使用sCO2作为工质设计叶轮机械时的考虑事项

使用sCO2作为工质设计叶轮机械时的考虑事项

来源：SoftInWay

英语原文链接：https://blog.softinway.com/considerations-when-designing-turbomachinery-with-sco2-as-a-working-fluid/

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在包括废热回收，聚光太阳能，核能和化石能源在内的广泛应用中，超临界二氧化碳（sCO2）功率循环比常规的蒸汽朗肯循环和气体布雷顿循环具有更高的发电效率。 sCO2循环在整个循环过程中都在高压状态下运行，从而导致工作流体具有更高的密度，这将使得设备尺寸更小，碳排放更少，因此成本更低。 但是，sCO2发电循环中压力，温度和密度的组合应用超出了许多设计人员的经验。 设计sCO2循环的挑战包括叶轮械的空气动力学和结构设计，轴承，密封件，热管理和转子动力学。 根据桑迪亚国家实验室（Sandia National Lab）的报告，在二氧化碳临界点附近运行的压缩机和透平在满分为9分的TRL（技术准备水平）中仅达到4分和5分的水平。此博客讨论了sCO2对叶轮机械设计的影响。

轴流还是径流

用于叶轮机械的径向或轴向的选择通常基于运行条件（绝热压头H和入口体积流量Q）进行。可以从NsDs图中选择比转速Ns和比直径Ds的无量纲叶轮机械参数，以估计叶轮机械的尺寸，速度和类型。已经有研究进行了有关sCO2再压缩循环的叶轮机械类型的选取，规模从100 kW到300 MW以上，得出的结论是，单级或低级数的径向透平和压缩机可能仅适用于低于10 MW的系统。工程师可以在图1所示的AxCYCLE™工具中模拟这种再压缩sCO2循环。随着尺寸的增加，透平和再压缩压缩机的最有效配置分别从径向向轴向转变，适用于大约为30 MW到100 MW的范围。可以在图2中查看适用于不同功率范围的叶轮机械及其部件的类型。循环中的主压缩机会选取径向配置用在所有发电规模上，这是由于它在临界点附近运行，它较低的体积流量和宽泛的工作范围可以促进工质性质的变化。

图1 – AxCYCLE中模拟的再压缩循环

图2 – sCO2循环中各组件的类型及适用功率范围

压缩机设计考虑事项

开式（带有完全可见的叶片）和闭式叶轮均可用于离心式压缩机设计。 闭式叶轮通过消除叶尖泄漏而提高了效率，其性能不受转子和定子组件之间轴向热增长失配的影响。 而且，与开式叶轮相比，闭式叶轮通常不易发生疲劳故障。 因此，在大多数sCO2循环中，闭式叶轮被认为是更有利的，因为高压和高密度流体将需要非常紧密的间隙以保持尽可能小的泄漏。 sCO2叶轮中的高流体密度还将影响叶片主导模式的固有频率，并产生相对较高的空气动力学载荷振幅。 因此，叶轮设计应考虑由上游和下游定叶片部件（例如进口导叶，扩压器叶片）的尾波激发所产生的动应力造成的周期性激励对叶片的影响。

从空气动力学性能方面来看，必须考虑到一些独特的设计注意事项。 首先，由于压缩机功率对循环效率具有一阶影响，因此应优化良好的设计以最大程度地提高设计点效率。 其次，主压缩机部分的入口条件通常在工作流体的临界点附近，以减少压缩功并最大化循环输出。 为了在临界点附近顺利运行，设计时要考虑到进口处温度变化较小，而气体特性变化范围较大这一特点。

在设计的所有阶段，使用精确的工质属性模型来捕获气体中的实际气体变化至关重要。 NIST REFPROP软件可在临界点附近为纯二氧化碳计算生成精确的物理特性，并可直接与许多压缩机设计软件（例如AxSTREAM）耦合。 图3是AxSTREAM设计的sCO2离心压缩机。

入口叶轮的设计应尽量减小叶尖相对速度或进口相对马赫数。 太大的叶轮会使进口叶片的角度减小到超出最佳角度范围，从而限制了效率。 叶轮过小会导致运行时工质静态性质（压力，温度）接近饱和线，因此有可能导致相变的产生，引起不良后果。

有一些测试数据显示，压缩机在整个饱和区域内的多个点均可以稳定运行，没有明显的有害影响。 这些结果表明，即使发生两相变化，高压下液相和气相的密度也足以避免有害的运行情况。 但是，在获得其他实验探索和实际操作数据之前，推荐的作法是在设计过程中保持距饱和线一定的裕度。

图3 – AxSTREAM设计的离心压缩机的2D和3D几何结果

透平设计考虑事项

sCO2循环中的高温组件在与超超临界蒸汽轮机相似的温度下运行，并且蒸汽应用中的合金材料的大部分研究结果都适用于sCO2循环。 对于在接近或超过700°C的高温下运行的sCO2透平，其设计受蠕变限制，需要镍基合金才能获得足够的蠕变强度。 图4中比较了适用于sCO2应用的不同材料。除了蠕变特性外，透平材料的另一个关键考虑因素是sCO2环境中的腐蚀性能。 需要持续的进行材料测试以确定材料对CO2纯度的敏感性，对各种CO2混合物的抗腐蚀性能，以及在高流速环境中进行测试以确认实际的抗腐蚀特性。

图4 – 在sCO2应用中经常会考虑到的一些材料

sCO2透平可以是径向或轴向设计。在大多数sCO2循环中，透平的入口温度都远远高于CO2临界温度，气体表现近似于理想气体的表现结果。因此，可以使用现有的设计方法和工具例如AxSTREAM来实现类似于蒸气/燃气轮机的其他应用的透平设计。通常，透平的设计目标是在最少的级数中实现最大化效率。它们的叶片/叶轮部件与其他叶轮机械应用类似，但有几个主要区别。一个关键的区别是sCO2透平的功率密度高于其他类型的透平（有一个例外是火箭发动机的涡轮泵），因此透平叶片上的压力（静态）负荷不容忽视，就像在低密度应用中所考虑的一样。对于轴流式透平，为了避免叶片上过大的弯曲和拉伸应力，可以选择冲动式，因为反动式将具有更高的应力。但是，如果设计时弯曲应力和拉应力允许的情况下，则反动式比冲动式证明更高效，但最终会导致更多的级数，从而会增加工厂的占地面积。同样，喷嘴和动叶的设计应具有更长的弦长以及更大的前缘LE和尾缘TE半径，以减少这些叶片受到的应力。中线气动-结构优化算法已经集成在AxSTREAM中，其目标是在满足结构限制的同时找到最大效率值（自动找到实际应力低于允许值的叶片弦长）。通过AxSTREAM中用于叶片的优化过程，为使其适合于sCO2透平，弦长将显着增加，以满足结构要求，如图5所示。此外，通常会使用整体围带，来改善叶片动力，阻尼，和空气动力学性能。

图5 – AxSTREAM中考虑到压力，使用气动/结构优化算法后的冲动式和反动式透平结果

总结

本文讨论了sCO2宽泛的功率运行范围注意事项，压缩机中冷凝的潜在可能性以及透平中的高温压力控制和紧凑的热力管理方法。此外，高压，高温和高密度的组合运行环境还带来了多个设计挑战，例如轴承表面的高速度和高负荷，高密度气体对转子动力学和叶片负荷的影响，如何设计低泄漏的轴端密封等。在sCO2叶轮机械能够取代已开发和改进了100多年的蒸汽轮机或燃气轮机之前，需要克服大量的工程技术。尽管存在这些挑战，但在过去十年中已经成功开发了许多sCO2叶轮机械的设计和试验原型。借助现有的技术和工具，除了来自原型测试的数据之外，预计在未来几年中，将成功开发出用于各种应用的sCO2透平和压缩机，并最终将其商业化。