sCO2
關注創建者：SoftInWay中國 創建時間：2021-02-01
sCO2的視頻教程
使用AxCYCLE對超臨界二氧化碳sCO2循環進行熱力分析
本視頻節選自SoftInWay公司往期研討會《sCO2循環構建及分析》 SoftInWay是一個已有20年歷史，全球設有多個辦公室的葉輪機械領域的專業公司，公司旗下擁有自主研發的集設計，分析和優化為一體的專業葉輪機械設計軟件平臺AxSTREAM。
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sCO2的實例教程
圖3 – AxSTREAM設計的離心壓縮機的2D和3D幾何結果
透平設計考慮事項
sCO2循環中的高溫組件在與超超臨界蒸汽輪機相似的溫度下運行，并且蒸汽應用中的合金材料的大部分研究結果都適用于sCO2循環。 對于在接近或超過700°C的高溫下運行的sCO2透平，其設計受蠕變限制，需要鎳基合金才能獲得足夠的蠕變強度。 圖4中比較了適用于sCO2應用的不同材料。除了蠕變特性外，透平材料的另一個關鍵考慮因素是sCO2環境中的腐蝕性能。 需要持續的進行材料測試以確定材料對CO2純度的敏感性，對各種CO2混合物的抗腐蝕性能，以及在高流速環境中進行測試以確認實際的抗腐蝕特性。
圖4 – 在sCO2應用中經常會考慮到的一些材料
sCO2透平可以是徑向或軸向設計。在大多數sCO2循環中，透平的入口溫度都遠遠高于CO2臨界溫度，氣體表現近似于理想氣體的表現結果。因此，可以使用現有的設計方法和工具例如AxSTREAM來實現類似于蒸氣/燃氣輪機的其他應用的透平設計。通常，透平的設計目標是在最少的級數中實現最大化效率。它們的葉片/葉輪部件與其他葉輪機械應用類似，但有幾個主要區別。一個關鍵的區別是sCO2透平的功率密度高于其他類型的透平（有一個例外是火箭發動機的渦輪泵），因此透平葉片上的壓力（靜態）負荷不容忽視，就像在低密度應用中所考慮的一樣。對于軸流式透平，為了避免葉片上過大的彎曲和拉伸應力，可以選擇沖動式，因為反動式將具有更高的應力。但是，如果設計時彎曲應力和拉應力允許的情況下，則反動式比沖動式證明更高效，但最終會導致更多的級數，從而會增加工廠的占地面積。同樣，噴嘴和動葉的設計應具有更長的弦長以及更大的前緣LE和尾緣TE半徑，以減少這些葉片受到的應力。
展開 這篇文章中采用CAESES進行sCO2軸流透平設計的方法，發表于2019年7月17日至21日的ASME透平會議。
簡 介
傳統發電廠采用蒸汽作為工質，通過透平產生動力，超臨界二氧化碳（以下簡稱sCO2）循環使用的是溫度和壓力均高于臨界點（超臨界狀態）的CO2，在這種狀態下，CO2表現出介于氣體和液體之間的特性，并且具有較高的密度和體積熱容，這種狀態下的特性為高循環效率提供了巨大潛力。由于工質的能量密度更高，因此可以減小組件尺寸，從而減小占地面積和成本。sCO2也被認為是一種安全的介質，其資源十分充足且使用收益高，因此，從效率和成本角度來看，sCO2發電有潛力取代蒸汽發電。
本文對用于廢熱回收應用的新型sCO2軸流透平設計進行了探索，文中基于10兆瓦的案例進行介紹。
文中采用Kulfan Class Shape Transformation（CST）變換方法進行二維軸流葉型輪廓變形優化設計，并在設計優化過程中同時考慮葉片的氣動效率及應力情況。
軸流透平設計原理
首先基于尺寸、性能、運行工況等設計需求，項目中使用了Triveni Turbines開發的一維均線計算內部工具進行設計計算，均線計算的結果構成了二維葉片輪廓設計的基礎。
項目中采用CAESES進行軸流透平的幾何建模，調用二維/準三維流動求解器MISES用于方針分析，并采用印度科技學院（IISc）內部開發的Matlab腳本進行前后處理。通過CAESES軟件的自動優化平臺封裝了整個過程，用以優化透平葉片的氣動性能。
展開 從大量論文中可以看出，在利用GTU（燃氣輪機裝置）廢氣增加發電方面，底循環工質使用sCO2（超臨界二氧化碳）是極有意義的，但是由于廢氣的殘留溫度相當高，因此所考慮的這種循環仍有一定的額外發電潛力。為了達到這種潛能，sCO2循環循環結束后的廢氣殘留溫度應盡可能低，而這些循環的熱效率應盡可能高。考慮到這一點，作者在2015年對各種不同的sCO2底循環結構配置進行了研究，甚至提出了復合循環的概念，其中將諸如sCO2回熱循環與sCO2再壓縮或再熱循環以及其它組合結合在一起。在該研究中，發現了復合循環的最佳配置。該循環配置具有兩個壓縮機和透平，其中一個組合是與發電機共用同一根軸但尚未研究該軸配置的最佳性。
本次研究的重點是基于數字孿生概念，考慮不同軸配置的熱力循環以及葉輪機械部件在非設計工況時的聯合優化。所考慮的底循環發電裝置（PGU）的熱源是GE LM6000-PH DLE型號燃氣輪機。 該PGU是一種具有高熱回收率的復合sCO2循環。本文詳細介紹了其設計和總體方案， 討論了在循環級別和組件級別使用的計算方法，考慮了預測準確的損失模型，分析時涵蓋了涉及的葉輪機械的初始設計，自動化非設計工況模擬以及不同軸配置比較，指出其特殊性和優勢。
關鍵詞：超臨界二氧化碳；數字孿生；燃氣輪機底循環；熱力循環模擬；葉輪機械部件初始設計；變工況分析；軸配置分析比較
0 引言
許多作者[1]，[2]，[3]，[4]和[5]進行了模擬瞬態和穩態sCO2循環非設計工況性能的嘗試。 他們中的一些人研究了調節器的動態表現，一些人研究了不同情況下的不同控制策略或非設計工況表現，這無疑在開發可靠的sCO2循環模擬技術中具有一定的實用性。 然而，他們使用了相當簡化的部件模型，尤其是葉輪機械和熱交換器，這對于正確模擬循環性能至關重要。
展開 超臨界二氧化碳簡介
超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide,s-co2 ）是指溫度和壓力均在臨界點以上的二氧化碳流體。超臨界二氧化碳具有超臨界流體流動性好、傳熱效果高、壓縮性小、適于熱力循環的獨特性質，再加上二氧化碳臨界溫度和壓力較低，遠遠低于水的臨界點，化學性質穩定，工程可實現性較好，可在接近室溫條件下達到超臨界狀態，使超臨界二氧化碳稱為理想的熱力循環工質。
二氧化碳的臨界點溫度約為攝氏31度，壓力約為7.8MPa（78個大氣壓），將二氧化碳加壓加溫到這個臨界點壓力和溫度之上就能得到超臨界二氧化碳 （sco2）。在接近臨界點時，sco2具有接近液態的密度和比熱容，但其粘性接近于氣態。如果將其用來做動力循環的工質，如朗肯循環和布雷頓循環，它能夠在很小的體積內傳遞很大的能量。
超臨界二氧化碳發電技術
sco2工質的優異性
例如同樣300MW的額定發電功率，以sco2為工質的膨脹機的體積是以水蒸氣為工質的蒸汽輪機的1/100.由于sco2 在傳遞能量方面的優異特性，將它用于動力循環中能顯著提高循效率。2004年，MIT的Dostal等人計算了將sco2用于下一代核反應堆的可行性，結果表明，采用一級再壓縮和兩級回熱的sco2布雷頓循環，在熱源溫度650度，壓比超過3時熱功率轉換效率>50%。
展開 通過使用閉式循環高壓超臨界二氧化碳（sCO2）再壓縮循環操作入口溫度高于1023K的渦輪機，而不是使用入口溫度低于823K的常規循環渦輪機，相對熱量 - 電力轉換效率可提高20％以上。然而，閉式循環高壓sCO2渦輪系統的入口溫度受緊湊熱交換器的熱機械性能的限制。 相對于目前的金屬合金基換熱器，本文提供一種可以經濟地制造具有增強的高溫破壞強度，導熱性和耐腐蝕性的換熱器材料。
【成果簡介】
美國普渡大學K. H. Sandhage（通訊作者）在Nature上發表一篇題為“Ceramic–metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants”的文章。本文提供了一種新的ZrC/W復合材料，用于印刷電路型熱交換器（>1023K）。并且提供了一種經濟的制造該復合材料的方法。可通過多孔碳化鎢板的形狀和尺寸保持化學轉化，制造具有可調通道圖案的ZrC/W基換熱板，實現在1073K時表現出超過350MPa的破壞強度，并且在該溫度下熱導率值比鐵或鎳基合金的熱導率值高兩到三倍。通過將銅層粘合到復合材料表面并向sCO2中添加50ppm的一氧化碳，實現了在1023K和20MPa下對sCO2的耐腐蝕性。
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2004年，MIT的Dostal等人計算了將sco2用于下一代核反應堆的可行性，結果表明，采用一級再壓縮和兩級回熱的sco2布雷頓循環，在熱源溫度650度，壓比超過3時熱功率轉換效率>50%。
在2015年IGTC日本大會上，SoftInWay Inc.發表了一篇論文“利用復合sCO2循環對燃氣輪機排熱回收進行評估”。本文考慮了特定中功率燃氣輪機的不同底部sCO2循環的組合。它主要研究了不同類型的sCO2循環在利用GTU余熱增加發電量方面的優勢。
本文是在此基礎上進行的進一步研究，因此，從前一篇論文中選擇熱力循環方案2[6]作為本論文的sCO2底部PGU布局，以進行后續分析。
圖3 – AxSTREAM設計的離心壓縮機的2D和3D幾何結果
透平設計考慮事項
sCO2循環中的高溫組件在與超超臨界蒸汽輪機相似的溫度下運行，并且蒸汽應用中的合金材料的大部分研究結果都適用于sCO2循環。 對于在接近或超過700°C的高溫下運行的sCO2透平，其設計受蠕變限制，需要鎳基合金才能獲得足夠的蠕變強度。 圖4中比較了適用于sCO2應用的不同材料。
sCO2也被認為是一種安全的介質，其資源十分充足且使用收益高，因此，從效率和成本角度來看，sCO2發電有潛力取代蒸汽發電。
本文對用于廢熱回收應用的新型sCO2軸流透平設計進行了探索，文中基于10兆瓦的案例進行介紹。
通過將銅層粘合到復合材料表面并向sCO2中添加50ppm的一氧化碳，實現了在1023K和20MPa下對sCO2的耐腐蝕性。
