基于超临界CO2的布雷顿循环发电系统设计

论文总字数：26338字

摘 要

超临界二氧化碳（SCO₂）作为一种高效无污染的清洁运行工质引起了众多学者的关注，超临界二氧化碳布雷顿循环因其热效率高、体积小，被看作是下一代核电、火电、太阳能热发电等系统中最有潜力工质和循环方式，具有很好的应用前景。

超临界二氧化碳布雷顿循环除简单回热循环以外具有多种衍生布局。故本文选择工业流程模拟软件Aspen plus，选择合适的超临界二氧化碳的物性模型后进行建模计算与参数比较。

本文在总结国内外利用超临界二氧化碳开展热力循环发电系统的技术方案及工艺流程基础上，确立超临界二氧化碳布雷顿循环主要模型对比组。随后对模拟软件中的常见物性进行了合理的对比与适用性分析，选择了对于超临界二氧化碳计算最准确的REFPROP物性模型。然后通过Aspen plus中的过程模拟计算，分析比较典型的超临界二氧化碳 Brayton循环，回热式和再压缩分流循环。计算结果表明，再压缩分流循环效率最高。最后，实施了局部变量法，对于再压缩的超临界二氧化碳 Brayton循环，用数据信超临界二氧化碳息作图分析了涡轮入口温度，压缩分流系数和冷却器出口温度对其效率的影响。这也为超临界二氧化碳 Brayton循环的参数影响分析和超临界二氧化碳 Brayton类型发电的优化提供了参考。

关键词：Aspen plus；超临界二氧化碳布雷顿循环；流程模拟；参数分析

ABSTRACT

High efficiency, low pollution and high economy are the advantages of SCO₂ Brayton cycle. It can be applied to the industrial field after careful investigation.

However, there are many configurations of supercritical carbon dioxide Brayton cycle. Because of the lack of a unified supercritical carbon dioxide calculation model, scholars still use the traditional thermodynamic calculation model, which can not guarantee the accuracy of the calculation results, but also increase the workload of researchers. So this paper chooses Aspen plus, an industrial process simulation software, and chooses a physical model suitable for supercritical carbon dioxide, then carries out modeling calculation and parameter comparison.

Firstly, after summarizing the technical scheme and process flow of thermal cycle power generation system using supercritical carbon dioxide in China and abroad, this paper establishes the main model comparison group in the industrial process simulation software Aspen plus. The common physical properties in the simulation software were compared and analyzed reasonably. The most accurate REFPROP physical properties model for calculating supercritical carbon dioxide was selected. Then through the process simulation calculation in Aspen plus, the typical carbon dioxide Brayton cycle, the regenerated carbon dioxide Brayton cycle and the recompression carbon dioxide Brayton cycle are analyzed and compared. Finally, by controlling local variables, the effects of turbine inlet temperature, compression shunt coefficient and condenser outlet temperature on the efficiency of the recompression supercritical carbon dioxide Brayton cycle are given. It also provides a reference for the layout optimization method of supercritical carbon dioxide Brayton cycle and the optimization of the same type of power generation cycle.

Key words: Aspen plus; SCO2 Brayton cycle; process simulation; parameter analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状及趋势 4

1.3本文主要工作 6

第二章 Aspen plus模拟软件及其对于本课题的应用 8

2.1 Aspen plus软件简介 8

2.2 循环物性模型及关键点参数选取 9

2.3 各组件建模模型及参数设置 10

2.3.1冷却器 11

2.3.2 燃烧室 12

2.3.3 压缩机 13

2.3.4 涡轮 14

2.3.5 换热器 15

2.4 本章小结 16

第三章 整体循环布局对比及效率初算 17

3.1 典型循环 17

3.2 回热循环 18

3.3 再压缩循环 20

3.4 本章小结 21

第四章 再压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环参数研究 23

4.1 再压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环模型的选取与建立 23

4.2 模型可行性验证 23

4.3 各参数对循环效率的影响 24

4.3.1 涡轮入口温度 25

4.3.2 压缩分流系数 26

4.3.3 冷却器出口温度 27

4.4 本章小结 28

结 论 29

致 谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1研究背景

二十一世纪是核心科技的竞争，随着中美贸易论坛的愈演愈烈，我们更加意识到，各个国家对自己本国核心科技的投入和需求。而从历史的发展来看，电力资源作为工业里各行各业的发展基础，一直以来都是走在整体发展的前列，这也证明了开拓电力资源生产方法的重要性。而随着习总书记提出打造新世纪丝绸之路的理念，产能走向全世界成为我国进一步发展的措施之一。目前中国已经在菲律宾、巴西、葡萄牙、澳大利亚、意大利、希腊、中国香港等多个国家和地区建成基础的发电设施。而拥有世界前列的发电技术无疑是中国走向全世界的又一张名片。

随着能源环境与可持续发展大会的顺利召开，能源成为世界瞩目的议题，越来越多的国家和地区意识到能源是发展其经济的动力源泉，能源类型的不断更新和能源技术的不断发展是推动社会进步的重要因素之一。^[1]进入二十一世纪以来，各国经济的发展总体呈现繁荣向上的趋势，这也代表着能源的消耗量与需求量在不断增长，及时提供发展所需能源的能力已成为经济进一步发展的重要因素。

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