摘 要

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环具有效率高、结构紧凑、安全无污染和成本较低的特点。本文主要设计以S-CO₂为循环工质的闭式循环压缩特性试验系统，进行了总体设计、管路系统设计、冷却系统设计及测量和安全系统设计，开展了压气机、换热器、循环水泵、管路连接件、各传感器及安全阀等关键设备选型设计，完成了各子系统流程设计及各零部件的选取及设计。所设计的闭式循环试验系统为开展S-CO₂布雷顿循环试验研究提供了有益借鉴。

关键词：S- CO₂；闭式循环压缩特性；布雷顿循环；试验回路

Abstract

The supercritical carbon dioxide (S-CO₂) Brayton cycle has the characteristics of high efficiency, compact structure, safety, no pollution and low cost. This design uses S-CO₂ as the refrigerant in the closed cycle compression characteristics test system. The overall system, the piping system, the cooling system and the measurement and the safety system are designed. The compressor, the heat exchanger, the circulating water pump, the pipeline connection, the selection of the key equipment of each sensor and the safety valve design are carried out. The selection and design of each subsystem design and process of parts is carried out. The designed closed cycle test system provides a useful reference for the S-CO₂ Brayton cycle test.

Key Words：supercritical carbon dioxide；Closed cycle compression characteristics；Brayton cycle；Test circuit

目录

第一章 绪 论 1

1.1 选题的目的及意义 1

1.1.1目的及意义 1

1.1.2 国内外研究现状 1

1.2 研究的目标及内容 2

1.2.1 研究的目标 2

1.2.2研究的内容 2

1.3 拟采用的技术方案及措施 3

第二章 S-CO₂压缩特性试验台总体设计 5

2.1热力参数设计 5

2.2试验台总体设计 5

2.2.1 控制系统 6

2.2.2压缩系统 6

2.2.3管路系统 8

2.2.4安全系统 8

2.2.5换热系统 8

2.2.6储气系统 8

2.2.7吹扫系统 8

2.3试验台的操作方式 9

第三章 管路系统设计 10

3.1 压力管道设计 10

3.1.1 压力管道的分类 10

3.1.2 压力管道的计算 10

3.2 法兰设计 12

3.2.1 法兰种类的选取 12

3.2.2 凹凸面对焊钢制管法兰的尺寸规格 12

3.3 螺栓螺母及垫片的选取 13

3.3.1 螺栓螺母 13

3.3.2 垫片 13

3.4 阀门 14

3.4.1 截止阀 14

3.4.2 安全阀 15

第四章 冷却系统设计 16

4.1 换热器设计 16

4.1.1 换热器类型 16

4.1.2 确定物性参数 17

4.1.3 传热量及平均温度的计算 17

4.1.4 传热面结构设计 19

4.1.5 壳程结构设计 21

4.1.6 校核传热系数及传热面积 23

4.2 水泵设计 25

4.2.1 水泵选型 25

4.2.2水泵工作原理 25

4.2.3 水泵安装尺寸 26

4.3 冷却循环水管路的选取 26

第五章 测量及安全系统设计 27

5.1 测量系统总体设计 27

5.2 测量系统详细设计 28

5.2.1 温度测量 28

5.2.2 压力测量 30

5.2.3 流量测量 31

5.3 安全系统总体设计 32

5.3.1 安全阀选型设计 33

5.3.2 安全阀工作原理 34

5.3.3 安全阀主要技术参数 34

5.3.4 CO₂变送器 34

5.4 控制系统 35

5.4.1数据采集系统 35

5.4.2计算机 36

第六章 结论与展望 37

6.1结论 37

6.2展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪 论

• 1. 选题的目的及意义

1.1.1目的及意义

当今人类一直面临着能源短缺和环境污染两大难题。开发新型环保能源、提高能源转换效率是亟需解决的问题之一。S-CO₂闭式循环的效率高和污染小，近年来被越来越多的学者视为未来发电的发展方向之一。S-CO₂发电与太阳能发电的结合，可以提高太阳能转换效率；S-CO₂发电与核反应堆结合，可获得比传统反应堆更高的核电转换效率。

S-CO₂布雷顿循环的工质是处于超临界状态的二氧化碳（临界压力为7.38MPa，临界温度为30.98℃），依据布雷顿循环原理实现能量转换^[1]。相比于目前广泛使用的蒸汽动力循环，S-CO₂布雷顿循环处于高温时（一般高于400℃）的能量转换效率要更高一些，且涡轮增压设备和冷却系统的体积仅为传统蒸汽动力系统所对应设备体积的十分之一；相比于常规气体布雷顿循环，S-CO₂布雷顿循环的压缩过程参数位于工质临界点附近，这一特点使其压缩功耗显著降低，循环效率显著提高^[2]。设计闭式循环压缩特性试验系统对于S-CO₂布雷顿循环特性研究具有十分重要的意义和工程应用价值。

1.1.2 国内外研究现状

对S-CO₂特性的研究可追溯到上世纪七十年代，由于涡轮功率密度高，叶片应力大，其轮盘和叶片需要一次成型整体加工，而当时的工艺水平难以满足其加工要求。直到上世纪七十年代中期，五轴机械加工设备的广泛使用，突破了涡轮制造工艺难题，才开始商业化产品的研发。对于这种新型发动机的研发，目前美国处世界前列。美国能源部（DOE）从2004年开始研发，目标是为核电站、太阳能光热发电和余热利用等研发下一代动力设备^[3]。同时，日本也加紧此类设备研制，日本东芝公司与美国Exelon公司和CBamp;I公司从2012年6月开始合作，力争2017年完成250MW级商用电站的S-CO₂发电系统的研发^[4-5]。日本东芝公司现正研制20MWe（50MWt）样机，并已完成S-CO₂循环压力的燃烧试验，其压力已达30MPa^[6]。

国外有些单位已开展了S-CO₂布雷顿循环机组的研究。核工业领域已有为出口温度低的反应堆进行的能量转换研究。太阳热发电领域也已开展了相关技术研究。美国桑迪亚国家实验室在2007-2009年开展了大量试验研究。在机组高转速下测量S-CO₂流体的进口压力、出口压力、温度、流量和耗功等，已积累了大量数据。