1、第第 44 卷卷 第第 4 期期 2023 年年 8 月月Vol.44 No.4Aug.2023发电技术发电技术Power Generation Technology超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述唐鑫1，钱奕然1，方华伟2，李洋2，李思广2，易经纬2，陈伟雄1*，严俊杰1（1.动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学)，陕西省 西安市 710049；2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川省 成都市 610041）A Review of Control Strategies for Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cyc
2、leTANG Xin1,QIAN Yiran1,FANG Huawei2,LI Yang2,LI Siguang2,YI Jingwei2,CHEN Weixiong1*,YAN Junjie1(1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering(Xian Jiaotong University),Xian 710049,Shaanxi Province,China;2.Key Laboratory of Nuclear Reactor System Design Technology,Nuclear Power Ins
3、titute of China,Chengdu 610041,Sichuan Province,China)摘要摘要：超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO2)布雷顿循环在以第四代核能和太阳能为代表的清洁能源高效利用领域具有巨大发展潜力，而合理可靠的控制策略是保证S-CO2布雷顿循环系统安全、稳定、高效、灵活运行的关键。调研总结了S-CO2布雷顿循环控制特点，并对不同应用场景下S-CO2布雷顿循环相关控制策略进行了总结和对比。结果表明，S-CO2布雷顿循环控制包括运行状态控制、叶轮机械控制、热源控制等，变负荷控制策略主要有容积控制法、透平旁路控制法、
4、透平进口节流阀控制法、压缩机转速控制法等。分析结果可为相关发电领域S-CO2布雷顿循环控制策略选择提供参考。关键词关键词：超临界二氧化碳；布雷顿循环；控制策略；变负荷ABSTRACT:Supercritical carbon dioxide(S-CO2)Brayton cycle has great development potential in the field of efficient utilization of clean energy represented by fourth-generation nuclear energy and solar energy.A reason
5、able and reliable control strategy is the key to ensure the safe,stable,efficient and flexible operation of the S-CO2 Brayton cycle system.This paper summarized the characteristics of S-CO2 Brayton cycle control,and summarized and compared the S-CO2 Brayton cycle control strategies under different a
6、pplication scenarios.The results show that the key control strategies of S-CO2 Brayton cycle include running state control,impeller machine control,heat source control,etc.The variable load control strategies mainly include volume control,turbine bypass control,turbine inlet throttle control,compres
7、sor speed control,etc.The analysis results provide a reference for the selection of S-CO2 Brayton cycle control strategies in related power generation fields.KEY WORDS:supercritical carbon dioxide;Brayton cycle;control strategy;load change0引言引言超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO2)布雷顿循环是一种以S-CO
8、2为工质的高效闭式能量转化循环，相较于传统的蒸汽朗肯循环，S-CO2布雷顿循环在安全性、高效性、紧凑性和经济性等方面具有明显优势，而在400800 温度区间内，S-CO2循环效率相比其他循环也有较明显的优势1。此外，S-CO2布雷顿循环在以第四代核能和太阳能为代表的清洁能源高效利用领域具有巨大的发展潜力。因此，国内外很多研究机构都将S-CO2循环视为具有革命性的新一代能量转化技术，并进行了大量研究2-3。目前研究者针对S-CO2布雷顿循环的研究主要包括系统及关键部件设计优化、变工况性能研究、动态特性研究和控制策略研究等方面。冯岩等4对S-CO2布雷顿循环构型研究进行了综述，总结对比了典型 S-
9、CO2布雷顿循环构型及其特征。王绩德等5对S-CO2布雷顿循环压缩机、透平、密DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.22079 中图分类号：TK 01基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFB4100401)；核反应堆系统设计技术重点实验室运行基金(LRSDT2021403)；中核集团领创科研项目(2020012)。Project Supported by National Key R&D Program of China(2022YFB4100401);Science and Technology on Reactor System Design Technology
10、 Laboratory(LRSDT2021403);Innovative Scientific Program of CNNC(2020012).第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术封等关键部件研究进行了综述。随着新能源发电比例的提高及越来越多的小功率反应堆接入电网，S-CO2发电机组需要具有快速变负荷能力。另外，受外部环境的影响，系统会处于非设计条件下工作甚至工质退出超临界状态，这会对系统的效率及安全稳定性产生严重影响，所以要制定相应的控制策略以保证机组的安全稳定运行，而目前对于S-CO2布雷顿循环控制策略的相关研究综述较少。基于此，本文对S-CO2布雷顿循环控制特点以及不同应用
11、场景下S-CO2布雷顿循环相关控制策略进行了综述，以期为相关研究提供参考。1超临界二氧化碳循环控制特点超临界二氧化碳循环控制特点S-CO2循环作为一种闭式循环，其各个热力过程都是在封闭环境进行的，这使得其工作特性与其他开式循环有所不同，加上S-CO2工质在近临界点处物性变化剧烈，使得其变负荷、启动、停机等过程的调节与控制更加复杂6。因此，需要选择合适的控制策略和调节手段，使系统在各种负荷及扰动下，主要参数波动的时间和幅度控制在合理范围内，避免出现超温、超速、喘振等情况，并最大限度提高机组的响应速度，使系统迅速恢复稳定，保证系统的安全稳定运行7。1.1运行状态控制运行状态控制S-CO2循环对于运
12、行状态的控制一方面主要是保持工质在超临界状态运行，这样才能保证循环高效率工作，因此，必须保证系统在温度及压力的最低点高于临界点，即如何将压缩机进口控制在临界点附近，这是系统控制需要解决的重点问题8。在实际运行过程中，系统变负荷及外界环境改变等都可能导致系统远离设计点，工质也可能退出超临界状态。另外，由于工质在近临界点处物性变化剧烈，需要对整个系统的热源供热、冷源放热、压缩机及透平的转速等都要做出非常精确的调节和控制9。运行状态控制另一方面是要保证循环各点温度、压力在合理范围内，防止出现超温，还要防止换热器温度剧变而产生太大热应力，这对于换热器寿命以及系统安全性等都会产生很大危害。1.2叶轮机械
13、控制叶轮机械控制在S-CO2循环中叶轮机械包括压缩机和透平，它们是实现工质压缩和膨胀做功的核心部件，其运行状况会直接影响部件效率，进而对循环效率产生很大影响。S-CO2循环压缩机压比较小，一般为3左右，可采用离心式压缩机来减小设备体积5。对于S-CO2最合适的再压缩循环，其主压缩机在临界区运行，所以变工况条件下主压缩机的控制成为考虑的重要一环。主压缩机入口参数在变工况条件下的波动可能会导致压缩机的喘振或阻塞现象，从而造成压缩机的损坏1。因此，必须开发合适的循环控制策略来抑制变工况过程中喘振或阻塞等对主压缩机运行有害的现象。S-CO2布雷顿循环中透平初温较高，要选择具有高温时强度高和耐腐蚀材料，
14、Wright 等人10研究表明，透平可采用镍基高温合金，另外由于初温较高，所以必须精确控制，防止透平超温给系统安全性带来危害。S-CO2循环中叶轮机械都是高速旋转装置，因此，其转速控制也是控制策略的重要一环。应通过合理的设计和控制手段，使压缩机和透平都在最优效率对应的转速下运转，同时避免变工况时压缩机和透平超速。研究发现，不同的轴系设计对叶轮机械转速调节与控制会有很大影响。单轴设计时，轴的转速被限定在发电机转速，会导致压缩机运行在非最优设计的轴速下，并明显限制了其变工况状态下的转速调整；而多轴设计下压缩机由额外的发电机来驱动，整个系统在运行控制上更加灵活，运行效率也相应更高11。1.3热源控制
15、热源控制S-CO2布雷顿循环的热源可采用核反应堆、太阳能、化石能源和余热等12。随着第四代核反应堆和太阳能光热发电技术的发展，S-CO2布雷顿循环直接冷却反应堆发电和S-CO2循环太阳能光热发电技术已成为研究热点，而S-CO2燃煤发电系统较为复杂，需解决S-CO2宽温区吸收烟气热量等问题。Dostal 等人13研究发现，对于核能再压缩S-CO2循环，由于热源温度范围较窄，S-CO2循环易于优化和控制，但反应堆功率密度高，且二氧493Vol.44 No.4唐鑫等唐鑫等：超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述化碳的比热容较低。因此，在出现运行瞬变时，反应堆
16、的参数是否可以保持稳定，会直接影响透平入口温度和安全容器平均温度稳定性，这是S-CO2循环直接冷却反应堆瞬态特性及控制策略研究中需要重点关注的问题14。美国Turchi等15对S-CO2循环应用于塔式太阳能电站进行了研究，发现直接式S-CO2循环效率高，但蓄热成本高，间接式 S-CO2循环效率低。对于控制运行而言，太阳光照的不稳定性要求系统能够快速适应电负荷变化，其波动性对精细控制和系统运行提出了挑战。2核反应堆为热源的核反应堆为热源的S-CO2布雷顿循环控布雷顿循环控制策略制策略2.1再压缩再压缩S-CO2布雷顿循环控制策略布雷顿循环控制策略随着第四代核反应堆的提出，S-CO2循环由于其在采用高温热源时效率较高而重新开始受到广泛关注。Dostal等人16提出S-CO2布雷顿循环非常适合用于第四代核反应堆，其在550650 温度范围内是一种很有前途的能量转换系统。Moisseytsev等17研究发现，再压缩S-CO2布雷顿循环是最适合于钠冷却快速反应堆的构型，这是由于再压缩循环引入了S-CO2分流，解决了换热器“夹点”问题。但再压缩回路以及高低温回热器的布置也给其控制策略带来一些挑战。