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力学所CO2动力循环研究取得进展

作者:潘利生 2020-04-04 15:57 来源:
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  CO2为工质的动力循环发电技术具有进一步提升热能利用效率和机组紧凑化水平的潜力,近年来吸引了包括国内外众多研究机构、企业的广泛关注。该技术在太阳热能与核能利用领域具有巨大优势,可满足小空间供电的紧凑化设计,我国从宏观规划层面对该技术进行了布局。受中科院重大科研装备研制项目资助,力学所高效洁净燃烧课题组自2008年开始对该技术开展基础研究和关键技术研发。 

  依据实际的应用领域和条件,可采用超临界CO2布雷顿循环和CO2跨临界动力循环两种基本循环形式,但均面临各自的不足。对于超临界CO2布雷顿循环,由于近临界区物性对运行参数的强敏感性,其近临界大压比增压过程成为该循环技术的难点,主要体现为增压部件研发难、高效稳定运行难。对于CO2跨临界动力循环,由于CO2的临界温度仅为31℃,工程中常用的30℃左右的冷却水难以冷凝CO2并促成循环。针对CO2动力循环的特点和两种基本循环形式面临的实际问题,力学所提出了自冷凝CO2跨临界动力循环(ZL201410042886.6)和CO2混合工质跨临界动力循环(ZL201410042763.2),为避免超临界CO2布雷顿循环的近临界大压比增压过程、解决CO2跨临界动力循环中亚临界CO2冷凝问题提供了新思路。 

   采用理论方法研究了自冷凝CO2跨临界动力循环的运行规律和优化方法(Applied Energy, 2019, 253: 113608);并建立了实验平台,采用实验方法验证了自冷凝CO2跨临界动力循环的可行性(2020, 198: 117335)实现了CO2跨临界动力循环的30℃常规冷却水运行,亦对解决超临界CO2布雷顿循环近临界压缩问题具有很好的借鉴意义。

图1 自冷凝CO2跨临界动力循环系统

图2 自冷凝CO2跨临界动力循环实验验证结果

  针对烷烃/CO2混合工质的可燃性问题,采用实验方法获得了丁烷/CO2、异丁烷/CO2和丙烷/CO2等二元混合工质的燃烧特性,获得其可燃临界摩尔比分别为0.04/0.960.09/0.910.08/0.92,(Energy, 2019, 179: 454–463)。 

图3 丁烷/CO2混合工质跨临界动力循环

图4 丁烷/CO2燃烧特性实验研究(火焰形态)

  相关研究已产生5项相关技术,并获得国家发明专利授权(ZL201810166900.1ZL201810165758.9ZL201810165737.7ZL201810165776.7ZL201810165757.4)。上述研究获得国家自然科学基金项目(51776215)、中科院仪器设备功能开发技术创新项目、高温气体动力学国家重点实验室基本科研业务课题的资助。 

 

 

 

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