李新宇，劉惠民，林志民

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所， 上海 201203)

超臨界二氧化碳(SCO2)布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)是以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)，具有功率密度高、效率高等優(yōu)勢(shì)，在核能、太陽(yáng)能、化石燃料發(fā)電及船舶動(dòng)力等領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。自從Dostal[1]于21世紀(jì)初再次掀起超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)的研究熱潮以來(lái)，諸多學(xué)者[2-5]對(duì)不同超臨界二氧化碳循環(huán)的熱力學(xué)特性、經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備內(nèi)流動(dòng)傳熱特性等進(jìn)行了研究。由于SCO2系統(tǒng)為高溫高壓閉式循環(huán)系統(tǒng)，且系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)物性隨工況變化較大，超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)的研制及運(yùn)行調(diào)節(jié)具有較大難度。目前，僅有桑迪亞實(shí)驗(yàn)室[6]等個(gè)別研究機(jī)構(gòu)完成了原理樣機(jī)的研制和試驗(yàn)，更多研究機(jī)構(gòu)的原理樣機(jī)仍處于研發(fā)設(shè)計(jì)階段。在缺乏試驗(yàn)樣機(jī)的情況下，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真是研究認(rèn)識(shí)系統(tǒng)特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略的重要手段[7]。一些學(xué)者通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真分別研究了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的熱源輸入擾動(dòng)[8]、功率跟蹤[9]、分流比控制[10]和起動(dòng)[11]等過(guò)程特性。目前，針對(duì)SCO2發(fā)電系統(tǒng)緊急停車過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的研究還較少，且許多研究對(duì)換熱器和熱源采用簡(jiǎn)單熱平衡或換熱模型，造成了一定程度的設(shè)備動(dòng)態(tài)特性失真。研究認(rèn)識(shí)SCO2發(fā)電系統(tǒng)在緊急停車時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)于制定系統(tǒng)緊急情況下的安全保護(hù)控制策略、計(jì)算管路及設(shè)備的極限溫度和壓力工況等非常重要。筆者基于一個(gè)在研的300 kW超臨界二氧化碳簡(jiǎn)單回?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)建了可表征設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸特征的詳細(xì)動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)渦輪旁通控制策略下系統(tǒng)發(fā)生緊急停車時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)循環(huán)流程

某300 kW超臨界二氧化碳布雷頓發(fā)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱S300系統(tǒng))循環(huán)流程如圖1所示。系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)，主要由1臺(tái)壓縮機(jī)、渦輪及發(fā)電機(jī)同軸布置的發(fā)電機(jī)組、回?zé)崞?、熱源、冷卻器和必要的管路閥門組成。超臨界二氧化碳工質(zhì)在壓縮機(jī)內(nèi)升壓后進(jìn)入回?zé)崞鲹Q熱升溫，預(yù)熱后的二氧化碳工質(zhì)進(jìn)入熱源吸熱繼而推動(dòng)渦輪做功，做功后的低壓二氧化碳工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞骰責(zé)岷屠鋮s器冷卻后重新回到臨界點(diǎn)狀態(tài)附近，并進(jìn)入壓縮機(jī)開(kāi)始新一輪循環(huán)。在該系統(tǒng)中，回?zé)崞骱屠鋮s器均采用印刷電路板式換熱器(PCHE)，冷卻器的冷側(cè)工質(zhì)為冷卻水，熱源采用燃油鍋爐。

為了在系統(tǒng)需要緊急停車時(shí)快速降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，提出了以渦輪旁通為主要?jiǎng)幼鞯木o急停車控制策略，渦輪旁通閥位置如圖1中閥門V1所示。緊急停車觸發(fā)后，立即打開(kāi)渦輪旁通閥，降低流經(jīng)渦輪的流量從而實(shí)現(xiàn)快速降低渦輪輸出功率的目的。

圖1 S300系統(tǒng)流程圖

2 模型介紹

2.1 葉輪機(jī)械模型

S300系統(tǒng)中的葉輪機(jī)械包含一個(gè)離心壓縮機(jī)和一個(gè)向心渦輪機(jī)。壓縮機(jī)按照等熵壓縮過(guò)程建模，渦輪機(jī)按照等熵膨脹過(guò)程建模。葉輪機(jī)械的性能基于輸入的性能點(diǎn)集進(jìn)行線性插值計(jì)算，性能點(diǎn)集由基于三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真計(jì)算得到的不同轉(zhuǎn)速和流量下的葉輪機(jī)械壓比和效率數(shù)據(jù)組成。不同溫度下的葉輪機(jī)械特性可通過(guò)葉輪機(jī)械性能折合公式計(jì)算得出。性能點(diǎn)集中包含喘振邊界和阻塞邊界，壓縮機(jī)模型只能在喘振邊界和阻塞邊界之間的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。葉輪機(jī)械的動(dòng)態(tài)仿真中，壓縮機(jī)和渦輪機(jī)同軸組成的機(jī)組轉(zhuǎn)子能量方程如下：

Er=Etotal-Ecomp+Eturb-Eloss

(1)

式中：Er為驅(qū)動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的能量；Etotal為機(jī)組外部總功負(fù)荷；Ecomp為壓縮機(jī)耗功；Eturb為渦輪輸出功；Eloss為轉(zhuǎn)子機(jī)械損失。

S300系統(tǒng)中機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為0.17 kg·m2，機(jī)組慣性時(shí)間Tr為9.1 s，其定義如下：

(2)

式中：N0為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，r/min；P為機(jī)組功率，kW。

2.2 換熱器模型

PCHE型換熱器的結(jié)構(gòu)類似于板翅式換熱器，其換熱流道截面為化學(xué)蝕刻形成的半圓結(jié)構(gòu)，不同換熱板之間由擴(kuò)散焊焊接。將回?zé)崞骱屠鋮s器按照板翅式換熱器類型進(jìn)行建模，分別建立流道內(nèi)的控制體瞬態(tài)熱平衡方程(見(jiàn)式(3))和每一層板片的瞬態(tài)熱平衡方程(見(jiàn)式(4))。換熱過(guò)程與壓力解耦計(jì)算。換熱板片的尺寸、流道結(jié)構(gòu)尺寸、換熱通道壓損系數(shù)及換熱器金屬質(zhì)量與S300系統(tǒng)所用PCHE型換熱器的設(shè)計(jì)值保持一致。表1給出了回?zé)崞鲃?dòng)態(tài)模型在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)的模擬值與換熱器設(shè)計(jì)廠商給出的設(shè)計(jì)值之間的比較，可以看出模擬值與設(shè)計(jì)值之間吻合得很好。

(3)

式中：qm為工質(zhì)質(zhì)量流量；Hin為控制體入口工質(zhì)焓；Hout為出口工質(zhì)焓；Qi為周圍板片向控制體的傳熱量；ρ為工質(zhì)密度；V為控制體體積；t為時(shí)間。

(4)

式中：mw為板片質(zhì)量；cw為金屬板片比熱容；Tw為板片平均溫度；Qin為熱流體向板片的傳熱量；Qout為板片向冷流體的傳熱量。

表1 回?zé)崞髟O(shè)計(jì)點(diǎn)模擬值與設(shè)計(jì)值的比較

2.3 熱源模型

基于燃油鍋爐實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)熱源進(jìn)行建模。工質(zhì)在熱源內(nèi)依次流經(jīng)低溫?fù)Q熱面、爐膛受熱面、一級(jí)高溫受熱面和二級(jí)高溫受熱面4個(gè)受熱面。建模范圍包括：燃油與空氣的混合燃燒過(guò)程、爐膛內(nèi)煙氣與各級(jí)受熱面管壁的換熱過(guò)程、管壁熱傳導(dǎo)過(guò)程、管壁對(duì)工質(zhì)的傳熱過(guò)程。假設(shè)輻射受熱面內(nèi)同時(shí)發(fā)生輻射換熱和對(duì)流換熱，其他受熱面內(nèi)僅發(fā)生對(duì)流換熱。模型中各受熱面內(nèi)管束數(shù)量、尺寸與實(shí)際保持一致。對(duì)流傳熱系數(shù)由設(shè)備廠商提供，換熱過(guò)程與壓力解耦計(jì)算。含鍋爐進(jìn)出口管道、受熱面管道及集箱容積的鍋爐工質(zhì)側(cè)總?cè)莘e為1.7 m3。

2.4 其他模型介紹

S300系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型中包含機(jī)組轉(zhuǎn)速控制回路、壓縮機(jī)入口溫度和壓力控制回路以及熱源出口溫度控制回路。模擬緊急停車過(guò)程時(shí)，轉(zhuǎn)速和熱源出口溫度控制功能失效，壓縮機(jī)入口溫度和壓力控制回路保持。

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的管路直徑和容積關(guān)系到系統(tǒng)的阻力損失和容積效應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)的性能和動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。本模型中考慮了管路的阻力損失及容積效應(yīng)，各管段的容積如表2所示。

模型中各物質(zhì)的物性計(jì)算基于NIST REFPROP物性庫(kù)，模型計(jì)算步長(zhǎng)為0.05 s。

表2 S300系統(tǒng)各管路的容積

3 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

對(duì)S300系統(tǒng)在額定功率100%負(fù)荷狀態(tài)下觸發(fā)緊急停車后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。仿真分析中的緊急停車工況選擇為對(duì)系統(tǒng)最危險(xiǎn)的事故工況，即機(jī)組負(fù)荷瞬間由100%降為0%，機(jī)組功率無(wú)法向外輸出，全部用于轉(zhuǎn)速升高和阻力消耗。設(shè)計(jì)的緊急停車控制策略為：緊急停車觸發(fā)后，渦輪旁通閥全開(kāi)，同時(shí)切斷鍋爐燃油。仿真系統(tǒng)初始狀態(tài)為額定發(fā)電狀態(tài)，機(jī)組轉(zhuǎn)速40 000 r/min，設(shè)t=0 s時(shí)系統(tǒng)發(fā)生緊急停車事故，事故檢測(cè)、處理及指令發(fā)送等過(guò)程滯后時(shí)間為0.2 s，即閥門在t=0.2 s時(shí)開(kāi)始動(dòng)作。

3.1 渦輪旁通閥參數(shù)的影響分析

首先分析渦輪旁通閥由全關(guān)到全開(kāi)的動(dòng)作時(shí)間及閥門流量特性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。閥門流量特性是指流過(guò)閥門的介質(zhì)相對(duì)流量與閥門相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系，常見(jiàn)的有線性、等百分比(對(duì)數(shù)關(guān)系)和快開(kāi)3種[12]?？扉_(kāi)型閥門在開(kāi)度較小時(shí)即可通過(guò)較大的流量，且隨著開(kāi)度的增加流量很快達(dá)到最大，一般用于切斷或開(kāi)關(guān)控制場(chǎng)景。圖2給出了在不同流量特性的閥門及不同閥門動(dòng)作時(shí)間下系統(tǒng)發(fā)生緊急停車后的轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖2可以看出，系統(tǒng)在t=0 s發(fā)生緊停事故后，轉(zhuǎn)速開(kāi)始快速上升；當(dāng)無(wú)渦輪旁通控制時(shí)，轉(zhuǎn)速在4 s內(nèi)升高到125%額定轉(zhuǎn)速，且仍未出現(xiàn)下降趨勢(shì)；有渦輪旁通控制時(shí)，t=0.2 s渦輪旁通閥打開(kāi)后，轉(zhuǎn)速上升速率逐漸下降，隨后轉(zhuǎn)速很快達(dá)到最大值并開(kāi)始下降，轉(zhuǎn)速下降過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)震蕩。

圖2 渦輪旁通閥參數(shù)對(duì)緊急停車過(guò)程轉(zhuǎn)速的影響

圖3給出了緊急停車后系統(tǒng)內(nèi)能量分配的變化，渦輪旁通閥選擇為動(dòng)作時(shí)間2 s的快開(kāi)型閥門。t=0 s即緊急停車發(fā)生的瞬間機(jī)組外部總功負(fù)荷Etotal降為0 kW，Ecomp、Eturb和Eloss近似不變，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速變化的能量Er由0 kW瞬間升高到約300 kW，導(dǎo)致緊急停車發(fā)生后機(jī)組轉(zhuǎn)速快速升高。隨著轉(zhuǎn)速的升高及渦輪旁通閥的打開(kāi)，壓縮機(jī)耗功Ecomp快速升高，渦輪輸出功Eturb快速降低，轉(zhuǎn)子機(jī)械損失Eloss略有升高；由式(1)可知，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速增加的能量Er快速下降，因而轉(zhuǎn)速的升高速率下降。t=1.1 s時(shí)，Er由正轉(zhuǎn)負(fù)，轉(zhuǎn)速則到達(dá)最大值并開(kāi)始下降。閥門開(kāi)度達(dá)到100%后，Er和Eturb的快速下降過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入緩慢變化階段。因而以閥門開(kāi)度到達(dá)100%為界，可將緊急停車過(guò)程劃分為2個(gè)特征階段。

圖3 緊急停車過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能量分配的變化

為表征系統(tǒng)緊急停車過(guò)程的控制品質(zhì)，定義轉(zhuǎn)速上升幅度A、轉(zhuǎn)速上升時(shí)間T1和轉(zhuǎn)速下降時(shí)間T23個(gè)參數(shù)。轉(zhuǎn)速上升幅度A定義為緊急停車過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的幅度，到達(dá)最大轉(zhuǎn)速需要的時(shí)間定義為轉(zhuǎn)速上升時(shí)間T1。A可以表征由于轉(zhuǎn)速升高對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)的危險(xiǎn)水平，T1表征系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)速失控狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度，A和T1越小，則緊急停車過(guò)程第一階段的控制品質(zhì)越高。轉(zhuǎn)速下降時(shí)間T2定義為從緊急停車發(fā)生開(kāi)始到機(jī)組轉(zhuǎn)速降至安全轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。T2可以表征危險(xiǎn)過(guò)程持續(xù)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，代表了緊急停車過(guò)程第二階段的控制品質(zhì)。不同故障引發(fā)的緊急停車過(guò)程所要求的轉(zhuǎn)速下降時(shí)間也不同。

圖4給出了閥門動(dòng)作時(shí)間對(duì)緊急停車過(guò)程控制品質(zhì)的影響，閥門流量特性為快開(kāi)型，用于計(jì)算T2的安全轉(zhuǎn)速取10 000 r/min。由圖4可知，對(duì)于同種類型的渦輪旁通閥，閥門全關(guān)到全開(kāi)的動(dòng)作時(shí)間越短，緊急停車后轉(zhuǎn)速上升時(shí)間越短，轉(zhuǎn)速上升幅度越低；渦輪旁通閥動(dòng)作時(shí)間對(duì)緊急停車第一階段的控制品質(zhì)影響顯著。結(jié)合圖2和圖4可以看出，快開(kāi)型旁通閥控制下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和轉(zhuǎn)速上升幅度明顯小于線性和等百分比類型旁通閥，表明對(duì)于緊急停車第一階段的控制效果，快開(kāi)型旁通閥要顯著優(yōu)于線性和等百分比類型旁通閥,線性閥門次之，等百分比閥門最差。當(dāng)閥門動(dòng)作時(shí)間由4 s減小到1 s時(shí)，轉(zhuǎn)速下降時(shí)間僅減小了約4%，由50.4 s減為48.35 s。這表明緊急停車過(guò)程第二階段的變化受旁通閥特性影響非常小。

圖4 閥門動(dòng)作時(shí)間對(duì)緊急停車過(guò)程控制品質(zhì)的影響

圖5為機(jī)組慣性時(shí)間Tr對(duì)緊急停車過(guò)程品質(zhì)的影響。不同機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及功率不同，一般用機(jī)組慣性時(shí)間來(lái)表征不同機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化慣性。從圖5可以看出，在不同的機(jī)組慣性時(shí)間下，T1基本不變，A隨著慣性時(shí)間的增加略有減小，T2受慣性時(shí)間影響較為顯著，隨著慣性時(shí)間的增加而增大。

圖5 機(jī)組慣性時(shí)間對(duì)緊急停車過(guò)程控制品質(zhì)的影響

綜上所述，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間T1僅與閥門流量特性有關(guān)，與機(jī)組慣性無(wú)關(guān)；轉(zhuǎn)速上升幅度A同時(shí)受閥門流量特性和機(jī)組慣性影響，其中閥門流量特性占主要作用；轉(zhuǎn)速下降時(shí)間T2則主要受機(jī)組慣性特性影響，閥門流量特性影響較小。系統(tǒng)緊急停車第一階段的動(dòng)態(tài)特性主要受旁通閥特性影響，第二階段的動(dòng)態(tài)特性主要受系統(tǒng)自身慣性特性、阻力特性等因素影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)水平不同，高速葉輪機(jī)械允許的最高轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的5%～10%。在超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇快開(kāi)型旁通閥時(shí)，閥門動(dòng)作時(shí)間在2 s內(nèi)時(shí)即可保證較好的緊急停車過(guò)程第一階段控制品質(zhì)。

3.2 緊急停車過(guò)程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

選用動(dòng)作時(shí)間2 s的快開(kāi)型渦輪旁通閥，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生緊急停車后各設(shè)備的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究。

系統(tǒng)在t=0 s時(shí)發(fā)生緊急停車事故，t=0.2 s渦輪旁通閥開(kāi)始動(dòng)作，并在2 s內(nèi)閥門開(kāi)度達(dá)到100%。t=1 s閥門開(kāi)度達(dá)到約50%時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，并開(kāi)始逐漸下降。圖6為壓縮機(jī)和渦輪的入口和出口壓力的變化。渦輪旁通閥打開(kāi)后，渦輪前后壓差降低，渦輪入口壓力迅速降低；渦輪出口壓力先上升后緩慢下降，在t=0 s時(shí)壓力初始值為8.6 MPa，在t=2.35 s時(shí)到達(dá)最大值9.23 MPa，升高了7.3%；回?zé)崞鳠醾?cè)出口和入口與渦輪出口直接連通，因而其壓力變化趨勢(shì)與渦輪出口壓力趨勢(shì)相似。壓縮機(jī)入口壓力由于事故初期轉(zhuǎn)速的快速升高而出現(xiàn)下降，隨后在入口壓力控制系統(tǒng)作用下恢復(fù)到正常值。壓縮機(jī)出口壓力在轉(zhuǎn)速變化的影響下呈先升高后下降的趨勢(shì)，在t=0.5 s時(shí)到達(dá)最高值14.2 MPa，相比于初始值14 MPa，變化幅度僅為1.5%。

圖6 緊急停車過(guò)程中葉輪機(jī)械入口和出口壓力的變化

圖7為各設(shè)備入口質(zhì)量流量的變化情況。質(zhì)量流量的變化也分為2個(gè)階段。第一個(gè)階段為事故初期渦輪旁通閥打開(kāi)的過(guò)程(t=0～2 s)，渦輪入口質(zhì)量流量隨著渦輪旁通閥的打開(kāi)迅速下降40%，壓縮機(jī)入口和回?zé)崞骼鋫?cè)入口質(zhì)量流量則快速升高35%；回?zé)崞鳠醾?cè)入口質(zhì)量流量在2 s內(nèi)升高了約80%，這主要是因?yàn)闇u輪旁通閥打開(kāi)后形成并聯(lián)管路，顯著降低了渦輪段的阻力。在第一階段，系統(tǒng)的響應(yīng)特性主要受旁通閥特性的主導(dǎo)。t=2 s后，系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)入第二個(gè)階段，各點(diǎn)的質(zhì)量流量隨著轉(zhuǎn)速的下降而緩慢下降，系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芟到y(tǒng)自身特性即轉(zhuǎn)速變化主導(dǎo)。

圖7 緊急停車過(guò)程中各設(shè)備入口質(zhì)量流量的變化

圖8給出了各設(shè)備入口和出口溫度的變化。由于渦輪旁通閥打開(kāi)后渦輪做功迅速降低，渦輪段節(jié)流效應(yīng)下降，因而在渦輪出口下游形成了熱沖擊現(xiàn)象?；?zé)崞鳠醾?cè)入口溫度在事故發(fā)生2 s內(nèi)迅速升高30 K，隨后在熱源的熱慣性作用下繼續(xù)略有上升?；?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度在熱沖擊作用下于2.5 s內(nèi)上升10 K，之后開(kāi)始逐漸下降；回?zé)崞骼鋫?cè)入口溫度先略微上升，而后逐漸下降，初期的溫度上升主要是由壓縮機(jī)壓縮耗功增加引起的?；?zé)崞骼鋫?cè)出口溫度在事故初期的2 s內(nèi)快速下降了10 K，隨后逐漸上升。在回?zé)崞骼鋫?cè)入口溫度上升、熱側(cè)入口溫度大幅上升的情況下，冷側(cè)出口溫度沒(méi)有立即上升，反而出現(xiàn)了快速下降。這可能是由于渦輪旁通閥打開(kāi)后，回?zé)崞骼鋫?cè)出口下游的壓力迅速下降，壓力波的傳播速度比熱量傳遞快，造成冷側(cè)出口工質(zhì)發(fā)生了絕熱膨脹，溫度下降。當(dāng)傳熱響應(yīng)發(fā)生后，回?zé)崞骼鋫?cè)出口溫度的變化受到傳熱過(guò)程主導(dǎo)開(kāi)始逐漸上升。

圖8 緊急停車過(guò)程中設(shè)備入口和出口溫度的變化

仿真結(jié)果表明，緊急停車導(dǎo)致渦輪旁通閥打開(kāi)后，渦輪出口至回?zé)崞魅肟诙蔚膲毫^額定值出現(xiàn)了明顯的升高，回?zé)崞髟谠撨^(guò)程中也會(huì)承受瞬間的熱沖擊且工作溫度出現(xiàn)升高，這些現(xiàn)象是今后在進(jìn)行超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備及管路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的，否則可能引發(fā)系統(tǒng)安全事故。

4 結(jié) 論

(1) 渦輪旁通策略下的緊急停車過(guò)程可劃分為2個(gè)階段。第一階段的動(dòng)態(tài)特性受旁通閥特性主導(dǎo)；在第一階段的控制品質(zhì)方面，快開(kāi)型閥門最優(yōu)，線性閥門次之，等百分比閥門最差；對(duì)于同類型閥門，控制品質(zhì)與閥門全關(guān)到全開(kāi)的動(dòng)作時(shí)間成反比。第二階段的響應(yīng)特性呈單調(diào)衰減趨勢(shì)，持續(xù)時(shí)間40～50 s，主要受系統(tǒng)自身特性影響。

(2) 對(duì)于百千瓦級(jí)別的超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組，選用動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)2 s的快開(kāi)型閥門作為渦輪旁通閥可保證較好的緊急停車第一階段控制品質(zhì)。但僅依靠渦輪旁通閥的緊急停車過(guò)程轉(zhuǎn)速下降時(shí)間較長(zhǎng)，難以保證第二階段的控制品質(zhì)滿足所有事故工況的停車時(shí)間要求；對(duì)于緊急停車時(shí)間要求苛刻的事故，需要考慮設(shè)計(jì)其他控制策略。

(3) 系統(tǒng)緊急停車的第一階段中，設(shè)備會(huì)承受一定的沖擊效應(yīng)，在進(jìn)行超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮；壓力的沖擊出現(xiàn)在壓縮機(jī)出口和渦輪出口段，分別上升1.5%和7.3%；質(zhì)量流量的沖擊出現(xiàn)在壓縮機(jī)至回?zé)崞鞫我约皽u輪至回?zé)崞鞫?，分別上升了35%和80%；溫度的上升主要出現(xiàn)在渦輪出口至回?zé)崞鳠醾?cè)出口段，最高出現(xiàn)了30 K的熱沖擊。