超临界二氧化碳混合工质布雷顿循环研究进展

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23170

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 617-626.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23170

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超临界二氧化碳混合工质布雷顿循环研究进展

王天堃¹, 刘天野²^,³, 乔加飞⁴, 王兵兵⁴, 杨震²^,³, 段远源²^,³

^1.国电电力发展股份有限公司，北京市朝阳区 100101
^2.热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学)，北京市海淀区 100084
^3.二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室(清华大学)，北京市海淀区 100084
^4.国能国华(北京)电力研究院有限公司，北京市昌平区 102200

收稿日期:2023-12-18 修回日期:2024-02-24 出版日期:2025-06-30 发布日期:2025-06-16
通讯作者: 段远源
作者简介:王天堃(1982)，男，教授级高级工程师，研究方向为热能工程，tiankun.wang@chnenergy.com.cn；
刘天野(1997)，女，博士研究生，研究方向为能源系统分析，liutianye126@126.com；
王兵兵(1986)，男，高级工程师，研究方向为热能工程，16810124@ceic.com；
杨震(1979)，男，博士，副教授，研究方向为太阳热能发电与储存、微尺度传热传质、相变换热等，zhenyang@tsinghua.edu.cn；
段远源(1971)，男，博士，教授，研究方向为热力学、流体的热物理性质、中低温热能利用等，本文通信作者，yyduan@mail.tsinghua.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2023YFB4102503);国家能源集团2030重大项目先导项目(GJNY2030XDXM-19-10.1)

Research Progress on Supercritical CO₂-Based Mixture Brayton Cycle

Tiankun WANG¹, Tianye LIU²^,³, Jiafei QIAO⁴, Bingbing WANG⁴, Zhen YANG²^,³, Yuanyuan DUAN²^,³

^1.Guodian Power Development Co. , Ltd. , Chaoyang District, Beijing 100101, China
^2.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education (Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China
^3.Beijing Key Laboratory for CO2 Utilization and Reduction Technology (Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China
^4.Guoneng Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co. , Ltd. , Changping District, Beijing 102200, China

Received:2023-12-18 Revised:2024-02-24 Published:2025-06-30 Online:2025-06-16
Contact: Yuanyuan DUAN
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2023YFB4102503);2030 Major Pilot Project of CHN Energy(GJNY2030XDXM-19-10.1)

摘要/Abstract

摘要：

目的超临界CO₂布雷顿循环具有效率高、结构紧凑、发电潜力大、可扩展性强等优点。采用CO₂基混合物作为循环工质，可调节临界参数、提升循环性能，是近年来关注的热点，综述其研究进展对于基础理论研究及工程应用具有重要意义。方法对应用超临界CO₂基混合工质布雷顿循环研究进展进行综述，总结了CO₂基常用的混合工质种类，在循环部件及结构层面开展了讨论，并分析了常用循环性能指标及研究工况等。结论应用混合工质可提升或降低CO₂的临界温度，但目前物性参数预测范围有限且实验数据欠缺。最常被探究的循环形式是再压缩循环结构，普遍关注的是循环的热力学性能和设计工况研究。建议加强和深化混合工质热物理性质的理论和实验研究，合理检验部件材料兼容性，针对混合工质的热力学特性提出新型循环结构，并应进一步探究分析循环的综合性能和动态特性。

关键词: 超临界, 布雷顿循环, 二氧化碳, 混合工质, 热力学性质, 循环结构, 循环性能

Abstract:

Objectives The supercritical CO₂ Brayton cycle has the advantages of high efficiency, compact structure, enormous power generation potential, and strong scalability. CO₂-based mixtures as working fluids can change the critical point and improve cycle performance, which has been the focus in recent years. It is of great significance to review its research progress for basic theoretical research and engineering application. Methods A review is conducted on the research progress on the application of CO₂-based mixtures in the supercritical Brayton cycle. The types of commonly explored mixed working fluids are summarized. The research on cycle components and structure layout is discussed, and the commonly used cycle performance and operating conditions are analyzed. Conclusions The application of CO₂-based mixtures can increase or decrease the critical temperature of CO₂, but the predicted physical properties range is limited, and experimental data is lacking. The recompression Brayton cycle is a commonly investigated cycle layout, and thermodynamic performance and design conditions are widely focused. It is recommended to strengthen and deepen the theoretical and experimental research on the thermodynamic properties of mixed working fluids, conduct reasonable verification on the compatibility of component materials, and propose the novel cycle structure layout for the different thermodynamic properties of mixed working fluids. Further exploration is needed for the analysis of comprehensive performance and dynamic characteristics of the CO₂ mixtures supercritical Brayton cycle.

Key words: supercritical, Brayton cycle, carbon dioxide, mixed fluids, thermodynamic property, cycle structure, cycle performance

中图分类号:

TK 123

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图/表 6

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正丁烷	425.13	3.796	是	无	低毒	文献[20, 22, 25-27]
异丁烷	407.81	3.629	是	无	低毒	文献[22]
环己烷	553.60	4.081	是	无	无毒	文献[22, 25, 28]
H₂S	373.10	9.000	是	是	有毒	文献[20, 22, 28-33]
NH₃	405.56	11.363	是	是	有毒	文献[31]
SO₂	430.64	7.887	否	是	有毒	文献[31, 34]

工质	临界温度/K	临界压力/MPa	可燃性	腐蚀性	毒性	已有研究
丙烷	369.89	4.251	是	无	无毒	文献[18-23]
新戊烷	433.74	3.196	是	无	低毒	文献[24]
正丁烷	425.13	3.796	是	无	低毒	文献[20, 22, 25-27]
异丁烷	407.81	3.629	是	无	低毒	文献[22]
环己烷	553.60	4.081	是	无	无毒	文献[22, 25, 28]
H₂S	373.10	9.000	是	是	有毒	文献[20, 22, 28-33]
NH₃	405.56	11.363	是	是	有毒	文献[31]
SO₂	430.64	7.887	否	是	有毒	文献[31, 34]

工质	临界温度/K	临界压力/MPa	腐蚀性	毒性	已有研究
Ne	44.40	2.662	无	无毒	文献［38-39］
O₂	154.58	5.043	无	无毒	文献［25, 29, 34, 39-40］
He	5.20	0.228	无	无毒	文献［25, 29, 33, 39-40］
Ar	150.69	4.863	无	无毒	文献［25, 29, 39-40］
Kr	209.48	5.525	无	无毒	文献［25, 28, 33-34, 39, 41］
Xe	289.73	5.842	无	无毒	文献［26-28, 39, 41］
N₂	126.19	3.396	无	无毒	文献［39-40］
CO	132.86	3.494	无	有毒	文献［34］
CH₄	190.56	4.599	无	无毒	文献［34］

工质	临界温度/K	临界压力/MPa	腐蚀性	毒性	已有研究
Ne	44.40	2.662	无	无毒	文献［38-39］
O₂	154.58	5.043	无	无毒	文献［25, 29, 34, 39-40］
He	5.20	0.228	无	无毒	文献［25, 29, 33, 39-40］
Ar	150.69	4.863	无	无毒	文献［25, 29, 39-40］
Kr	209.48	5.525	无	无毒	文献［25, 28, 33-34, 39, 41］
Xe	289.73	5.842	无	无毒	文献［26-28, 39, 41］
N₂	126.19	3.396	无	无毒	文献［39-40］
CO	132.86	3.494	无	有毒	文献［34］
CH₄	190.56	4.599	无	无毒	文献［34］

循环结构	特点	已有研究
简单回热循环	基本循环形式	文献[26-28, 30, 36]
再压缩循环	降低高压流的质量流量	文献[20, 22, 24-34, 36, 39-41, 54-59]
预压缩循环	增加低压流的压力	文献[29, 54, 59]
中间冷却循环	分级压缩、中间冷却，减少压缩机功耗	文献[26-27, 30-31]
部分冷却循环	再压缩分流前进行预冷却和预压缩	文献[26-27, 30-31]
分流膨胀循环	减少热应力	文献[29, 54, 59]

超临界二氧化碳混合工质布雷顿循环研究进展

Research Progress on Supercritical CO₂-Based Mixture Brayton Cycle

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