CO2作为工质的透平机械优化方案

第3章计算的CO₂准联合循环，是从外部源提供了氧气，而不是在本单元集成的。这里没有底部的空气循环。在这一章中，将对ZEITMOP循环，包含离子传输膜（ITM）氧反应器和底部循环进行更严格的计算。这里进入蒸汽透平前的工质，不是纯CO₂而是和一定比例蒸汽的混合物，这将影响混合物热力学性质。由于在这些条件下会产生相当高的温度，工质被认为是一种理想气体的混合物。然而压缩机过程复杂，应考虑所有在3.1节中给出的热力学方程。

能够适用于零排放电厂的燃气轮机、压缩机和燃烧室需要到目前为止在燃气轮机技术方面获得的最好的流体技术。相对于空气，天然气的气体常数、声速（约为270m/s）和比热比显著降低。为了实现一个空气压缩机的动力相似性，CO₂压缩机应该在叶尖速度减少约25％（在同一马赫数下）和质量流量增加15％的情况下运行。因此，与其他透平机械相比，CO₂压缩机和透平是非常紧凑和高效的。

很明显，高效透平机械可大幅度提高循环的潜力。在本节中，我们将对最近的利用CO₂作为工质运行的透平机械数据进行分析，以获取可靠的可以达到的透平等熵或多变效率。

一般而言，大功率等级的应用中，选用轴流式透平机械（压缩机和透平）。使用轴向多级机械的主要原因是它们相对较低的体积容量和较低的离心机械效率。透平机械设计的另一个重要方面是并网的同步和转速的设置。

在第2章中，EscherWyss有限公司在建造以CO₂为工质的机械设备的实践中提到了Keller和Strub（1968）的工作。这是一次成功地用于核能转换的例子。甚至在这之前，在1940年，D.P.Hochstein建议将CO₂替代水用在朗肯循环中，该循环采用燃用有机燃料的普通锅炉，这个Hochstein循环最终引起了核电工业的关注。

在Gong等人（2006）一个功率等级为300MW动力单元中，有关压缩机的数据如下。

主轴流压缩机在32℃时，质量流量为2100kg/s，流体密度为650kg/m³，转速为3600r/min，直径为80cm，级数为7（进口为32℃），出口压力为20MPa，压比为2.6，效率为89％。将压缩机等熵效率从0.70增加到0.85，并且透平等熵效率增加到0.90时，循环效率将从43.5％提高至46.5％。

这是由三菱重工公司（Satoetal，2004）已经测试过的一个离心压缩机数据：类型为径向，7级，进/出口压力为01/203MPa时，平均压力比为214，入口体积流量为103m³/s或质量流量为216kg/s，输入功率为117MW，1727℃时排气密度为291kg/m³，效率为85％。

图6-1显示了MAN公司制造的强有力的整体化齿轮传动CO₂压缩机，从其清晰的T-s图中可以看出，它工作在超临界区域，没有越过饱和线，前七级后有中间冷却，而后三级没有。所有其他大家熟知的用于工业上的CO₂压缩机都包含约10级。

最近，基于在航空应用中的跨声速压缩机级的设计进展出现了一个新的概念。超音速压缩机可以大大减少压缩机级数和中间冷却器数量，同时降低其质量和成本，这样的系统一直是喷气式飞机首次飞行之后航空工业和能源工程师的梦想。因为Ramgen电力系统的成功，现在梦想似乎成为了现实（LawlorandBaldwin，2005）。

图6-2显示的是Rampressor^TM的示意图，下面的是一个冲击波的示意图，类似于超音速飞机发动机和Rampressor入口的进气。

这种相似性启发AVCO实验室负责人ArthurKantrovitz在1946年美国航空咨询委员会编号为L6D02的声学研究中心报告中提出“超音速轴流式压缩机”的概念。Ramgen的主要思想是转子配置，即没有叶片及由斜激波开始、较弱正激波结束的旋转系统。在这样一个系统中，由于可压缩流体连续稳定的减速总压力几乎恢复到原来的状态。以空气为工质对Rampressor经过测试，在入口约为两个马赫数的情况下，转速达到21300r/min。试验结果证实了计算的高度准确性。Lawlor等人（2005）已比较了Ramgen压缩机与传统的离心机的基本性能参数，见表6-1。

可以看出，一个Ramgen压缩机所需的输入功率是非常合理的，它还有可以回收气体压缩热的额外收益（超过70％可回收），显著提高了能源利用的经济性。这种压缩机将更便宜、更紧凑，比传统的设计更有效。(www.xing528.com)

基于格拉茨（Graz）循环以前的工作进展，Jericha等人（2006）提出了净输出功率为400MW的透平机械部件的设计理念。这个功率是源于一个490MW的透平轴单元，这种尺寸规模设计采用双轴配置。一个快速运行的压缩轴由高压压缩机透平（HPCT）驱动，而轴功率由发电透平（HPT）及低压汽轮机（LPST）组成。经过埃舍尔-韦斯（Escher-Wyss）测试CO₂透平似乎已被证实可用，不会引起任何严重问题，但所用材料要能够承受高温。

总之，结论就是用于ZEITMOP循环的设备（压缩机、透平、ITM氧反应器）是可以得到的，至少可以用于一个示范电厂。用于循环计算的等熵效率图表与接下来章节中的假设是相近的，因而也是相当正确的。

图6-1 MAN公司10级涡轮，200∶1CO₂压缩机（a）以及MAN公司RG053/10压缩机和它的T-s图（b）（10级，200∶1，CO₂）

图6-2 Rampressor^TM——^一个超音速CO₂压缩机及其冲击波系统（Gongetal．，2006）

图6-2 （续）

表6-1 Ramgen压缩机和传统压缩机的比较

注：源自于Lawlor，S．，2007。①IGRC—整体齿轮径向压缩机。②ILPC—联机流程压缩机。