超臨界二氧化碳循環(huán)分析

-.z.超臨界二氧化碳循環(huán)特性作為第四代核能系統(tǒng)的候選堆型，超高溫氣冷堆和氣冷快堆具有高平安性、高效率、用途廣等特點，且均擬采用氦氣作為反響堆直接循環(huán)工質(zhì)。由于氦氣具有穩(wěn)定、無毒、無感生放射性、熱容大等特點，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)及反響堆的冷卻劑。但氦氣循環(huán)需較高的循環(huán)最高溫度〔堆芯出口溫度〕才能到達滿意的效率，因此，對反響堆的構(gòu)造材料、燃料元件材料等提出了較高的要求，同時由于氦氣密度低、可壓縮系數(shù)小等缺點，氦氣循環(huán)葉輪機械的制造也產(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，在運行工況下，可利用其實際氣體的性質(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?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，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〕。1.二氧化碳動力循環(huán)〔1〕簡單超臨界Brayton循環(huán)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1-1所示,分為以下幾個局部:1至2為CO2在壓縮機中被壓縮至循環(huán)最高壓力的過程；2至3為CO2在回熱器中的吸熱過程；3至4為CO2在中間換熱器從反響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回熱器中的回熱過程；6至1為CO2的預(yù)冷過程。其中，2至3及5至6的回熱器的回熱過程是Brayton循環(huán)的關(guān)鍵?；責崞鞯拇嬖谑沟肂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。圖1-1簡單超臨界Brayton循環(huán)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，CO2工作在臨界點附近，是實際氣體的Brayton循環(huán)，在回熱器高壓側(cè)和低壓側(cè)流體的比熱容變化均較大。由于回熱器高壓側(cè)流體的比熱容大于低壓側(cè)流體比熱容，因此，在傳遞一樣熱量的情況下，回熱器低壓側(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，令傳熱惡化，這也使得高壓側(cè)流體在反響堆堆芯或熱源處需吸取更多的熱量才能到達設(shè)計的循環(huán)最高溫度，因而降低了CO2簡單超臨界Brayton循環(huán)的效率?！?〕改良的CO2Brayton循環(huán)為克制CO2作為實際氣體進展Brayton循環(huán)的上述缺點，充分利用其在臨界點附近密度較大、所需壓縮功較小的優(yōu)勢，采用分流壓縮循環(huán)。如圖1-2所示，采用兩個回熱器和兩臺壓縮機。透平出口氣體流經(jīng)高溫回熱器及低溫回熱器后分流，一局部流體進展預(yù)冷，經(jīng)壓縮機壓縮后，進入低溫回熱器回熱，如圖中，6→1→2→2′；另一局部流體不經(jīng)預(yù)冷，直接壓縮，如圖中6→2′，這局部流體壓縮后與低溫回熱器出口流體混合進入高溫回熱器中回熱，這兩股流體具有一樣的壓力和溫度。圖1-2改良后的超臨界CO2的Brayton循環(huán)2.計算模型根據(jù)熱力學定律進展循環(huán)計算。CO2工作在臨界點附近，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＝Pma*/Pmin(2-1)τ＝Tma*/Tmin(2-2)其中：下標ma*、min分別表示循環(huán)中最高和最低。壓氣機的壓縮過程可表示為：Sc,out＝Sc,in(2-3)hc,out＝(hc,out,is－h(huán)c,in)/ηc＋hc,in(2-4)類似地，透平的做功過程可表示為：St,out＝St,in(2-5)ht,out＝(ht,out,is－h(huán)t,in)/ηt＋ht,in(2-6)式中：s為比熵；h為比焓；下標c、t分別表示壓氣機和透平，in、out分別表示進口和出口，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，其計算公式為：ξ＝ξlrec,cold＋ξhrec,cold＋ξcore＋ξhrec,hot＋ξlrec,hot＋ξprecooler(2-7)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lrec、hrec、core、precooler分別表示低溫回熱器、高溫回熱器、堆芯及預(yù)冷器，cold、hot表示回熱器冷端和熱端。假設(shè)經(jīng)過預(yù)冷器的流量份額為*〔0≤*≤1〕，低溫回熱器的回熱度則為：(2-8)高溫回熱器的回熱度為：〔2-9〕αhrec與αlrec的計算方法差異由分流而引起的。其中，兩個回熱器高壓側(cè)的出口溫度須分別滿足條件T2＋δt≤T6≤T5'及T2'＋δt'≤T5'≤T5，δt、δt′是為防止回熱器出現(xiàn)夾點而使回熱器兩側(cè)溫差過小導致傳熱惡化而設(shè)置的工程上所允許的最小溫差，通常取為8℃?；責崞髦袩崃拷粨Q為：h5-h6＝(1-*)(h3-h2')＋*(h3-h2)(2-10)計算完成各部件進出口工況，循環(huán)效率可表示為：〔2-11〕式〔2-11〕從做功的角度來計算循環(huán)效率，即系統(tǒng)對外界做功〔透平做功減去壓氣機耗功〕與系統(tǒng)從外界吸收熱量之比。效率還可表示為：〔2-12〕式〔2-12〕從能量損失的角度來計算循環(huán)效率。可看出，對于采用分流的設(shè)計，Brayton循環(huán)釋放到環(huán)境中未得到利用的熱量減少，同時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。在無分流回熱時，，有下標h表示回熱器高壓側(cè)，l表示低壓側(cè)。其中，＞，因此，Δth＜Δth。這樣，在冷端流體溫差不大的情況下使得回熱器熱端流體間溫差較大，而采用分流可減小CO2超臨界Brayton循環(huán)中回熱器熱端流體間溫差，從而提高進入堆芯換熱的溫度，單位工質(zhì)只需吸收相對較少的熱量，即可到達與無分流情況下一樣的堆芯出口溫度。同時，分流時，壓縮機工作在臨界點附近，此時的流體密度較大，壓縮機耗功相對較少。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，回熱器部溫差變化不大，特別是回熱器熱端進出口溫差與冷端進出口溫差幾乎一樣，在合理的工程設(shè)計下，這個溫差不會很大。假設(shè)同樣采用分流，回熱器冷流體的溫升提高空間有限，同時由于增加了1臺壓氣機，從而增加了投資本錢。理想氣體在遠離臨界點處壓縮，壓縮機耗功較多。所以，分流式設(shè)計并不適用于理想氣體Brayton循環(huán)。綜上分析，分流式設(shè)計較適用于回熱器高壓側(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為初始點的工況，ε為循環(huán)壓比，τ為循環(huán)溫比，η為壓氣機和透平的等熵效率，η＝［ηt，ηc1，ηc2］，ξ為各部件壓力損失，ki〔ki共有4個參數(shù)〕為經(jīng)過預(yù)冷器的流量份額*，低溫回熱器低壓側(cè)出口溫度與高壓側(cè)入口〔即回熱器冷端〕溫度之差Δt，低溫回熱器回熱度αlrec，高溫回熱器回熱度αhrec，可從中任選其二。只要確定了以上參數(shù)，并保證回熱器不出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，即滿足回熱器任意點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。3.二氧化碳超臨界Brayton循環(huán)特性下面分析循環(huán)計算的各參數(shù)對循環(huán)效率的影響。同時，由于*、Δt、αlrec、αhrec4個參數(shù)只有其中兩個是獨立的，因此，只需確定壓比、溫比及上述任意2個參數(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個確定效率的變量，這樣具有實際意義，同時簡化了討論。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，初始計算點參數(shù)的選取對循環(huán)的計算也有影響。下文選取循環(huán)最低壓力、溫度點作為初始點，對循環(huán)進展特性分析。初始點的工況選取為7.7MPa、32℃。(1)*、Δt為變量對效率的影響圖3-1表示出在不同循環(huán)最高溫度情況下，選取*＝0.7時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，但增加到一定值時開場下降〔見tma*＝450℃〕；隨循環(huán)溫度的提高，最大循環(huán)效率對圖3-1循環(huán)最高應(yīng)的壓比也在增大。隨壓比的增大，透平做功和壓縮機耗功均增加，壓比擬小時，透平做功增長率大于壓氣機耗功增長率，但透平做功增長率隨壓比增大逐漸減小而壓縮機耗功增長率卻逐漸增加，因此，循環(huán)存在最正確效率。但隨壓比增大，低溫回熱器會出現(xiàn)夾點，換熱溫差變小使得傳熱惡化，此時即到達指定*下循環(huán)的最大壓比。受此限制，在tma*＝550℃及650℃下還未到達理論的最正確壓比－效率點。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，當循環(huán)最高溫度為650℃、*＝0.7而其余參數(shù)如圖3所示時的效率可高達50%。圖3-1循環(huán)最高溫度對循環(huán)效率的影響〔*、Δt為變量〕其余參數(shù)不變，在一樣的循環(huán)最高溫度下，循環(huán)最大壓比隨*的減小而減小〔圖3-2〕。這是由于*mp,hΔth＝mcp,lΔtl。*的減小使回熱到一樣溫差下所需熱端流體的溫差減小，在較低壓比下即出現(xiàn)了回熱器傳熱惡化。但在一樣條件下，*的減小有利于效率的提高，見式〔2-12〕。圖3-2*對循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕顯然，隨回熱器低溫端溫差的減小，循環(huán)效率得到提高〔圖3-3〕。同時，溫差也影響了循環(huán)在滿足循環(huán)條件情況下所能到達的最大壓比。但產(chǎn)生最大壓比的原因各有不同，Δt＝10℃時歸因于低溫回熱器傳熱惡化，而Δt＝30℃、40℃時則歸因于低溫回熱器回熱所需的熱側(cè)流體進口溫度已到達透平出口溫度而不必采用高溫回熱器。圖3-3回熱器低溫端溫差變化Δt圖3-4表示出，在給定*，不同壓損、壓氣機效率、透平效率下，循環(huán)效率隨壓比的變化。在一樣的壓比下，壓損越小，循環(huán)效率越高；壓氣機和透平效率越高，循環(huán)效率越高?！瞐〕(b)(c)圖3-4其余參數(shù)對循環(huán)效率的影響〔固定*、Δt〕〔2〕αlrec、Δt為變量對效率的影響給定式ki中的低溫回熱器回熱度及Δt，對循環(huán)進展研究〔圖3-5，循環(huán)工作的壓比圍十分有限。給定Δt、αlrec的同時，T2'與T5'也被決定，即回熱器兩側(cè)流體進出口溫差給定。在滿足熱力學第二定律的條件下，壓比擬小時，回熱器熱側(cè)流體進出口溫差遠大于冷側(cè)流體進出口溫差，按給定的循環(huán)模式，需要的冷流體份額*＞１，這是不符合實際的；反之，給定Δt、αlrec，壓比擬大時，在滿足熱力學第二定律的條件下，回熱度必定大于給定的值。因此，在給定低溫回熱器回熱度及Δt的情況下，壓比處在一有限的圍。同時，給定低溫回熱器回熱度及Δt，循環(huán)效率隨壓比的增加而增加。在一樣壓比下，循環(huán)最高溫度越高，效率隨之顯著提高。圖3-5循環(huán)最高溫度對循環(huán)效率的影響〔αlrec、Δt為變量〕改變低溫回熱器的回熱度，其余參數(shù)不變，循環(huán)效率隨壓比變化如圖3-6所示。隨著回熱度的提高，適用的循環(huán)壓比越高，且圍越來越寬。這意味著，在不同的壓比下，低溫回熱器只能選擇其所對應(yīng)的回熱度。這是CO2超臨界Brayton循環(huán)的一顯著特點。在不同回熱度下，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熱度的增加而變小，即效率曲線逐漸平緩，效率的極值同時隨回熱度增加而增加。圖3-6αlrec對循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕給定低溫回熱器回熱度，改變低溫回熱器冷端流體溫差，其余參數(shù)不變，得到循環(huán)壓比效率關(guān)系示于圖3-7。從圖3-7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。在不同Δt下，一樣回熱度對應(yīng)的循環(huán)效率、壓比圍不同，Δt增加，壓比圍也增加，壓比的極值也增加，但效率隨壓比增加的梯度變小，能到達的最大效率變小。圖3-7Δt對循環(huán)效率的影響〔固定αlrec〕圖3-8示出了給定低溫回熱器回熱度，不同壓損、壓氣機效率、透平效率下，循環(huán)效率隨壓比的變化。在一樣的壓比下，壓損越小，循環(huán)效率越高，壓氣機和透平效率越高，循環(huán)效率也越高。但壓縮機效率的提高對循環(huán)效率的影響不是十分顯著。(a)(b)(c)圖3-8其余參數(shù)對循環(huán)效率的影響〔固定αlrec、Δt〕〔3〕αhrec、Δt為變量對效率的影響給定高溫回熱器回熱度及Δt，在其余參數(shù)確定的情況下可計算出循環(huán)效率與壓比之間的關(guān)系。如圖3-9所示，給定高溫回熱器回熱度為0.9，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，確定的高溫回熱器回熱度在使回熱器不出現(xiàn)傳熱惡化情況下所能到達的最大壓比不同，這個最大壓比隨循環(huán)溫度的提高而提高。同時，循環(huán)最高溫度的提高也使一樣壓比下的效率得到顯著提高。圖3-9循環(huán)最高溫度對循環(huán)效率的影響〔αhrec、Δt為變量〕改變高溫回熱器回熱度，其它參數(shù)如圖3-10所示，在一樣條件下，回熱度越高，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。但回熱度的增加使循環(huán)回熱器在較低的壓比之下出現(xiàn)了傳熱惡化，因此，只能到達較低的壓比，但整個循環(huán)的最高效率仍比回熱度較低情況下的最高循環(huán)效率高。圖3-10αhrec對循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕給定高溫回熱器回熱度，改變Δt，其余參數(shù)如圖3-11所示，循環(huán)效率在不同回熱度下均隨壓比的先增大到最高值，再逐漸減小。循環(huán)能到達的最大壓比隨Δt的增加而減小，一樣壓比下的循環(huán)效率隨Δt的增大而減小。圖3-11Δt對循環(huán)效率的影響〔固定αhrec〕圖3-12為給定高溫回熱器回熱度，不同壓損、壓氣機效率、透平效率下，循環(huán)效率隨壓比的變化。在一樣的壓比下，壓損越小，循環(huán)效率越高，壓氣機和透平效率越高，循環(huán)效率也越高。(a)(b)(c)圖3-12其余參數(shù)對循環(huán)效率的影響〔固定αhrec、Δt〕4.效率不同循環(huán)最高溫度下計算的出高溫回熱器回熱度為0.95、循環(huán)壓比2.6時的效率如下表4-1所示。表4-1不同循環(huán)最高溫度下的各參數(shù)及效率tma**αlrecη/%備注4500.5880.9364