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一种超临界CO2布雷顿循环运行分析
摘要：Sandia国家实验室正在研究先进的使用超临界工作液的布雷顿循环，其使用太阳能，核能和化石热源。这项工作的重点在于超临界CO2循环（S-CO2），它具有使热源在一定的温度范围内高效率工作的潜力，体积也很紧凑，具有较低的资本成本的潜力。这些先进循环发展的第一步是建设一个小规模的布雷顿循环回路，通过实验室的定向研究与开发，研究压缩二氧化碳的临界点附近的关键问题。本文件概述了小规模的回路设计，介绍了主要成分，提出了模型的系统性能，包括损失、泄漏、偏差、压缩机的性能，和流程图的预测，最后介绍了已生成的实验结果。
专业术语
ASME American Society of Mechanical Engineers 美国机械工程师学会
BNI Barber-Nichols Incorporated Barber Nichols公司
BWR Boiling Water Reactor 沸水反应堆
DOE Department of Energy 能源部
FEA Finite Element Analysis 有限元分析
GenIV Generation IV International Forum 第四代国际论坛
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极晶体管
KAPL Knolls Atomic Power lab 原子能实验室
LDRD Laboratory Directed Research amp; Development 实验室的定向研究与开发
MAWP Maximum Allowable Working Pressure 最大允许工作压力
MCFV Main-Compressor-Flow-Valve 主压缩机流量阀
NASA National Aeronautics and Space Administration 国家航空航天局
NIST National Institute of Standards and Technology 国家标准与技术研究所
NRC Nuclear Regulatory Commission 核管理委员会
OD Outside Diameter 外径
PID Proportional–Integral–Derivative 比例-积分-导数
PWR Pressurized Water Reactor 加压水反应堆
Refprop NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database
NIST参考流体的热力学性质和输运性质数据库
RPCSIM Reactor Power and Control SIMulation code 无限释放反应堆功率控制仿真代码
RTD Resistance Temperature Detectors 电阻温度探测器
S-CO2 Supercritical Carbon Dioxide 超临界二氧化碳
SCR Silicon Controlled Rectifier 可控硅整流器
SNL Sandia National Laboratories 桑迪亚国家实验室
TAC Turbo-Alternator-Compressor 压缩机涡轮交流发电机
TRACE TRAC/RELAP Advanced Computational Engine TRAC /程序先进计算引擎
T-D Temperature-Density 温度密度
T-S Temperature-Entropy 温熵
- 简介
Sandia国家实验室正在研究先进的使用超临界流体的布雷顿循环，其使用太阳能，核能和化石热源。这项工作的重点在于超临界CO2循环（S-CO2），它具有使热源在一定的温度范围内的高效率工作的潜力，体积也很紧凑，具有较低的资本成本的潜力。这些先进循环发展的第一步是建设一个小规模的布雷顿循环回路，通过实验室的定向研究与开发，研究压缩二氧化碳的临界点附近的关键问题。小规模的回路采用模块化和可重构硬件，形成了测试回路的主要特点和超临界布雷顿循环的技术特征所必要的循环配置需要。本文件概述了小规模的回路设计，介绍了主要元件，提出了系统模型和压缩机的性能，并介绍了实验结果。
我们充分了解了过去对S-CO2布雷顿循环所做的研究（Dostal，2004；龚，2006）。在进行S-CO2研究之前，SNL（桑迪亚国家重点实验室）进行低压力闭式Brayton循环的实验研究；莱特，2006）。本实验提出了闭式Brayton循环的基本工作原理，并致力于建立一个高压S-CO2布雷顿循环。
实验努力做到硬件集中，并要求涡轮增压器压缩机技术的发展，使得其能够在超高功率密度，高速度，高压力，高流体密度下操作超临界CO2。为了开发S-CO2压缩和Brayton循环试验回路的规格、部件设计，由Sandia和barbernichols公司（BNI）对部件和系统设计进行了研究。
这些循环的关键部分是汽轮发电机机组（TAC）和它的设计中使用的技术。在其最终的配置中，TAC使用了气浮轴承，高速永磁电机/发电机和迷宫气封降低转子腔压力。由于极高的功率密度和流体的密度，Sandia申请TAC设计技术发展。早期的试验都集中在测量泄漏率，风阻损失，平衡轴向力和压缩机的性能特性的测量。许多早期的测试为了及早测试并尽量减少气浮轴承发展风险都使用球轴承（有限寿命），而不是气浮轴承。
SNL正在发展（gt; 10兆瓦）S-CO2布雷顿循环的各种电气生产方案。作为一个阶段性发展计划的第一步，Sandia承包了这一专门的小涡轮机械公司（Barber Nichols，2008），进行详细设计，制造，和S-CO2压缩环组装。这种早期的Sandia S-CO2压缩环的目的是研究临界点附近的临界布雷顿循环的稳定与控制问题（Wright，2008）。S-CO2循环的制造和装配于2008五月完成。该设备的测试和调试阶段到2009年结束。本文总结了涡轮机的性能特点和该实验环节的操作特性。
报告首先总结设计、组件的状态，并预计了SCO2回路的表现。下一节描述了超临界布雷顿循环的主要组成。每个组成部分包括组件的描述和其预期的运行特点，用工程设计图纸和照片说明这个组件的设计制作，组件使用SNL的和BNI的稳态和动态设计与分析程序所测得的数据进行了详细的分析。分析部分包括对损失、泄漏、偏差、压缩机的性能的预测和测量，压缩机进气温度和压力的控制性能，流程图的预测和测量。在超临界CO2的试验中，能够预测操作性能的验证模型的发展是十分重要的。许多模型和拟合可用于空气和蒸汽，但关于超临界流体只存在很少的数据，所以开发和验证模型是执行这些测试的主要目的之一。本报告的最后部分介绍了已经利用S-CO2压缩和Brayton循环实验的结果。本报告包括开发，操作和控制实验和结果的总结。更多的细节见于S-CO2布雷顿团队所述的报告中。下面列出一些报告，并在参考部分中详细说明。
- 小规模CO2布雷顿循环示范项目状态报告（2007）
- 超临界CO2布雷顿循环在临界点附近的压缩和控制（2008）
- 初始状态和超临界CO2布雷顿循环测试循环试验结果（2008）
- 第四代超临界CO2分流压气机试验回路设计（2008）
- CO2临界点附近的超临界CO2压缩机运行分析（2008）
- 第四代S-CO2布雷顿循环回路设计和分流S-CO2压缩机测试环路施工说明（2009）
- 超临界CO2压缩回路运行及试验结果（2009）
- 带有透平的布雷顿循环操作和测试结果（2009）
- 超临界CO2试验回路操作及第一次试验结果（2009）
- 超临界CO2布雷顿循环发电发展计划和初步的试验结果（2009）
- 超临界CO2压缩试验回路的总结
桑迪亚国家实验室和承包商的巴伯-尼克尔斯公司（Barber Nichols，2008）为探索与这个实验循环相关的关键技术问题已经制造并正在运行的超临界CO2（S-CO2）压缩试验回路。对于超临界布雷顿循环的关键问题包括压缩机流体性能的基本问题和系统在临界点附近的控制。在临界点附近对非理想流体的观察表面压缩机性能的标准模型不能使用。因此，该项目的目标之一是开发可以用来验证所使用的工具和设计的涡轮机模型的数据。对其他相关技术问题也进行了研究，包括轴承，推力载荷，轴承冷却，密封技术，和转子风阻损失。
从测试到目前为止，涡轮机的最大转速已经达到了65000转，峰值流速超过4.1公斤/秒（9磅/秒），压力比超过1.65，在压缩机入口密度接近水密度的70%。这些测试的数据表明，压缩回路的基本的设计和性能预测是健全的。在饱和曲线的液体和蒸汽侧的压缩回路中操作涡轮压缩机，非常接近临界点，在临界点以上，甚至在饱和曲线上。甚至在阻流和湍流时操作压缩机，也能满足要求。在当前的工作速度和压力，所观察到的性能图和数据较好的吻合预测模型，并在本报告中列出了结果。这些结果对S-CO2循环的最终成功产生了积极的影响。
2.1 S-CO2压缩试验回路和硬件
图2-1所示，一个工程超临界压缩试验回路图。实验回路座落在约2mtimes;3m的台架上，包含一个电机驱动的离心压缩机，其电动机/交流发电机控制器、流量计孔板，和压降孔、管壳气体制冷机，和各种压缩机和管道来控制转子腔压力以降低风阻损失并允许填充和清扫操作。该循环是模块化和可重构的，它能够使测试分阶段进行，且其硬件可使用两到三年。
图2-1：超临界CO2压缩测试循环工程图
包括冷却水循环的压缩环示意图如图2-2所示。图中还显示了基于热力学循环分析的组件的温度，压力，流量，和功率。“压缩”循环由一个电机驱动的离心式压缩机（~50千瓦），流量计（位于压缩机后），压降孔（在涡轮的后方），和气体冷却器（50千瓦）组成。在这个循环压缩机的设计主要是用来在75000转和1.8的压力比和3.5公斤/秒这些工况下操作。这些操作条件将用于代表所有后续的S-CO2布雷顿循环压缩机。值得注意的是，整个50千瓦的加热器功率通过气体冷却器，但通过设计流量3.5公斤/秒的气体冷却器的温度差仅为0.7 K。在这么大的热交换中所存在的小的温度变化是对临界点附近CO2非理想特性的反应，也说明了一些控制方面的问题。
这个超临界压缩环的关键部件是电机驱动的压缩机单元，图2-3所示为一个工程图。电机驱动压缩机组的第一代配置使用滚动球轴承。这允许通过负载单元测量推力负荷。球轴承有着20小时到2000小时的有限的寿命，其寿命取决于推力负荷。在2009年五月完成了气浮轴承的转换。
S-CO2压缩回路的简单示意图如图2-4所示。图的左侧为电机控制系统的一部分。数据采集与控制系统置于一个台架上，且涡轮机位于数据采集计算机的上方。在图像后面的蓝色大罐是50千瓦的管壳式螺旋板换热器。水冷却器最初是由PVC管材制成，后来被改变为铜管。
图2-2：50 kWe电机在75000转,3.51kg/s流量驱动离心式压缩机的超临界压缩回路示意图
鉴于自2008年6月以来，具有不同的配置选择S-CO2压缩试验循环已经超过80个测试。2009年5月，气浮轴承也安装并运行。它已被证明是一个非常灵活的，强大的，有价值的工具，这引起了人们对S-CO2压缩循环试验的广泛的兴趣和独立的资金注入。
图2-3：采用电机驱动的CO2压缩机示意图。这种配置采用球轴承且没有涡轮。
图2-4：2008年夏桑迪亚 S-CO2压缩试验循环实物图。
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带有透平和加热器的超临界CO2的布雷顿循环及涡轮机<!--
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