，主壓縮機(jī)部分的入口條件通常在工作流體的臨界點(diǎn)附近，以減少壓縮功并最大化循環(huán)輸出。 為了在臨界點(diǎn)附近順利運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到進(jìn)口處溫度變化較小，而氣體特性變化范圍較大這一特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)的所有階段，使用精確的工質(zhì)屬性模型來(lái)捕獲氣體中的實(shí)際氣體變化至關(guān)重要。 NIST REFPROP軟件可在臨界點(diǎn)附近為純二氧化碳計(jì)算生成精確的物理特性，并可直接與許多壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件（例如AxSTREAM）耦合。 圖3是AxSTREAM設(shè)計(jì)的sCO2離心壓縮機(jī)。

入口葉輪的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小葉尖相對(duì)速度或進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)。 太大的葉輪會(huì)使進(jìn)口葉片的角度減小到超出最佳角度范圍，從而限制了效率。 葉輪過(guò)小會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)工質(zhì)靜態(tài)性質(zhì)（壓力，溫度）接近飽和線，因此有可能導(dǎo)致相變的產(chǎn)生，引起不良后果。

有一些測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，壓縮機(jī)在整個(gè)飽和區(qū)域內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)均可以穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有明顯的有害影響。 這些結(jié)果表明，即使發(fā)生兩相變化，高壓下液相和氣相的密度也足以避免有害的運(yùn)行情況。 但是，在獲得其他實(shí)驗(yàn)探索和實(shí)際操作數(shù)據(jù)之前，推薦的作法是在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持距飽和線一定的裕度。

圖3 – AxSTREAM設(shè)計(jì)的離心壓縮機(jī)的2D和3D幾何結(jié)果

透平設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)

sCO2循環(huán)中的高溫組件在與超超臨界蒸汽輪機(jī)相似的溫度下運(yùn)行，并且蒸汽應(yīng)用中的合金材料的大部分研究結(jié)果都適用于sCO2循環(huán)。 對(duì)于在接近或超過(guò)700°C的高溫下運(yùn)行的sCO2透平，其設(shè)計(jì)受蠕變限制，需要鎳基合金才能獲得足夠的蠕變強(qiáng)度。 圖4中比較了適用于sCO2應(yīng)用的不同材料。除了蠕變特性外，透平材料的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是sCO2環(huán)境中的腐蝕性能。 需要持續(xù)的進(jìn)行材料測(cè)試以確定材料對(duì)CO2純度的敏感性，對(duì)各種CO2混合物的抗腐蝕性能，以及在高流速環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試以確認(rèn)實(shí)際的抗腐蝕特性。

圖4 – 在sCO2應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)考慮到的一些材料

sCO2透平可以是徑向或軸向設(shè)計(jì)。在大多數(shù)sCO2循環(huán)中，透平的入口溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CO2臨界溫度，氣體表現(xiàn)近似于理想氣體的表現(xiàn)結(jié)果。因此，可以使用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法和工具例如AxSTREAM來(lái)實(shí)現(xiàn)類似于蒸氣/燃?xì)廨啓C(jī)的其他應(yīng)用的透平設(shè)計(jì)。通常，透平的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在最少的級(jí)數(shù)中實(shí)現(xiàn)最大化效率。它們的葉片/葉輪部件與其他葉輪機(jī)械應(yīng)用類似，但有幾個(gè)主要區(qū)別。一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是sCO2透平的功率密度高于其他類型的透平（有一個(gè)例外是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵），因此透平葉片上的壓力（靜態(tài)）負(fù)荷不容忽視，就像在低密度應(yīng)用中所考慮的一樣。對(duì)于軸流式透平，為了避免葉片上過(guò)大的彎曲和拉伸應(yīng)力，可以選擇沖動(dòng)式，因?yàn)榉磩?dòng)式將具有更高的應(yīng)力。但是，如果設(shè)計(jì)時(shí)彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力允許的情況下，則反動(dòng)式比沖動(dòng)式證明更高效，但最終會(huì)導(dǎo)致更多的級(jí)數(shù)，從而會(huì)增加工廠的占地面積。同樣，噴嘴和動(dòng)葉的設(shè)計(jì)應(yīng)具有更長(zhǎng)的弦長(zhǎng)以及更大的前緣LE和尾緣TE半徑，以減少這些葉片受到的應(yīng)力。中線氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法已經(jīng)集成在AxSTREAM中，其目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)限制的同時(shí)找到最大效率值（自動(dòng)找到實(shí)際應(yīng)力低于允許值的葉片弦長(zhǎng)）。通過(guò)AxSTREAM中用于葉片的優(yōu)化過(guò)程，為使其適合于sCO2透平，弦長(zhǎng)將顯著增加，以滿足結(jié)構(gòu)要求，如圖5所示。此外，通常會(huì)使用整體圍帶，來(lái)改善葉片動(dòng)力，阻尼，和空氣動(dòng)力學(xué)性能。

圖5 – AxSTREAM中考慮到壓力，使用氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法后的沖動(dòng)式和反動(dòng)式透平結(jié)果

總結(jié)

本文討論了sCO2寬泛的功率運(yùn)行范圍注意事項(xiàng)，壓縮機(jī)中冷凝的潛在可能性以及透平中的高溫壓力控制和緊湊的熱力管理方法。此外，高壓，高溫和高密度的組合運(yùn)行環(huán)境還帶來(lái)了多個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如軸承表面的高速度和高負(fù)荷，高密度氣體對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和葉片負(fù)荷的影響，如何設(shè)計(jì)低泄漏的軸端密封等。在sCO2葉輪機(jī)械能夠取代已開(kāi)發(fā)和改進(jìn)了100多年的蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)之前，需要克服大量的工程技術(shù)。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但在過(guò)去十年中已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了許多sCO2葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)原型。借助現(xiàn)有的技術(shù)和工具，除了來(lái)自原型測(cè)試的數(shù)據(jù)之外，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，將成功開(kāi)發(fā)出用于各種應(yīng)用的sCO2透平和壓縮機(jī)，并最終將其商業(yè)化。