英语原文共 15 页
2017年美国机械工程师协会涡轮展论文合集：
涡轮机械技术会议博览会
GT2017
美国北卡罗来纳州夏洛特，2017年6月26-30日
GT2017-63279
超临界二氧化碳的动力循环和测试数据的比较
瓦姆希·K·阿瓦达努拉 蒂莫西·J·霍尔德
回声震源的电力系统股份有限公司 回声震源电力系统股份有限公司
阿克伦，俄亥俄州，美国 阿克伦，俄亥俄州，美国
摘要
利用隐式一维Navier-Stokes求解器，建立了商用7.3mWe-Sco2功率循环的瞬态模型。动力循环经过了广泛的工厂测试，验证了部件和系统性能，以及控制系统的设计和性能。该模型结构模拟了动力循环的测试配置，主要部件包括水冷式排热换热器、涡轮驱动压缩机、回热器、一次换热器、动力涡轮机、齿轮箱和发电机。开发子系统模型以验证单个部件（压缩机、驱动涡轮机、动力涡轮机、热交换器等）。根据设计数据建立性能模型。然后将组件模型组装到完整的系统模型中。对于系统瞬态仿真，输入参数（或边界条件）取自试验数据。目前的瞬态模拟中使用了超过8小时的试验数据。仿真结果包括热力学状态点、元件性能和系统性能，并与相应的试验数据进行了比较。
命名法
dhs=等熵焓变
dp=压力上升
cv=阀门流量系数
n＝转速
p=压力
T=温度
W=质量流量
Z=压缩系数
gamma;=等熵膨胀系数
eta;s=等熵效率
eta;p=泵等熵效率
Phi;=流量系数
psi;=水头上升系数
下标
A=实际
c=校正
介绍
超临界二氧化碳（sco2）动力循环比传统的蒸汽朗肯循环有几个优点，包括更高的效率、更低的资本和运营成本，以及无水运行[1-3]。此外，与蒸汽系统相比，涡轮机械的小型物理尺寸有望促进对边界条件变化（例如热源输入或负荷需求信号）的更快响应。由于SCO2动力循环的物理占地面积较小（10mWe系统可由卡车运输），它可以有效地与许多应用相结合，如核能、太阳能、废热和废气回收以及化石燃料发电厂的底部循环。为了确定改进可操作性的潜力，并为这些系统定义最佳操作和控制方法，需要综合的基于物理的瞬态模型。虽然已经发布了一些早期的建模结果，但实际的系统操作数据仅限于实验室规模的设备。然而，最近的进展[4]导致了第一个兆瓦级的SCO2电力循环的设计、制造和测试，使新的数据集可用于开发和验证这类模型。
测试配置
EPS100是一个名义上7.3mWe净功率的SCO2动力循环，设计用于商业运行，利用20-25mWe燃气轮机的余热作为热源。参考文献[5]中描述了生产周期配置的详细信息，以及能够从同一热源获得9mwe以上功率的升级版本的详细信息。在生产配置中，EPS100使用一个与齿轮箱驱动的同步发电机相连的恒速“动力”涡轮机来发电，以及一个单独的变速涡轮压缩机来提供高压二氧化碳来运行循环。两个回热器通过预热工作流体，结合一套“一次”换热器，将热量从外部源传递到工作流体，然后驱动两个涡轮机，从涡轮机排气中回收残余热。两个涡轮在相同的压力比下运行，但是连接到压缩机（驱动涡轮）的涡轮使用的是较低的温度流体。正是这种顺序热添加和回收阶段以及部分低温流体膨胀的组合，使得可变热容量工作流体与几乎恒定的热容量排气热源实现最佳耦合。
为了进行工厂测试，EPS100被重新配置为“简单的再调理”配置，其中一个再调理器被用作主换热器，设施蒸汽供应作为热源（图1）。两台涡轮机连接到相同的温度流体，并添加了一个单独的节流阀（FCV41），以允许对动力涡轮机进行独立控制。注意，由于可用蒸汽温度较低，涡轮进口温度限制在约265°C。该温度足以在满负荷条件下运行驱动涡轮机，但设计入口温度为485°C的动力涡轮机仅限于轴功率的约4mw。
几个相互关联的控制回路提供了系统的稳定运行，并对边界条件和系统运行状态的指令变化作出响应。在生产服务中，同步发电机将连接到本地或公用电网，然后为动力涡轮机提供速度稳定。在工厂测试中，循环产生的电力被电阻式空冷负荷组耗散。因此，动力涡轮机速度控制由控制系统提供，如下一节所述。压缩机旁路阀（PCV2）控制涡轮压缩机的转速，从而影响压缩机的流量和压力上升。动力涡轮机的速度由旁路（TCv3）和节流（FCv41）阀以及手动操作的负载组阻力的组合控制。最后，库存控制系统将工作流体进出一次流回路，以主动控制压缩机进口压力[6]。涡轮压缩机使用由压缩机排气提供的流体静力学二氧化碳支撑轴承。一个小控制阀（PCV11）用于调节流向这些轴承的二氧化碳流量。这些控制回路之间复杂的相互关系影响着整个电力循环的可操作性和控制。例如，压缩机旁路回路影响压缩机的出口压力，这直接影响两台涡轮机（包括驱动压缩机的涡轮机）的进口压力。因此，涡轮压缩机转速的扰动传播到动力涡轮转速控制和涡轮压缩机工作平衡（驱动涡轮工作相对于压缩机工作）。后一种效应会产生不稳定的反馈回路，只有通过控制系统的动作才能稳定。同样，动力涡轮机负载的扰动也会导致动力涡轮机速度偏离其设定点。控制系统的作用是调节动力涡轮节流阀以保持速度。这种调制会影响整个系统的流量特性，从而影响压缩机的负荷，进而影响涡轮压缩机的转速。
这些控制回路的复杂相互作用会导致偏离预定操作点，并且适当地调整它们是耗时的。正常的控制调节方法需要对控制输入进行显著的扰动，并监测系统的响应。如果响应无法控制，这些干扰可能会使系统处于危险状态，或者使操作点处于不可接受的状态。因此，一个准确的、基于物理的系统模型可以对设计、改进和调整控制算法提供宝贵的帮助。
模型配置
模型结构模拟了GT-Suite[7]系统仿真软件平台上EPS100功率循环的测试配置。GT-Suite是一个一维工程系统仿真软件，具有分析机械、流量、热、电磁和控制系统的工具。在流动模拟（目前的工作）中，GT-SUITE沿流动分量求解一维Navier-Stokes方程，并使用压力、连续性和能量残差检查解的收敛性。这些模型是基于GT-Suite提供的和/或用户定义的组件模板构建的。组件模板可以使用制造商数据和/或测试数据来校准组件。然后，可以使用子系统边界条件对单个组件进行模拟和验证，然后再将其纳入完整的系统模型中。这些组件模板由管道组件连接以构建完整的系统模型。GT-SUITE使用NIST RefProp[8]计算流体热性能和输送性能。
图2显示了带有排热换热器、涡轮压缩机、回热器、目标热添加部件、动力涡轮机、齿轮箱和发电机的SCO2功率循环模型配置。在将单个组件模型组装成完整的系统模型之前，首先构建它们并根据测试数据进行验证。此过程将通过下面的回热器示例进行详细说明，并适用于许多其他组件。
图1的试验配置与图2的模型配置的主要区别在于：（i）在试验过程中，回热器和水冷式排热器都是印刷电路换热器（PCHE）[9]。但模拟为板式换热器（phe），（ii）模型中压缩机入口的流体分支处装有活塞蓄能器，为了模拟主动库存控制系统（ICS），（iii）该模型还未包含动力涡轮机旁路阀（TCV3）。这种简化的PCHE和ICS建模方法在实现本文的目标时不应对系统动力学产生任何重大影响。TCv3的缺失限制了可以建模为TCv3关闭（或接近关闭）的条件的范围。
换热器型号
显示单独的回热器模型。回热器是PCHE，但模拟为PHE，增加了传热面积乘数，以说明PCHE几何结构的高效性。回热器是PCHE，但为了方便起见，在GT-SUITE中使用内置的PHE模型进行了模拟。从传热和压力损失的角度来看，PCHES和PHE具有非常相似的控制方程，因为它们都是主要的逆流几何，并且流体流动在湍流状态下良好。因此，可以通过增加传热面积倍增器来模拟PCHE，以说明相对于传统的PHE，通道尺寸较小。将传热过程离散为25个子体积，以说明随着换热器长度的温度和压力的变化，流体性质的变化。热交换器的热质量等于实际热交换器的物理质量乘以316L不锈钢材料的平均热容量。
将传热过程模拟为一系列热阻。根据经典的Dittus-Boelter关联式和变系数建立了基础传热系数模型，两种流体之间具有简单的一维热传导阻力。回热器模型使用从测试数据中获取的稳态数据点的子集进行校准。校准过程利用测量的流体流量、入口温度、入口和出口压力以及总传热率。利用这些信息，软件调整传热系数和压降系数，以最佳匹配提供的数据。
建立了PCHE水冷排热换热器（HRHX）模型，并与回热器进行了相似的验证。由于EPS100设计为在超临界和跨临界（冷凝）模式下运行，因此将HRHX模拟为二氧化碳侧的两相换热器。对于单相传热，采用Dittus-Boelter关联式，而Yan等人的关联式。[10]用于冷凝传热。
采用包括换热器和入口的子组件模型对标定过程进行了验证条件。模型出口条件如图4所示，是测量出口条件的函数。可以看出，这种一致性是很好的，对回热器和HRHX的总传热率的加权回归误差分别为0.51%和0.27%。由于蒸汽冷凝过程和控制的复杂性，以及蒸汽-二氧化碳热交换器不是生产配置的一部分，因此该部件没有使用详细的热交换器模型。相反，作为边界条件，对换热器出口处的二氧化碳流量施加了目标温度。出于建模目的，该温度取自测量数据。
涡轮机械：涡轮和压缩机模型
涡轮机械图被用来模拟压缩机、驱动涡轮机和动力涡轮机。涡轮机械的气动性能是用二维图来模拟的，二维图是从设计点和非设计条件下部件的平均线流量分析中得出的。瞬态模拟使用这些图通过以下关系预测涡轮的流量和效率：
wc = fw(Nc, dhsc) (1)
eta;s = feta;(Nc, dhsc) (2)
Nc = fN(N, gamma;, Z, T) (3)
dhsc = fdh(dhsa, gamma;, Z, p) (4)
wc = f2(w, gamma;, Z, T, p) (5)
涡轮图作为修正质量流量和等熵效率的二维表，以修正速度和焓变的形式提供。涡轮机示意图的示例如图5所示。这些图在模型中被实现为二维表格，然后根据每个步骤的当前操作条件线性插值。涡轮机械、变速箱和发电机的力学模型采用经典转动惯量公式建立了瞬态仿真的角动量守恒方程。机械损失是根据涡轮轴承、齿轮箱和发电机的制造商数据建模的。轴承和齿轮箱损耗是动力涡轮机转速的函数，发电机损耗是动力涡轮机转速和动力涡轮机负荷的函数。压缩机性能图与涡轮图的推导方式类似，使用平均线代码计算来计算压头上升和效率。该图是以流量系数和进口流体温度为主要相关变量的二维表格。
eta;p = feta;p(Phi;, T) (6)
Psi; = fPsi;(Phi;, T) (7)
流量和压力上升对速度的依赖被纳入上述系数的定义中。这个仿真采用线性插值法计算各时间步的效率和水头上升系数。
阀门和控制系统型号
将控制阀模拟为可变面积节流孔。为了进行比较，根据制造商提供的Cv曲线，将阀门位置转换为等效面积，作为开启百分比的函数。阀门位置由控制系统的动作决定，如下所述。
模拟控制回路设计用于复制测试配置中实现的控制系统，基本回路结构如前所述，如图2所示。控制回路遵循基本的比例积分配置，测量参数用作反馈变量，以驱动控制变量的行为。图6所示为一个示例，它描述了动力涡轮机速度控制回路。测量的涡轮转速与操作员提供的转速设定值进行比较。测量速度和设定点速度之间的差异用于使用经典比例积分（PI）公式修改节流阀位置，比例增益和积分时间由操作员定义。调节控制系统的大部分过程包括修改这些参数以获得系统对干扰的最佳响应时间，同时保持完全稳定的运行。为了进行模型控制系统的整定，以进口温度、压力和出口压力作为边界条件，对带动力涡轮节流阀的隔离动力传动系回路进行了仿真。采用子模型仿真的方法，逐步改变节流阀的位置，并记录了动力涡轮转速响应。利用该信息，假设阀门具有一阶线性特性，确定了控制回路的最佳比例增益和积分增益。对压缩机旁路阀控制回路PI增益采用了类似的方法。
压缩机进口压力由库存管理控制。代替包含库存控制系统（ICS）内部工作的完整模型，采用简化方法。活塞蓄能器包括在压缩机进口的流体分支处。蓄能器压力设置为测得的压缩机进口压力。为了将系统压力保持在测量值，通过与活塞式蓄能器的连接从主油液回路中注入或抽出油液。模型中不包括控制算法的细节，但复制了适当的物理行为。该模型的未来版本将包括对集成电路和控制算法的更完整描述。
综上所述，对于全系统模型，边界条件为冷却水供水温度和流量、一次换热器二氧化碳出口温度和发电机负荷。此外，控制参数设定点（涡轮压缩机转速、动力涡轮转速和压缩机进口压力）作为瞬态模型的输入。对于系统瞬态仿真，这些输入参数取自试验数据。仿真结果包括热力学状态点、元件性能和系统性能，并与相应的试验数据进行了比较。
瞬态仿真结果
瞬态模拟基于在一系列工厂试验期间收集的数据，以评估操作、控制。和性能[4
资料编号：[3392]
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