超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷控制方法的优化与研究

《Annals of Nuclear Energy》：Optimization and research on variable load control methods for supercritical carbon dioxide Brayton Cycles

　　•对RSCBC系统各类独立负荷跟踪策略进行系统性全范围评估。•通过量化效率、稳定性及运行极限，揭示其固有的控制缺陷。•基于各方法的最佳运行区间，提出一种新型的分段耦合策略。•该策略可实现0–100%的稳定满负荷运行，并将循环效率提升2–10%。

引言
SCBC系统是一种以sCO2为工作流体的新型能量转换技术，具有高效、结构紧凑且适应性强等特点（Abram和Ion，2008）。作为海军核动力系统技术创新的重要方向之一，它已被纳入美国海军加热器研究计划中（Ashcroft，2009；Kimball，2013）。sCO2能量转换系统的概念最早由Feher在1967年提出（Feher，1968；Feher，1968；Feher，1971）。随后Feher与ANGELINO对多种SCBC配置及其效率进行了分析（Angelino，1967；Angelino，1968）。但由于关键部件制造技术的不足，这一时期的系统发展受到限制。近几十年来，涡轮机械技术（Conboy等人，2012；Conboy等人，2013；Utamura等人，2012）以及小型微通道换热器技术（Wei等人，2016；Mershram等人，2016）的显著进步，使得SCBC系统能够应用于多种热源，包括核能（Lee等人，2023；Zhou等人，2024）、太阳能（Cao等人，2022；Tang，2019）、废热回收（Chai和Tassou，2022）以及燃煤系统（Mecheri，2018）。在实际工程应用中，无论热源如何，sCO2循环系统都必须频繁应对电网负荷变化以及热源工况的波动。因此，稳定高效的负荷跟踪控制策略对于确保负荷跟踪能力、提升运行效率以及保障系统安全至关重要（Milani和Luu，2017）。由此可见，针对SCBC系统的负荷跟踪控制策略研究对于推动其工程应用和商业化运营具有重要的现实意义。

目前已有大量关于SCBC循环系统控制策略的研究，这些策略通常分为独立控制与组合控制两类。常见的独立控制策略包括转速控制、储液控制、节流控制以及温度控制（Ahmed，2025）。Park等人（Park等人，2017.12.092）研究了在恒定转速和热源温度条件下的旁通控制，结果表明该方法能够有效将循环功率降至额定值的50%。类似地，Carstens指出，从理论上讲旁通控制可以实现全范围的负荷调节，但会降低循环效率。Tang等人（Tang等人，2019）比较了不同控制策略下的动态负荷降低效果，发现储液控制能实现最高的循环效率，而涡轮节流则能使负荷更快下降。Li（Yang等人，2020）对储液控制、涡轮旁通以及涡轮进口温度控制进行了评估，认为在部分负荷条件下储液控制能带来最佳的循环效率。Milani（Milani等人，2017）和Li（Li等人，2021）进一步研究发现，通过充排工作流体会暂时改变系统状态，从而导致负荷调节速度相对较慢。Dostal等人（Dostal和Driscoll，2004）提出了两种储液控制实现方案，第一种方案存在响应速度慢的缺点，而第二种方案虽然通过增加压缩机提升了响应速度，但会增加系统复杂度及控制难度。Liese（Liese等人，2020）和Carstens（Carstens，2007）证实，尽管储液控制能提高循环效率，但其响应速度较慢，且负荷调节范围有限（仅为额定功率的50.6%～112.5%）。相比之下，旁通阀控制虽可将负荷调节范围扩展到额定功率的30%～100%，但却会降低循环效率并增加换热器的热应力（Ming等人，2022）。总体而言，独立控制方法中转速控制受到的关注相对较少，而且没有哪种单一控制策略能够在全运行范围内实现最佳的负荷跟踪效果（Milani和Luu，2017）。Marchionni等人（Marchionni等人，2021）也指出了独立控制的性能局限，建议进一步探索组合控制策略以提升系统整体性能。正因如此，组合控制方法得到了越来越多的研究。

在再压缩循环方面，Chang等人（Chang等人，2023）表明，通过协调压缩机再循环阀与工作流体储液量，可以有效优化运行条件并防止压缩机堵塞。与单独的储液控制相比，这种组合策略可使涡轮效率提升4.5%，整体热效率提升7.1%。Oh等人（Oh等人，2017）也发现，将反应堆核心旁通与储液控制相结合，既能够满足负荷调节需求，又能保持较高的循环效率。Wang等人（Wang等人，2022）指出，在低负荷条件下，仅采用储液控制可能会导致压缩机喘振，而与旁通控制结合使用则能有效避免这一风险。不过，将容积控制与高温回热器旁通结合使用则会降低系统响应速度。这些研究结果表明，相比独立控制，组合控制在整个负荷范围内通常表现更优，尤其在低负荷条件下优势更为明显。Zhou等人（Zhou等人，2024）发现，在33%～108%的负荷范围内，转速-储液控制能实现最高效率，而转速-涡轮进口压力控制则适用于0%～108%的负荷范围，但其最低稳定负荷仅为17%。Gini等人（Gini等人，2023）通过对简单回热循环的模拟发现，通过协调控制转速、熔盐流量以及总工作流体储液量，即便循环效率比设计点低约20%，仍能在部分负荷下保持稳定运行，负荷低至额定功率的51%。Carstens（Carstens，2007）和Du（Du等人，2023）进一步提出，温度-储液控制以及旁通-储液控制等组合策略能够缓解系统在临界点附近的稳定性问题，他们建议开展更多对比研究，以确定低负荷运行的最优控制方案。

对现有文献的全面梳理显示，RSCBC系统的控制策略研究还存在若干空白。首先，大多数研究仅聚焦于单一控制方法，而对转速控制的探讨仍然不足。很少有研究从系统效率及参数稳定性角度，对主流独立控制策略在全负荷范围内的表现进行系统比较，这为实际选型提供了有限的指导。其次，现有研究很少考虑运行边界、调节机制与动态热响应之间的耦合关系，难以识别独立控制固有的局限性。第三，大多数组合控制方法仅适用于部分负荷范围，虽然有一些方法能够覆盖0～100%的额定功率范围，但需要同时启用多个控制回路，这不仅增加了控制复杂性，还往往会影响效率与稳定性。

为解决上述问题，本研究利用高精度仿真平台，针对基于RSCBC的核动力系统展开了研究。通过对典型独立控制方法的负荷跟踪能力、动态响应特性以及适用范围进行定量评估，结合各方法的优点与缺陷，提出了一种新型的分段耦合复合控制策略。根据不同方法的最佳适用范围划分负荷区域，并在每个区域内采用差异化的控制方案，从而实现全负荷范围内的协同调节。该策略突破了独立控制方法的运行限制，能够在0～100%的额定功率范围内实现高循环效率与系统稳定运行，同时避免了完全耦合控制带来的过高复杂度。本研究为先进sCO2核动力系统的全范围非设计工况调节提供了实用的技术解决方案与理论参考。

章节节选
系统架构简介
RSCBC是一种基于传统回热循环的改进型配置，它配备了低温回热器以及由再压缩机驱动的分流式结构。该循环的流程示意图及对应的温度-熵图分别如图1(a)和图1(b)所示。

从反应堆流出的高温高压工作流体首先经过涡轮膨胀做功（2–3），在此过程中热能被转化为电能。

数学建模
(1)压缩机模型
该压缩机模型采用等熵压缩假设，其控制方程由式(1)至式(7)推导得出：
Sin_com=fPin_com,Hin\_com
Sout_com=Sin_comHout
0_com=f(Pout_com,Sout_com)

通过利用压缩机性能曲线，可以确定压缩机的实际出口焓值，进而得出工作流体的对应出口温度。根据设备的正向设计，压缩机的效率为0.80，具体数值见表1。

储液控制
储液控制是通过调节循环系统中的工作流体质量来控制系统负荷的。在RSCBC系统中，压缩机在接近工作流体临界点的状态下运行，此时流体的密度对压力和温度的变化极为敏感。为研究储液控制下的系统行为，在系统的高压侧（主压缩机出口）与低压侧（冷却器入口）之间设置了缓冲罐。在负荷降低时，

结论
本研究利用NUMAP平台对RSCBC系统进行了研究，重点分析了系统效率与运行稳定性。对储液控制、转速控制、节流控制以及温度控制这四种主流单一控制策略的负荷跟踪特性、响应行为及适用范围进行了系统评估。基于这些研究结果，提出了一种分段复合控制策略：

(1)单一控制策略的性能差异。转速控制

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U2341248和U1967203）、核动力技术创新中心（HDLCXZX-2023-HD-014）、四川省自然科学基金（2024NSFSC1 359）以及中国核动力研究院青年人才基金（KJCX-2025-Young Talent Fund-01）的支持。

刘秀婷|黄彦平|周渊|龚厚军|唐宇|刘敏云