超临界二氧化碳布雷顿循环发电及储能一体化基础

本书遵循教育部教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。为任课教师提供电子课件等丰富数字化资源配套。

超临界二氧化碳布雷顿循环以其高效紧凑的优势被认为是动力转换系统的未来变革技术，在第四代核电、第三代太阳能、化石能源高效低碳化、大规模长周期储能及先进航空航天动力等领域具有重要应用潜力，对助力实现“碳达峰”和“碳中和”目标具有重要意义。
本书分为三篇，共9章。第一篇对超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统及储能系统进行了简要介绍；第二篇系统阐述了加热器、回热器和冷却器等关键换热设备中超临界二氧化碳流动传热机理、强化技术及换热器评价方法；第三篇深入讨论了超临界二氧化碳循环燃煤动力系统及动力系统与储能系统集成转化的一体化系统。
本书可供能源、动力、储能、核能、航天等相关专业领域中的科技工作者、企业研发人员、管理专家及高校师生参考使用。

高等院校教师

前言
第一篇超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统及储能系统简介
第1章超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统简介2
11超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统2
12超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统在系统层面的共性问题3
13超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统在部件层面的共性问题5
14超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统在过程层面的共性问题6
15超临界二氧化碳布雷顿循环应用于不同热源的特性问题14
151聚光太阳能热发电中的特性问题分析14
152核能热发电中的特性问题分析15
153燃煤/燃气发电系统中的特性问题分析15
第2章超临界二氧化碳储能系统简介16
21大规模长时储能技术16
22超临界二氧化碳储能技术17
23多热源集成的超临界二氧化碳发电和储能一体化系统18
第二篇关键换热设备中超临界二氧化碳流动传热机理
第3章超临界二氧化碳传热恶化机理与抑制21
31均匀加热条件下管内SCO2传热恶化机理与抑制21
311SCO2传热性能的试验测试方法21
312试验参数的影响23
313竖直上升管内SCO2传热恶化机理26
314传热恶化机理的数值模拟分析29
315传热恶化的抑制32
32非均匀加热管内SCO2传热恶化机理37
321非均匀加热管的试验测试方法37
322数值模型对非均匀加热管的试验验证38
323非均匀加热管内SCO2传热机理40
324非均匀加热SCO2传热新关联式45
33小结46
第4章非均匀加热管流热力多场耦合评价与优化48
41非均匀加热管型48
42三种非均匀加热管壁应力分布规律50
43热应力与总应力的快速评价准则53
431管壁热应力分布与温度分布的关系53
432评价管壁热应力的热偏差因子（TDF）54
433评价管壁总应力的广义热偏差因子（GTDF）55
44管内布置强化结构优化非均匀加热管57
441强化管模型介绍58
442丁胞管的结构优化——椭球丁胞管58
443强化管型的流动传热特性59
444强化管型的应力分布特性60
45小结62
第5章超临界二氧化碳冷却器类冷凝传热机理分析63
51SCO2冷却传热数值模型及类冷凝理论63
511SCO2冷却传热管物理模型及工况条件63
512基于类多相流体模型的类冷凝理论64
52SCO2冷却传热特性及机理64
521混合对流下SCO2冷却传热特性及机理64
522强制对流SCO2冷却传热特性及机理67
53SCO2冷却传热计算关联式69
531基于类冷凝的SCO2冷却传热计算关联式70
532SCO2冷却传热计算关联式评价70
54小结73
第6章热力循环系统中换热器的评价方法与优化构型74
61SCO2布雷顿循环及其与换热器耦合系统74
611SCO2布雷顿循环74
612换热器及其设计方法75
613SCO2布雷顿循环与换热器的耦合计算方法77
62换热器参数对循环效率的影响78
63传统评价准则的适用性79
64换热器评价的解耦方法81
641换热器综合性能评价方法的通用表达式81
642传热性能参数81
643阻力性能参数83
644权重系数84
645性能恢复系数85
65性能恢复系数的验证86
651加热器86
652回热器86
653发电/储能集成系统88
654预冷吸气式组合循环发动机中空气预冷器89
66性能恢复系数的应用举例89
661换热器的选型与优化布置89
662高效低阻换热器新构型92
67小结94
第三篇超临界二氧化碳布雷顿循环发电和储能一体化
第7章超临界二氧化碳燃煤发电系统多尺度计算平台和系统优化设计96
711000MW级参数下SCO2燃煤锅炉换热器单管一维流动传热计算模型96
72SCO2燃煤发电系统多尺度计算平台98
721SCO2布雷顿循环模型98
722SCO2燃煤锅炉模型99
723SCO2过热器强约束特性及自适应性模块102
724SCO2燃煤发电系统多尺度计算平台102
73SCO2燃煤发电系统设计准则104
7311000MW级SCO2燃煤发电动力系统基础构型104
732SCO2锅炉各受热面布局设计准则104
733SCO2炉内各受热面热负荷匹配设计准则104
741000MW级SCO2燃煤发电系统优化107
741尾部烟道内烟气能量高效利用109
742SCO2冷却壁热安全特性110
743SCO2燃煤锅炉换热器布局优化111
75小结113
第8章基于“三步走”策略的超临界二氧化碳燃煤发电与高效储能系统的集成与
转化114
81SCO2布雷顿燃煤发电系统与储能系统模型及性能评价准则114
811SCO2燃煤发电循环模型114
812SCO2储能循环模型115
813循环性能评价准则116
82SCO2发电系统与储能系统集成与转化的可行性分析117
83燃煤电厂可持续发展的“三步走”策略119
831SCO2燃煤发电循环与储能循环集成119
832SCO2储/发集成循环耦合多种热源123
833SCO2绝热储能循环125
84小结128
第9章基于多热源的超临界二氧化碳发电和储能一体化129
91各类发电循环和储能循环的性能评价准则及集成可行性分析129
911SCO2燃煤发电循环129
912SCO2熔融盐聚光太阳能发电循环129
913水蒸气朗肯发电循环130

碳达峰和碳中和是解决人类资源环境约束的必然选择。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上向全世界郑重宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年，《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，其中指出大幅提升能源利用效率、加快实施节能降碳改造升级，是构建低碳安全高效能源体系的重要内容。超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，SCO2）布雷顿循环以其高效紧凑的优势被认为是动力转换系统的未来变革技术，在第四代核电、第三代太阳能、化石能源高效低碳化、大规模长周期储能及先进航空航天动力等应用领域优势明显。
首先，相较于工业中常用的水蒸气朗肯循环和氦气布雷顿循环，SCO2布雷顿循环在450～700℃的温度区间内均呈现较高系统效率的一致性。其次，SCO2透平出口压力约78MPa，而水蒸气透平出口压力仅为4～5kPa，因此末级透平内SCO2比水蒸气具有更高的密度，这使得透平尺寸更紧凑，约为蒸汽透平机械的1/30～1/20、氦气透平的1/6。同时，SCO2压缩机运行在CO2临界点（临界温度Tcr=3098℃，临界压力pcr=738MPa）附近，压缩机内较高的工质密度可显著提高系统的紧凑度并降低压缩耗功。而且，SCO2比水蒸气更稳定，可有效避免水蒸气透平机械中的叶片气蚀现象，从而降低加工难度，且SCO2的低腐蚀性也使得它对管道材质的要求较低。此外，基于二氧化碳的压缩气体储能技术采用的循环与SCO2的布雷顿发电循环具有较好的一致性，在构建大规模长周期储能模块与发电模块相耦合的储发一体化系统中极富优势。
然而，SCO2布雷顿循环动力系统及储能与发电一体化系统面临众多关键基础科学及技术问题，包括与循环相关的共性问题、循环与特定热源耦合的特性问题。而且，SCO2布雷顿循环动力系统及储发一体化系统均具有复杂的热流系统多尺度特征，可分为系统、部件和过程层面三个尺度。本书立足于SCO2布雷顿循环动力系统的多尺度特性，阐述过程层面机理、部件层面模型，以及系统层面构建，为推动我国能源动力系统的节能升级及储能技术突破提供参考。
本书分为三篇，共9章。第一篇包括第1、2章，分别对超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统及储能系统进行简要介绍。第二篇包括第3～6章，第3章阐述超临界二氧化碳传热恶化机理与抑制；第4章阐述非均匀加热管流热力多场耦合评价与优化；第5章对超临界二氧化碳冷却器类冷凝传热机理进行分析；第6章阐述热力循环系统中换热器的评价方法与优化构型。第三篇包括第7～9章，第7章阐述超临界二氧化碳燃煤发电系统多尺度计算平台和系统优化设计；第8章阐述超临界二氧化碳燃煤发电与高效储能系统的逐步集成与转化策略；第9章阐述基于多热源的超临界二氧化碳发电和储能一体化。
本书作者有幸参加了华北电力大学徐进良教授领导的“十三五”国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”专项的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目，与项目组各位同事一起工作，得到了项目组专家及各位同事的大力帮助，在此向他们一并表示感谢；在国家自然科学基金及相关空天动力项目持续支持下，作者进一步拓展了超临界流体动力系统应用领域及超临界二氧化碳储能等研究。本无意成籍，但是由于各种原因，相关研究内容均公开发表于英文期刊，对国内人员参考不甚方便。在同行的鼓励下，作者斗胆撰写本书。国内从事相关研究的学者非常多，且工作做得非常好。本书仅对作者研究的几个问题阐述一些粗浅理解，虽集百家之长，亦为一家之言，仅供参考，不当之处，请一哂置之，敬请批评指正。

作者