超临界CO2 富集混合物状态方程的优化与性能评估及其在NET Power循环中的应用研究

为解决NET Power循环中超临界CO2 混合物体积和相行为精确建模难题，研究人员对PR、SRK、LKP、BWRS、PC-SAFT和CPA六种状态方程(EoS)进行参数校准。研究发现GERG-2008+LKP组合模型能最准确预测密度(平均偏差1.34%)和相平衡(LKP偏差仅2.03%)，为高能效碳捕集系统设计提供关键理论支撑。

　　

在能源转型与碳中和背景下，NET Power循环作为一种新型零排放能源技术备受关注。该系统采用超临界CO₂
(sCO₂
)作为工质，通过oxy-combustion(氧燃烧)技术实现近100%的CO₂
捕集，理论效率高达55.8%。然而，循环中sCO₂
富集混合物的压缩过程涉及复杂的超临界相变行为，传统状态方程在临界点附近预测精度不足，导致压缩功计算偏差可达1.7倍，直接影响系统效率评估和设备设计。

为解决这一关键问题，国外研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表重要研究成果。研究人员系统评估了Peng-Robinson(PR)、Soave-Redlich-Kwong(SRK)、Lee-Kesler-Pl?cker(LKP)、Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)、perturbed chain SAFT(PC-SAFT)和Cubic-Plus-Association(CPA)六种状态方程在NET Power循环工况下的适用性。研究采用Aspen Plus V12.1和Matlab R2022b联合仿真平台，通过ActiveX服务器实现数据交互，基于最大似然目标函数优化二元交互参数，覆盖1-49 MPa、293.18-423.15 K和72.6-99.8% mol CO₂
的典型工况范围。实验数据来源于7种sCO₂
二元体系的密度和汽液平衡(VLE)测量结果，采用平均绝对相对偏差(AARD)作为评价指标。

3.1. 状态方程校准结果

研究发现LKP方程在CO₂
-H₂
O体系相平衡预测中表现最优，泡点线和露点线平均偏差仅2.03%。而GERG-2008在密度预测方面展现出显著优势，七种混合物平均AARD低至1.34%。值得注意的是，立方型PR和SRK方程经参数优化后，其预测精度甚至优于部分复杂理论模型，在8-30 MPa压力范围内密度预测偏差<10%。

3.2. 压缩过程模拟

在7.4→30 MPa等熵压缩模拟中，仅CPA和GERG-2008能准确捕捉超临界相变特征。对于典型循环工质(97.93% CO₂
)，GERG-2008计算的比压缩功为33.02 kJ·kg^-1
，而PR、SRK等方程高估达1.7倍。这种偏差将导致循环效率评估偏低1.7%，并引起泵体和回热器设计冗余。而对于高氧含量(23% O₂
)的氧化剂流，各方程预测结果趋于一致，压缩功约为79-84 kJ·kg^-1
。

该研究确立了GERG-2008+LKP的组合模型作为NET Power循环建模的最佳选择，解决了超临界区物性预测的行业难题。理论层面，首次系统验证了不同状态方程在碳捕集系统典型工况下的适用边界；工程层面，为高精度循环效率计算和设备优化设计提供了可靠工具。特别是发现传统立方型方程的压缩功高估问题，避免了价值数百万美元的设备过度设计。未来研究可针对NET Power循环特定组分开展实验测量，进一步提升模型在多元体系中的预测精度。