超临界二氧化碳闭式循环发电系统的基本工作原理与常规蒸汽/燃气轮机循环发电系统类似,其特殊性在于循环工质为高压(>7~25MPa)、高密度的超临界二氧化碳流体。该流体的特殊热物性一方面能有效降低压气机部件耗功,进而提高循环热效率,同时大幅降低涡轮/压气机部件体积,提高系统紧凑性;另一方面却为涡轮/压气机及换热器等核心部件的设计、制造及运行带来了新的挑战,如压气机近临界点真实气体效应及“冷凝”失稳、涡轮/压气机损失机理及流动组织、超临界二氧化碳流体换热特性等机理问题,以及高速转子支撑和高压动封严等技术问题。
针对上述问题,本项目前期开展了系统的研究,涉及超临界二氧化碳流体的强真实气体效应、压气机近临界点“冷凝”捕捉及抑制、超临界二氧化碳涡轮/压气机流动损失控制、微通道换热器中超临界流体换热/压降特性等,形成了高速小尺寸涡轮/压气机及紧凑微通道换热器设计技术。在此基础上,围绕MWe级量级余热利用系统的研发,完成了循环热力方案、涡轮/压气机方案、微通道(PCHE)换热器方案等设计工作,现已进入原理验证阶段。该系统有望在550~600℃中高温热源下以接近40[%]的热效率实现高效的热电转化,填补国内在超临界二氧化碳闭式循环发电领域的空白。