超臨界二氧化碳透平循環(huán)特性研究

超臨界二氧化碳透平循環(huán)特性研究

作為第四代原子能系統(tǒng)的替代品，其特點(diǎn)是高溫氣冷和快速氣冷堆具有高度安全性、高效率和用途廣泛的特點(diǎn)。假設(shè)假設(shè)氫氣作為沉積直接的工質(zhì)化材料。由于氦氣具有穩(wěn)定、無毒、無感生放射性、熱容大等特點(diǎn),因此,目前世界上的氣冷堆廣泛使用氦氣作為直接閉式Brayton循環(huán)的工質(zhì)及反應(yīng)堆的冷卻劑。但氦氣循環(huán)需較高的循環(huán)最高溫度(堆芯出口溫度)才能達(dá)到滿意的效率,因此,對反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料、燃料元件材料等提出了較高的要求,同時(shí)由于氦氣密度低、可壓縮系數(shù)小等缺點(diǎn),氦氣循環(huán)葉輪機(jī)械的制造也產(chǎn)生了一定困難。與氦氣相比,CO2因其密度大,且易于壓縮,CO2的臨界溫度為304.19K,比環(huán)境溫度略高,臨界壓力為7.3773MPa,在運(yùn)行工況下,可利用其實(shí)際氣體的性質(zhì)減少壓縮功等,采用CO2作為工質(zhì)的循環(huán)所需的溫度不需太高即可與氦氣循環(huán)具有相當(dāng)?shù)男?因此,使用CO2作為氣冷堆循環(huán)的工質(zhì)具有廣闊的潛力。同時(shí),CO2循環(huán)也被推薦使用于第4代核能系統(tǒng)中的鈉冷快堆(SFR)和鉛冷快堆(LFR)。12.2動力循環(huán)描述1.1broa鄉(xiāng)村回?zé)崞鞯幕責(zé)徇^程與理想氣體的Brayton循環(huán)類似,CO2的簡單超臨界Brayton循環(huán)如圖1所示,分為以下幾個(gè)部分:1至2為CO2在壓縮機(jī)中被壓縮至循環(huán)最高壓力的過程;2至3為CO2在回?zé)崞髦械奈鼰徇^程;3至4為CO2在中間換熱器從反應(yīng)堆堆芯或熱源的吸熱過程;4至5為CO2在透平中的膨脹做功過程;5至6為CO2回?zé)崞髦械幕責(zé)徇^程;6至1為CO2的預(yù)冷過程。其中,2至3及5至6的回?zé)崞鞯幕責(zé)徇^程是Brayton循環(huán)的關(guān)鍵?；?zé)崞鞯拇嬖谑沟肂rayton循環(huán)的熱量得以最大限度地利用,從而提高了循環(huán)的效率。受堆芯出口溫度限制以及CO2工況下比熱容變化較大的影響,CO2簡單超臨界Brayton循環(huán)的效率與氦氣循環(huán)相比并不高。由于CO2相對氦氣較為活潑,高溫下可與燃料元件和金屬構(gòu)件發(fā)生化學(xué)腐蝕,因此,在使用CO2作為冷卻劑的氣冷堆中存在工程約束條件,即CO2的工作溫度不能超過670℃。同時(shí),CO2工作在臨界點(diǎn)附近,是實(shí)際氣體的Brayton循環(huán),在回?zé)崞鞲邏簜?cè)和低壓側(cè)流體的比熱容變化均較大。由于回?zé)崞鞲邏簜?cè)流體的比熱容大于低壓側(cè)流體比熱容,因此,在傳遞相同熱量的情況下,回?zé)崞鞯蛪簜?cè)需較大的溫差才能使高壓側(cè)產(chǎn)生較小的溫升,從而使得換熱器可能出現(xiàn)夾點(diǎn),令傳熱惡化,這也使得高壓側(cè)流體在反應(yīng)堆堆芯或熱源處需吸取更多的熱量才能達(dá)到設(shè)計(jì)的循環(huán)最高溫度,因而降低了CO2簡單超臨界Brayton循環(huán)的效率。1.2回?zé)釅嚎s循環(huán)流程為克服CO2作為實(shí)際氣體進(jìn)行Brayton循環(huán)的上述缺點(diǎn),充分利用其在臨界點(diǎn)附近密度較大、所需壓縮功較小的優(yōu)勢,采用分流壓縮循環(huán)。如圖2所示,采用兩個(gè)回?zé)崞骱蛢膳_壓縮機(jī)。透平出口氣體流經(jīng)高溫回?zé)崞骷暗蜏鼗責(zé)崞骱蠓至?一部分流體進(jìn)行預(yù)冷,經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后,進(jìn)入低溫回?zé)崞骰責(zé)?如圖中6→1→2→2′;另一部分流體不經(jīng)預(yù)冷,直接壓縮,如圖中6→2′,這部分流體壓縮后與低溫回?zé)崞鞒隹诹黧w混合進(jìn)入高溫回?zé)崞髦谢責(zé)?這兩股流體具有相同的壓力和溫度。2broa鄉(xiāng)村循環(huán)的分流設(shè)計(jì)根據(jù)熱力學(xué)定律進(jìn)行循環(huán)計(jì)算。CO2工作在臨界點(diǎn)附近,其物性由壓力p、溫度T共同決定。定義循環(huán)壓比ε、溫比τ為:ε=pmax/pmin(1)τ=Τmax/Τmin(2)其中:下標(biāo)max、min分別表示循環(huán)中最高和最低。壓氣機(jī)的壓縮過程可表示為:sc,out=sc,in(3)hc,out=(hc,out,is-hc,in)/ηc+hc,in(4)類似地,透平的做功過程可表示為:st,out=st,in(5)ht,out=(ht,out,is-ht,in)/ηt+ht,in(6)式中:s為比熵;h為比焓;下標(biāo)c、t分別表示壓氣機(jī)和透平,in、out分別表示進(jìn)口和出口,is表示等熵過程;η為部件等熵效率。設(shè)循環(huán)總壓損率為ξ,其計(jì)算公式為:ξ=ξlrec,cold+ξhrec,cold+ξcore+ξhrec,hot+ξlrec,hot+ξprecooler(7)其中,部件壓損率為各部件壓力損失與循環(huán)最高壓力之比,下標(biāo)lrec、hrec、core、precooler分別表示低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞鳌⒍研炯邦A(yù)冷器,cold、hot表示回?zé)崞骼涠撕蜔岫?。假設(shè)經(jīng)過預(yù)冷器的流量份額為x(0≤x≤1),低溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葎t為:αlrec=x(h2′-h2)(mcp)minΔtmax=h5′-h6(mcp)minΔtmax(8)高溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葹?αhrec=h3-h2′h5-h(p5′,t2′)=h5-h5′h5-h(p5′,t2′)(9)αhrec與αlrec的計(jì)算方法差異由分流而引起的。其中,兩個(gè)回?zé)崞鞲邏簜?cè)的出口溫度須分別滿足條件T2+δt≤T6≤T5′及T2′+δt′≤T5′≤T5,δt、δt′是為避免回?zé)崞鲀?nèi)出現(xiàn)夾點(diǎn)而使回?zé)崞鲀蓚?cè)溫差過小導(dǎo)致傳熱惡化而設(shè)置的工程上所允許的最小溫差,通常取為8℃?；?zé)崞髦袩崃拷粨Q為:h5-h6=(1-x)(h3-h2′)+x(h3-h2)(10)計(jì)算完成各部件進(jìn)出口工況,循環(huán)效率可表示為:η=h4-h5-x(h2-h1)-(1-x)(h2′-h6)h4-h3(11)式(11)從做功的角度來計(jì)算循環(huán)效率,即系統(tǒng)對外界做功(透平做功減去壓氣機(jī)耗功)與系統(tǒng)從外界吸收熱量之比。效率還可表示為:η=1-x(h6-h1)/(h4-h3)(12)式(12)從能量損失的角度來計(jì)算循環(huán)效率?？煽闯?對于采用分流的設(shè)計(jì),Brayton循環(huán)釋放到環(huán)境中未得到利用的熱量減少,同時(shí)在熱源吸收的熱量減少,因此,循環(huán)效率大幅提高。分流措施可在CO2超臨界Brayton循環(huán)中使用是由于CO2物性受工作環(huán)境下的壓力、溫度影響較大。在無分流回?zé)釙r(shí),有mˉcp,hΔth=mˉcp,lΔtl,下標(biāo)h表示回?zé)崞鞲邏簜?cè),l表示低壓側(cè)。其中,cp,h>cp,l,因此,Δth<Δtl。這樣,在冷端流體溫差不大的情況下使得回?zé)崞鳠岫肆黧w間溫差較大,而采用分流可減小CO2超臨界Brayton循環(huán)中回?zé)崞鳠岫肆黧w間溫差,從而提高進(jìn)入堆芯換熱的溫度,單位工質(zhì)只需吸收相對較少的熱量,即可達(dá)到與無分流情況下相同的堆芯出口溫度。同時(shí),分流時(shí),壓縮機(jī)工作在臨界點(diǎn)附近,此時(shí)的流體密度較大,壓縮機(jī)耗功相對較少。因此,綜上使得循環(huán)的效率得以提高。但這樣的分流設(shè)計(jì)在理想氣體Brayton循環(huán)中是不適用的。因氦氣等理想氣體在不同壓力、溫度下的比熱容變化不大,因此,回?zé)崞鲀?nèi)部溫差變化不大,特別是回?zé)崞鳠岫诉M(jìn)出口溫差與冷端進(jìn)出口溫差幾乎相同,在合理的工程設(shè)計(jì)下,這個(gè)溫差不會很大。若同樣采用分流,回?zé)崞骼淞黧w的溫升提高空間有限,同時(shí)由于增加了1臺壓氣機(jī),從而增加了投資成本。理想氣體在遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)處壓縮,壓縮機(jī)耗功較多。所以,分流式設(shè)計(jì)并不適用于理想氣體Brayton循環(huán)。綜上分析,分流式設(shè)計(jì)較適用于回?zé)崞鞲邏簜?cè)定壓比熱容較大的非理想氣體Brayton循環(huán)。由上述分析可知,CO2超臨界Brayton循環(huán)的效率可簡化成η=η(φ,ε,τ,η,ξ,ki),其中,φ為初始點(diǎn)的工況,ε為循環(huán)壓比,τ為循環(huán)溫比,η為壓氣機(jī)和透平的等熵效率,η=[ηt,ηc1,ηc2],ξ為各部件壓力損失,ki(ki共有4個(gè)參數(shù))為經(jīng)過預(yù)冷器的流量份額x,低溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口溫度與高壓側(cè)入口(即回?zé)崞骼涠?溫度之差Δt,低溫回?zé)崞骰責(zé)岫圈羖rec,高溫回?zé)崞骰責(zé)岫圈羑rec,可從中任選其二。只要確定了以上參數(shù),并保證回?zé)崞鞑怀霈F(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象,即滿足回?zé)崞魅我恻c(diǎn)溫差不低于工程所要求的最低溫差,即可唯一確定CO2超臨界Brayton循環(huán)的效率。3初始點(diǎn)參數(shù)選取以下將詳細(xì)分析循環(huán)計(jì)算的各參數(shù)對循環(huán)效率的影響。同時(shí),由于x、Δt、αlrec、αhrec4個(gè)參數(shù)只有其中兩個(gè)是獨(dú)立的,因此,只需確定壓比、溫比及上述任意2個(gè)參數(shù)即可確定循環(huán)效率。本文為簡化起見,始終選擇ki中Δt為其中1個(gè)確定效率的變量,這樣具有實(shí)際意義,同時(shí)簡化了討論。因?qū)嶋H氣體在Brayton循環(huán)中的物性受壓力、溫度的影響很大,因此,初始計(jì)算點(diǎn)參數(shù)的選取對循環(huán)的計(jì)算也有影響。下文選取循環(huán)最低壓力、溫度點(diǎn)作為初始點(diǎn),對循環(huán)進(jìn)行特性分析。初始點(diǎn)的工況選取為7.7MPa、32℃。3.1循環(huán)效率與壓比的關(guān)系圖3示出在不同循環(huán)最高溫度情況下選取x=0.7時(shí)的效率隨壓比的變化。與理想氣體Brayton循環(huán)相似,效率隨壓比的提高不斷增加,但增加到一定值時(shí)開始下降(見tmax=450℃);隨循環(huán)溫度的提高,最大循環(huán)效率對應(yīng)的壓比也在增大。隨壓比的增大,透平做功和壓縮機(jī)耗功均增加,壓比較小時(shí),透平做功增長率大于壓氣機(jī)耗功增長率,但透平做功增長率隨壓比增大逐漸減小而壓縮機(jī)耗功增長率卻逐漸增加,因此,循環(huán)存在最佳效率。但隨壓比增大,低溫回?zé)崞鲿霈F(xiàn)夾點(diǎn),換熱溫差變小使得傳熱惡化,此時(shí)即達(dá)到指定x下循環(huán)的最大壓比。受此限制,在tmax=550℃及650℃下還未達(dá)到理論的最佳壓比-效率點(diǎn)。循環(huán)最高溫度對循環(huán)效率的影響極其顯著,升高100℃使最大效率提高4%~5%,其中,當(dāng)循環(huán)最高溫度為650℃、x=0.7而其余參數(shù)如圖3所示時(shí)的效率可高達(dá)50%。其余參數(shù)不變,在相同的循環(huán)最高溫度下,循環(huán)最大壓比隨x的減小而減小(圖4)。這是由于xmcp,hΔth=mcp,lΔtl。x的減小使回?zé)岬较嗤瑴夭钕滤锜岫肆黧w的溫差減小,在較低壓比下即出現(xiàn)了回?zé)崞鱾鳠釔夯?。但在相同條件下,x的減小有利于效率的提高,見式(12)。顯然,隨回?zé)崞鞯蜏囟藴夭畹臏p小,循環(huán)效率得到提高(圖5)。同時(shí),溫差也影響了循環(huán)在滿足循環(huán)條件情況下所能達(dá)到的最大壓比。但產(chǎn)生最大壓比的原因各有不同,Δt=10℃時(shí)歸因于低溫回?zé)崞鱾鳠釔夯?而Δt=30、40℃時(shí)則歸因于低溫回?zé)崞骰責(zé)崴璧臒醾?cè)流體進(jìn)口溫度已達(dá)到透平出口溫度而不必采用高溫回?zé)崞鳌D6示出在給定x,不同壓損、壓氣機(jī)效率、透平效率下,循環(huán)效率隨壓比的變化。在相同的壓比下,壓損越小,循環(huán)效率越高;壓氣機(jī)和透平效率越高,循環(huán)效率越高。3.2不同壓比下的循環(huán)效率給定式ki中的低溫回?zé)崞骰責(zé)岫燃唉,對循環(huán)進(jìn)行研究(圖7),循環(huán)工作的壓比范圍十分有限。給定Δt、αlrec的同時(shí),T2′與T5′也被決定,即回?zé)崞鲀蓚?cè)流體進(jìn)出口溫差給定。在滿足熱力學(xué)第二定律的條件下,壓比較小時(shí),回?zé)崞鳠醾?cè)流體進(jìn)出口溫差遠(yuǎn)大于冷側(cè)流體進(jìn)出口溫差,按給定的循環(huán)模式,需要的冷流體份額x>1,這是不符合實(shí)際的;反之,給定Δt、αlrec,壓比較大時(shí),在滿足熱力學(xué)第二定律的條件下,回?zé)岫缺囟ù笥诮o定的值。因此,在給定低溫回?zé)崞骰責(zé)岫燃唉的情況下,壓比處在一有限的范圍內(nèi)。同時(shí),給定低溫回?zé)崞骰責(zé)岫燃唉,循環(huán)效率隨壓比的增加而增加。在相同壓比下,循環(huán)最高溫度越高,效率隨之顯著提高。改變低溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫?其余參數(shù)不變,循環(huán)效率隨壓比變化如圖8所示。隨著回?zé)岫鹊奶岣?適用的循環(huán)壓比越高,且范圍越來越寬。這意味著,在不同的壓比下,低溫回?zé)崞髦荒苓x擇其所對應(yīng)的回?zé)岫?。這是CO2超臨界Brayton循環(huán)的一顯著特點(diǎn)。在不同回?zé)岫认?循環(huán)效率均隨壓比的增加而增加,但效率增加的梯度隨回?zé)岫鹊脑黾佣冃?即效率曲線逐漸平緩,效率的極值同時(shí)隨回?zé)岫仍黾佣黾?。給定低溫回?zé)崞骰責(zé)岫?改變低溫回?zé)崞骼涠肆黧w溫差,其余參數(shù)不變,得到循環(huán)壓比效率關(guān)系示于圖9。從圖9可看出,在不同Δt的情況下,循環(huán)效率均隨壓比的增加而增加。而在不同Δt的情況下又有各自的特點(diǎn)。在不同Δt下,相同回?zé)岫葘?yīng)的循環(huán)效率、壓比范圍不同,Δt增加,壓比范圍也增加,壓比的極值也增加,但效率隨壓比增加的梯度變小,能達(dá)到的最大效率變小。圖10示出了給定低溫回?zé)崞骰責(zé)岫?不同壓損、壓氣機(jī)效率、透平效率下,循環(huán)效率隨壓比的變化。在相同的壓比下,壓損越小,循環(huán)效率越高,壓氣機(jī)和透平效率越高,循環(huán)效率也越高。但壓縮機(jī)效率的提高對循環(huán)效率的影響不是十分顯著。3.3回?zé)崞骰責(zé)崤c循環(huán)效率給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫燃唉,在其余參數(shù)確定的情況下可計(jì)算出循環(huán)效率與壓比之間的關(guān)系。如圖11所示,給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫葹?.9,循環(huán)效率隨壓比先增加至一最大值,然后緩慢減小。在不同循環(huán)最高溫度下,確定的高溫回?zé)崞骰責(zé)岫仍谑够責(zé)崞鞑怀霈F(xiàn)傳熱惡化情況下所能達(dá)到的最大壓比不同,這個(gè)最大壓比隨循環(huán)溫度的提高而提高。同時(shí),循環(huán)最高溫度的提高也使相同壓比下的效率得到顯著提高。改變高溫回?zé)崞骰責(zé)岫?其它參數(shù)如圖12所示,在相同條件下,回?zé)岫仍礁?效率增加得越快,最高效率也越高。這與理想氣體的Brayton循環(huán)相似。但回?zé)岫鹊脑黾邮寡h(huán)回?zé)崞髟谳^低的壓比之下出現(xiàn)了傳熱惡化,因此,只能達(dá)到較低的壓比,但整個(gè)循環(huán)的最高效率仍比回?zé)岫容^低情況下的最高循環(huán)效率高。給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫?改變Δt,其余參數(shù)如圖13所示,循環(huán)效率在不同回?zé)岫认戮S壓比的先增大到最高值,再逐漸減小。循環(huán)能達(dá)到的最大壓比隨Δt的增加而減小,相同壓比下的循環(huán)效率隨Δt的增大而減小。圖14為給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫?不同壓損、壓氣機(jī)效率、透平效率下,循環(huán)效率隨壓比的變化。在相同的壓比下,壓損越小,循環(huán)效率越高,壓氣機(jī)和透平效率越高,循環(huán)效率也越高。4co與瞳氣循環(huán)的參數(shù)比較表1列出在不同循環(huán)最高溫度下計(jì)算的出高溫回?zé)崞骰責(zé)岫葹?.95、循環(huán)壓比2.6時(shí)的效率。表1所列并非各溫度下循環(huán)曲線中的最高效率,而是在現(xiàn)有技術(shù)條件下CO2Brayton循環(huán)可能達(dá)到的效率。在20MPa最高循環(huán)壓力、650℃的