超臨界CO2壓氣機進口條件影響研究

摘 要：在超臨界二氧化碳壓氣機設計過程中，壓氣機的進口條件（總溫、總壓）是一個重要的設計參數。由于超臨界二氧化碳壓氣機進口設計工況會選取在流體臨界狀態(tài)附近，此時的二氧化碳物性的變化十分劇烈，且進口狀態(tài)選取會影響到壓氣機的效率，耗功，以及進口參數的穩(wěn)定性。本文通過壓氣機流場三維計算，驗證理論分析結果，得出了超臨界二氧化碳壓氣機進口條件選取的準則。

關鍵詞：超臨界CO2;壓氣機設計;進口工況

以超臨界二氧化碳（SCO2）為介質的熱力循環(huán)由于具有緊湊性、高熱力循環(huán)效率、以及工作溫度比常規(guī)熱力循環(huán)系統更低等優(yōu)點，被認為是未來最有潛力的發(fā)電系統[1]，近年來，國內外相繼開展了超臨界二氧化碳發(fā)動機的理論與試驗研究[2] [3]。由于超臨界流體的物性與理性氣體存在差異，使得壓氣機進口條件的選取對于壓氣機性能有十分重要的影響，本文針對SCO2物性，分析了SCO2壓氣機設計過程中進口狀態(tài)選取的重要性，并根據計算，給出了壓比2.5量級SCO2壓氣機進口狀態(tài)選取準則。

1壓氣機進口狀態(tài)研究

Monjea B[4]認為，對于超臨界二氧化碳，進口馬赫數存在一個最佳范圍，以此給出了進口總溫—進口總壓的對應取值。Sandia試驗室也通過試驗驗證了不同進口條件下壓氣機的性能，得出結論是：進口亞臨界工況會導致工質密度、流量等參數的波動，但幅度仍處于試驗系統可接受的范圍內。

圖 1為二氧化碳在臨界狀態(tài)附近，溫度一定情況下，密度隨著壓力的變化規(guī)律。右側等溫線溫度高于左側?？梢钥闯?，保持溫度不變時，增大壓力，密度在某個范圍內會發(fā)生突增，此處密度的突增實質上是二氧化碳由氣態(tài)向液態(tài)的轉換。因此，進口壓力位于臨界值附近時，可能會導致流體密度變化較大。同理，在同一條壓力線上，等溫線在臨界溫度（304K）附近分布系數，說明此時流體密度變化大。

根據圖 1中的臨界壓力線和臨界溫度線（T=304K），可以把臨界點二氧化碳狀態(tài)分為4個區(qū)域，如圖 2所示，其中三個區(qū)域的物性狀態(tài)時確定的，超臨界狀態(tài)在右下角。

壓力和溫度在臨界點附近時，流體密度會有較大的梯度，然而幾乎所有的設計都會將進口工況放在靠近臨界狀態(tài)附近，原因從圖 3可以分析得出：圖 3是在實現2.5壓比前提下，不同等溫線上，壓氣機等熵功（KJ/Kg）隨進口壓力的變化曲線。右側等溫線溫度高于左側等溫線溫度。保持溫度不變，壓力如果位于臨界值附近，壓氣機消耗的等熵功最小，壓力低于臨界值，耗功迅速上升，壓力高于臨界值，耗功緩慢上升;同時進口溫度的升高會使壓氣機耗功略有增加。因此，進口狀態(tài)取在臨界點附近，可以使得壓氣機耗功小，提高發(fā)動機的循環(huán)效率。

2數值計算驗證

2.1 計算模型

本文模型包括離心葉輪和徑向擴壓器。

2.2壓氣機進口工況選擇

壓氣機進口工況存在總溫和總壓兩種變量，計算分為兩個方向：固定進口總溫，變化進口總壓;固定進口總壓，變化進口總溫。進口工況選擇見表 1。

2.3數值模擬方法

采用CFX軟件對模型進行三維流場計算，工質選取CFX材料庫中的CO2RK，其物性為滿足R-K方程的真實氣體，湍流模型選取k-e模型，格式一階精度。

2.4計算結果分析

流體臨界點附近的流場參數波動較大，可能會導致流場計算不穩(wěn)定，因此本文將進口參數的波動（三維計算得出）列入考察范圍。定義如下參數：

進口密度脈動量定義：

其中ρaver為進口截面密度的流量平均，ρmax、ρmin分別為進口截面密度點的最大、最小值。

進口總壓脈動量定義：

進口總溫脈動量定義：

圖 4是進口參數脈動、壓氣機效率隨壓氣機進口總溫變化規(guī)律（進口總溫小于304K，算例無法收斂）。

從上圖中可知，進口總溫在308K左右時，進口參數脈動量較大，當總溫大于310K時，進口參數趨于穩(wěn)定，且隨著進口總溫增加，壓氣機效率略有下降，在2%左右。對于本文壓氣機，進口總溫應取在310K左右，太低可能會導致現有計算不收斂，模型無法預測，而過高的進口總溫也會導致壓氣機效率的小幅下降，以及上一章所分析的壓氣機耗功增加，使得整機效率下降。

圖 5是進口參數脈動、壓氣機效率隨壓氣機進口總壓變化規(guī)律。

進口總壓高于8.2Mpa，流場參數波動較大，并且壓氣機效率與進口總壓選取無太大相關性。進口總壓繼續(xù)增大時到9.0Mpa后，波動量減小。

圖 6是進口總壓保持在7.6Mpa時，進口總溫從305K—311K變化時，葉尖95%處blade to blade截面流場馬赫數云圖。因此，當進口總溫在307K-309K時，此時進口流體更接近臨界狀態(tài)，溫度和密度分布都較為紊亂，葉尖最大馬赫數也會增高，增大了流場的損失。另外進口密度變化大會導致試驗室進口流量的波動。因此進口工況選在此范圍對于流場不利。因此，壓氣機進口總溫應該取在310K以上，可避免臨界狀態(tài)附近流場的波動。

圖 7是保持進口總溫313K不變，進口總壓從7.4Mpa—9.0Mpa變化時，葉尖95%lade to blade截面流場馬赫數云圖。在進口總壓8.2Mpa左右，也出現了流場馬赫數增大等現象，并且隨著進口總壓升高，壓氣機進口速度變化導致的密度波動現象依舊存在，故壓氣機進口總壓應該取在7.4Mpa—8.0Mpa之間，此時的流場較為穩(wěn)定，馬赫數分布合理。

3總結

本文通過超臨界二氧化碳的物性分析、開展壓氣機三維計算，針對超臨界CO2壓氣機進口條件的選擇問題，主要得到以下結論：

（1）壓氣機進口總壓、總溫設計在臨界點附近時，流體密度，總溫，總壓會產生較大脈動，對于系統的穩(wěn)定性不利;進口流體參數遠離臨界點時，壓氣機消耗的等熵功增加，降低了整機效率。選取進口工況需要綜合這兩方面考慮。

（2）本文壓氣機模型，進口總溫取在310K附近較為合適，總溫低計算難以收斂，流場波動大，會導致試驗過程中流場的不穩(wěn)定。總溫高會增大壓氣機耗功;在此基礎上，進口總壓取7.4Mpa—8.0Mpa較合適，可以避開CO2流體物性梯度大的區(qū)間。

（3）進口總溫、總壓對壓氣機效率影響相對較小。

參考文獻：

[1] Masanori ARITOMI， et al.， 2011， Journal of power and energy systems[R]， Vol. 5， No. 1， 2011.

[2] Steven A. Wright， Ross F. Radel， Operation and Analysis of a Supercritical CO2 Brayton Cycle， Sandia report[R]， 2010-0171.

[3] Jim Pasch， Tom Conboy， Darryn Fleming， and Gary Rochau， Supercritical CO2 Recompression Brayton Cycle： Completed Assembly Description[R]， SAND2012-9546.

[4] B. Monje， D. Sanchez， A design strategy for Supercritical CO2 compressors. ASME Turbo Expo 2014 June 16–20.

作者簡介：

徐威陽（1988-），男，漢族，湖南株洲人，碩士研究生，工程師，研究方向：壓氣機氣動設計。