超临界二氧化碳循环和叶轮机设计的思考
超临界二氧化碳循环和叶轮机设计的思考
David Schowalter 博士，Concepts NREC，2022年11月
摘要
超临界二氧化碳发电系统有很多优点，包括缩小机组尺寸和降低成本。高度非线性的流体特性使得针对特定应用的独特循环的开发成为可能。然而，这些流体特性只是设计超临界二氧化碳发电系统的挑战之一。其他的挑战包括机械应力的增加、更小的制造公差和次级气路的控制。
减少超临界二氧化碳带来的风险是项目成功的关键因素。首先，特别需要注意的是，用于循环和组件设计的工具需要能解决非线性流体的物性问题。另外，如稳定性、控制、大推力和转子动力学等机械方面的因素也必须考虑在内。最后，充分的测试将一直发挥作用。在设计和开发过程中尽早解决这些问题，将提高超临界二氧化碳应用成功的可能性。
介绍
近年来，用于将热能转化为机械能和电能的超临界二氧化碳循环获得了发电团体及政府科研、投资机构的关注。超临界二氧化碳循环的理论效率远高于目前其它使用的布雷顿循环和朗肯循环。针对高温系统(如先进的核反应堆或聚光太阳能热发电)尤其如此。针对化石燃料，采用超临界二氧化碳循环也使得降低成本和水耗、减少占用的空间、提高效率都成为可能。
尽管超临界二氧化碳循环前景光明，但仍有重大的技术挑战有待解决。考虑到来自工业的兴趣，对于那些研究系统可行性和设计的人来说，了解超临界二氧化碳系统的优点和挑战并了解一些解决这些问题的方法是非常有帮助的。
超临界二氧化碳和相关系统的特点
超临界二氧化碳系统的工作原理与布雷顿循环相同，但运行在工质二氧化碳的临界点之上。这带来了一系列独特的优点和挑战。这些优点和挑战如下所示，它们在文献中有详细的介绍，读者可能非常熟悉。
优点
超临界二氧化碳系统的一个主要优点是可以以极高的热效率运行。为了达到最高效率，系统必须在很高的热源温度下运行（通常超过700℃）。这样的高温可以在先进的核反应堆和聚光太阳能热发电的应用中实现。因此超临界二氧化碳已被考虑应用在这些场景中。超临界系统的另一个主要优点是工质的高功率密度。这导致用于二氧化碳的涡轮和压缩机相比汽轮机和天然气燃气轮机有更小的尺寸，使得超临界二氧化碳也可应用于传统热力系统(尽管温度低得多)。一般来说，对于相同的功率输出，针对超临界二氧化碳系统的设备尺寸约是针对蒸汽系统的设备尺寸的十分之一。理论上，这将极大地降低材料成本和制造成本。超临界二氧化碳还有一个优点是与其它工质相比它的粘度低得多，这可以使得叶轮附加损失降低，从而进一步提高叶轮效率。
超临界二氧化碳甚至可用于废热回收。这些废热回收中的热变化比化石燃料系统更小。在这些应用中，其他工质，如用于有机朗肯循环（ORC）中的工质往往是昂贵和有毒的。而二氧化碳则没有这两个缺点。
综上所述，超临界二氧化碳系统的主要优点包括：
· 热效率高
· 体积小/功率密度高
· 机械效率高
· 低毒性
· 工质的可用性
挑战
要实现整个系统的最高效率要求很高的压力，这将导致巨大的机械力和应力。针对所有压力屏障的壁面厚度需要大大增加；在叶轮机中的二次流的管理成为重点。考虑到高转速下叶轮尺寸更小以及更小心控制二次流的需要，制造公差将必然变得更小。
因此，对于超临界二氧化碳系统的主要挑战为：
· 次级气路的控制
· 严格的零件公差
· 巨大的机械力和应力
循环设计
一个基于热回收的超临界二氧化碳循环的典型布雷顿循环如下图1所示。与所有布雷顿循环一样，来自压缩和供热的能量被一个单相涡轮回收。整个循环使用了一个主压缩机和循环压缩机。这两个压缩机配有低温和高温换热器。该循环利用了在压力和温度相对变化较小时，超临界二氧化碳单相密度的巨大变化。
图1 基于热回收的超临界二氧化碳循环的布雷顿循环
“科普小课堂”
特殊的超临界二氧化碳循环：碳封存
‘’ 一种消除化石燃料燃烧产生的碳排放的方式是：捕获二氧化碳并将它们封存起来，通常是深地质储存。然而，这样做需要对捕获的二氧化碳进行大量压缩。这将给发电厂带来很高的寄生负荷（高达10%~15%）。
解决这一问题的方法是在超临界二氧化碳循环中使用捕获的二氧化碳，该循环与变压吸收(PSA)碳捕获过程热相关。这可以减少捕获和封存过程所需的净功率降低30%到40%。(DiBella, 2022) ‘’
虽然用于超临界二氧化碳循环的叶轮机很小，但循环中需要的换热器往往很大。这一点在空间受限时必须重点考虑，例如在将该系统用于运输领域中。循环效率很大程度上取决于涡轮进口的温度。而为了让涡轮入口温度达到最大，就要求换热器的效率很高或者换热器的尺寸很大。注意，这里实际上存在一个权衡。提升涡轮和压缩机的效率可以使用更小的换热器。研究表明，高温回热器尺寸增加50%的效果等同于压缩机和涡轮效率提升4%（DiBella & Pasch, 2018）。
也可能有特别的机会使用先进技术来取代循环压缩机和额外的换热器。例如，一项研究（DiBella, 2015）表明，一个循环可以直接布置热电发电机。该热电发电机能从某些金属的温差直接产生电流（本质上与半导体的技术相同）。研究表明：在一个从船用燃气轮机中回收废热的换热器中使用这些设备，能在低负荷运行时提高20%的效率。
无论什么应用，那些超临界二氧化碳系统相关组件（叶轮机、换热器等）要求的设计点将基于热力学循环的设计初步确定。设计目标可能包括热电转化效率和/或一个能保证系统具有成本效益和运行可行性的运行范围。初期，可对单个组件的性能进行符合实际的假设，以便评估循环构想。最终，这些假设可以被更复杂的模型和/或经验性能数据所取代。因此，循环和组件的设计成为一个不断优化的迭代过程。拥有一个循环设计工具可以使得整个设计迭代过程更高效。这个循环设计工具应允许对各组件、各组件模型及它们之间的连接能直接的添加和调整(即理想的交互式)。(如下图2所示)。
图2 Concepts NREC Cycal 模块的用户界面，一个热力循环设计和分析工具的例子
流体性质及叶轮机设计
临界点之上二氧化碳的性质是温度、压力的高度非线性化的函数，这给设计带来了挑战。当压缩机的来流条件转向饱和线的液体侧时，这一点尤其明显。声速作为温度和压力的函数改变的非常剧烈，导致当马赫数远低于1时就发生了阻塞。由于这些影响，压缩机非设计点的性能会受到严重影响。因此在设计过程中必须谨慎地考虑必要的运行范围（Anderson, 2020）。
考虑到这种高度非线性的行为，很难评估叶轮机械的性能图将如何随着不同的入口条件而变化。对于行为近似理想气体的流体，流量和压比可以分别标准化为流量系数和压力系数。一种合适的比例已被开发出来了。利用它可以对复杂的流体（即便是超临界二氧化碳）进行性能图的校正(Anderson, 2021)。这对在评估不同工况下的已有叶轮机的表现非常有用。
流体性质的变化对于(叶轮机的)设计和分析工具来说，也是一项重要因素。一般来说，设计工具对流体总体性质进行了一个“热力学平衡”假设，并忽略掉任何多相转变（包括成核和局部相变模型）。这对于叶轮机很有效，(因为)工质在两项区域停留的时间比成核时间少。局部相变模型，即使是三维计算流体动力学模型，在很大程度上仍然是一个研究课题，其中许多系数需要应用特定的经验数据进行调整。当软件在每次迭代时都必须与流体库(例如NIST)交互，（软件）运行会变得迟缓，导致设计过程效率低下。此外，NIST表有严格的限制。即使最终结果将在属性表的限制内，迭代求解方法也通常需要合理的外推。快捷的流体特性方案，如超临界二氧化碳快速表，可使得求解时间减少200%以上，从而大幅提高设计工程投资回报率(Anderson, 2018),(如图3所示)。
图3 Concepts NREC的Axcent软件的MST分析代码应用快速计算表的示例
机械上的考虑
如上所述，高机械力和应力是超临界二氧化碳叶轮机械的主要挑战。更高的工质密度、更小的叶轮和轴、更高的转速、更高的压力都加剧了挑战。控制次级气路意味着公差更小，这使得对位移的敏感性更高。温度也有影响，重要的是保持密封处于低温并使得相邻轴承座内的热流最小化。这通常要求增加轴的长度来增加热屏障。这又增加了转子动力学稳定性的重要性。在转子动力设计和分析过程中，气动交叉耦合系数很难准确估计，因此测试是关键。
相比于其他叶轮机械的应用，用于超临界二氧化碳的叶轮机械的静力更高。如果有非稳定(工况)，那么工质的状态会经过瞬态。这可能导致巨大的轴向力和可能非常昂贵的维护费用。
一个解决这些机械力挑战的方案是采用磁悬浮轴承。该技术的性质允许实时运动学诊断和控制(Fairman, 2022)。测量位移和部署适当的稳定控制算法为解决这些挑战提供了真正的希望。这一方法有可能显著降低风险，这一直是发电行业关注的一个主要问题。
结论
虽然超临界二氧化碳热电转化系统有望缩小体积和成本，并开放循环设计的灵活性，但还有一些相关的挑战。包括机械应力的增加、很小的制造公差以及流体性质的高度非线性。系统和组件设计工程师应该针对这些挑战进行详细计划，并确保他们的工具可以解决这些问题。
参考文献
Anderson, M. (2018). Atypical Fluid Behavior on the Liquid Side of the Saturation Line of CO2 With Implications for Compressor Design. The 6th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, Pittsburgh, Pennsylvania.
Anderson, M. (2020). Compressor Design with Highly Variable Fluid Properties Near the Critical Point and Liquid Region of CO2. Proceedings of the Fourth Chinese International Turbomachinery Conference, Guang Zhou, China.
DiBella, F. A. (2015). Gas turbine engine exhaust waste heat recovery using supercritical CO2 Brayton cycle with thermoelectric generator technology. ASME Power and Energy Conversion Conference.
DiBella, F. A., & Pasch, J. (2018). A Consideration for Trading Regenerator Size with Turbine Improved Efficiency in SCO2 Systems to Enable a More Economical SCO2 System. The 6th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, Pittsburgh, PA.
Fairman, K. (2022). Machinery Health Monitoring and Component Testing Using a Magnetic Bearing with a Supercritical CO2 Turbomachine. The 7th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium, San Antonio, TX.
