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附近，此時的二氧化碳物性的變化十分劇烈，且進口狀態選取會影響到壓氣機的效率，耗功，以及進口參數的穩定性。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）為介質的熱力循環由于具有緊湊性、高熱力循環效率、以及工作溫度比常規熱力循環系統更低等優點，被認為是未來最有潛力的發電系統[1]，近年來，國內外相繼開展了超臨界二氧化碳發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壓氣機進口狀態選取準則。

1壓氣機進口狀態研究

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附近，溫度一定情況下，密度隨著壓力的變化規律。右側等溫線溫度高于左側。可以看出，保持溫度不變時，增大壓力，密度在某個范圍內會發生突增，此處密度的突增實質上是二氧化碳由氣態向液態的轉換。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分為4個區域，如圖 2所示，其中三個區域的物性狀態時確定的，超臨界狀態在右下角。

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，進口狀態取在臨界點附近，可以使得壓氣機耗功小，提高發動機的循環效率。

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，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。