Study of Power Cycle with Supercritical CO2

Abstract

With the increasing interest in solar and geothermal power plants as well as waste heat recovery systems from many technologies, the whole world is more focused on the gas power cycles. Especially, the supercritical carbon dioxide (S-CO2) cycles are very interesting for these applications. The S-CO2 power cycles have a many advantages and disadvantages over the other cycles such as a steam-water cycle or helium Brayton cycle. The advantages are the cycles are compact systems, the compressor power is lower than for helium Brayton cycle, the cycles are very simple. One of the disadvantages is the effect of real properties, which can be significantly altered by the presence of impurities in the working fluid. Because, it is obvious that impurities through the change of thermodynamic and transport properties affect the cycle as they influence cycle component design and thus the overall efficiency of the power cycle and the net power. The research was oriented on the description of the effect of the mixtures on the S-CO2 power cycle. The research has focused on the several areas, which are connected to each other for the complex overview and description of the effect of the mixtures on S-CO2 power cycle. The research was conducted for the binary mixtures of CO2 with He, Ar, CO, N2, O2, H2S, H2, CH4, Xe, Kr and SO2. The all investigated substances, except for H2S, Xe and SO2 have a negative effect on the cycle and the cycle efficiency. The effect of the mixtures on the compressor performance is negative. The effect of the mixtures on the turbine performance is negligibly positive. The effect of mixtures on the heat exchangers is different for different type of the heat exchangers. The optimum amount of the second substance is up to 1 %. The effect of mixtures must be taken into account when designing the S-CO2 power cycle. The optimization for each application of the S-CO2 power cycle is very important when designing of the S-CO2 power cycle. With good optimization and design of the cycle which uses mixtures, marginal negative effect on the cycle efficiency and the net power output can be achieved. Regardless of the CO2 purity, the same cycle layouts can be used, however in order to achieve good performance with the impurities the cycle operating conditions and components design most be re-optimized.

S rostoucím zájmem o solární a geotermální elektrárny a systémy využívající odpadního tepla z mnoha technologií se celý svět více orientuje na využívání plynných cyklů. Tepelné oběhy s nadkritickým CO2 (S-CO2) jsou velmi zajímavé tepelné oběhy pro tyto aplikace. S-CO2 cykly mají mnoho výhod, ale i nevýhod v porovnání s dalšími tepelnými oběhy, jako je parní nebo Heliový. Výhodou S-CO2 cyklu je, že je kompaktní a velmi jednoduchý, výkon kompresoru je nižší než pro cyklus využívající helium jako pracovní medium. Jednou z nevýhod je vliv reálných vlastností, které mohou být významně ovlivněny přítomností nečistot v pracovním mediu. Je zřejmé, že nečistoty ovlivňují tepelný oběh, konstrukci komponentů, celkovou účinnost a výkon, z důvodu změn termodynamických a transportních vlastností. Výzkum byl zaměřen na popis vlivu směsí na S-CO2 cykly. Výzkum je rozdělen na několik oblastí, které jsou vzájemně propojeny pro komplexní přehled a popis účinku směsí na S-CO2 cykly. Výzkum byl proveden pro binární směsi CO2 s He, Ar, CO, N2, O2, H2S, H2, CH4, Xe, Kr a SO2. Všechny zkoumané látky, s výjimkou H2S, Xe a SO2 mají negativní vliv na cykly a jejich účinnost. Vliv směsí na příkon kompresoru je nepříznivý. Vliv směsí na výkon turbíny je nepatrně pozitivní. Vliv směsí na výměníky tepla je rozdílný pro různé druhy výměníků tepla. Optimální množství sekundární látky je do 1 %. Vliv směsí musí být zohledněn při návrhu S-CO2 cyklu. Optimalizace je velmi důležitá při návrhu S-CO2 cyklu pro každou jeho aplikaci a rozvržení cyklu. Je možné dosáhnout minimálního vlivu směsí na S-CO2 cykly při dobré optimalizaci a návrhu tepelného oběhu. Bez ohledu na čistotu CO2 může být použito stejné rozložení tepelného oběhu, nicméně jsou, pro dosažení maximálního výkonu S-CO2 cyklu s nečistotami, provozní parametry a konstrukce komponentů opakovaně optimalizovány.