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(diǎn)，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(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(dá)滿意的效率，因此，對(duì)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(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〕。1.二氧化碳動(dòng)力循環(huán)〔1〕簡(jiǎn)單超臨界Brayton循環(huán)與理想氣體的Brayton循環(huán)類似，CO2的簡(jiǎn)單超臨界Brayton循環(huán)如圖1-1所示,分為以下幾個(gè)局部: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?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。圖1-1簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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，在傳遞一樣熱量的情況下，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)流體在反響堆堆芯或熱源處需吸取更多的熱量才能到達(dá)設(shè)計(jì)的循環(huán)最高溫度，因而降低了CO2簡(jiǎn)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(shí)際氣體進(jìn)展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(shì)，采用分流壓縮循環(huán)。如圖1-2所示，采用兩個(gè)回?zé)崞骱蛢膳_(tái)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?，一局部流體進(jìn)展預(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?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(jì)算模型根據(jù)熱力學(xué)定律進(jìn)展循環(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＝Pma*/Pmin(2-1)τ＝Tma*/Tmin(2-2)其中：下標(biāo)ma*、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(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(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(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(biāo)lrec、hrec、core、precooler分別表示低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?、堆芯及預(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*〔0≤*≤1〕，低溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葎t為：(2-8)高溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葹椋骸?-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′是為防止回?zé)崞鞒霈F(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-*)(h3-h2')＋*(h3-h2)(2-10)計(jì)算完成各部件進(jìn)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(jì)算循環(huán)效率，即系統(tǒng)對(duì)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：〔2-12〕式〔2-12〕從能量損失的角度來計(jì)算循環(huán)效率。可看出，對(duì)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)，，有下標(biāo)h表示回?zé)崞鞲邏簜?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?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(duì)較少的熱量，即可到達(dá)與無分流情況下一樣的堆芯出口溫度。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(duì)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)崞鞑繙夭钭兓淮螅貏e是回?zé)崞鳠岫诉M(jìn)出口溫差與冷端進(jìn)出口溫差幾乎一樣，在合理的工程設(shè)計(jì)下，這個(gè)溫差不會(huì)很大。假設(shè)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(tái)壓氣機(jī)，從而增加了投資本錢。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(jiǎn)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*，低溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口溫度與高壓側(cè)入口〔即回?zé)崞骼涠恕硿囟戎瞀，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。3.二氧化碳超臨界Brayton循環(huán)特性下面分析循環(huán)計(jì)算的各參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響。同時(shí)，由于*、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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)循環(huán)進(jìn)展特性分析。初始點(diǎn)的工況選取為7.7MPa、32℃。(1)*、Δt為變量對(duì)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(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)開場(chǎng)下降〔見tma*＝450℃〕；隨循環(huán)溫度的提高，最大循環(huán)效率對(duì)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(jī)耗功均增加，壓比擬小時(shí)，透平做功增長(zhǎng)率大于壓氣機(jī)耗功增長(zhǎng)率，但透平做功增長(zhǎng)率隨壓比增大逐漸減小而壓縮機(jī)耗功增長(zhǎng)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?zé)崞鲿?huì)出現(xiàn)夾點(diǎn)，換熱溫差變小使得傳熱惡化，此時(shí)即到達(dá)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(dá)理論的最正確壓比－效率點(diǎn)。循環(huán)最高溫度對(duì)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℃、*＝0.7而其余參數(shù)如圖3所示時(shí)的效率可高達(dá)50%。圖3-1循環(huán)最高溫度對(duì)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?zé)岬揭粯訙夭钕滤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?。但在一樣條件下，*的減小有利于效率的提高，見式〔2-12〕。圖3-2*對(duì)循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕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3-3〕。同時(shí)，溫差也影響了循環(huán)在滿足循環(huán)條件情況下所能到達(dá)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＝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)口溫度已到達(dá)透平出口溫度而不必采用高溫回?zé)崞鳌D3-3回?zé)崞鞯蜏囟藴夭钭兓圖3-4表示出，在給定*，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。在一樣的壓比下，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?！瞐〕(b)(c)圖3-4其余參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響〔固定*、Δt〕〔2〕αlrec、Δt為變量對(duì)效率的影響給定式ki中的低溫回?zé)崞骰責(zé)岫燃唉，對(duì)循環(huán)進(jìn)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(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，壓比擬小時(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*＞１，這是不符合實(shí)際的；反之，給定Δt、αlrec，壓比擬大時(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，壓比處在一有限的圍。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(duì)循環(huán)效率的影響〔αlrec、Δt為變量〕改變低溫回?zé)崞鞯幕責(zé)岫?，其余參?shù)不變，循環(huán)效率隨壓比變化如圖3-6所示。隨著回?zé)岫鹊奶岣?，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?zé)崞髦荒苓x擇其所對(duì)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)岫认拢h(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?。圖3-6αlrec對(duì)循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕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(diǎn)。在不同Δt下，一樣回?zé)岫葘?duì)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(dá)的最大效率變小。圖3-7Δt對(duì)循環(huán)效率的影響〔固定αlrec〕圖3-8示出了給定低溫回?zé)崞骰責(zé)岫龋煌瑝簱p、壓氣機(jī)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(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(duì)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(duì)循環(huán)效率的影響〔固定αlrec、Δt〕〔3〕αhrec、Δt為變量對(duì)效率的影響給定高溫回?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3-9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到達(dá)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(duì)循環(huán)效率的影響〔αhrec、Δt為變量〕改變高溫回?zé)崞骰責(zé)岫?，其它參?shù)如圖3-10所示，在一樣條件下，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，只能到達(dá)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。圖3-10αhrec對(duì)循環(huán)效率的影響〔固定Δt〕給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫?，改變?chǔ)，其余參數(shù)如圖3-11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)能到達(dá)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(duì)循環(huán)效率的影響〔固定αhrec〕圖3-12為給定高溫回?zé)崞骰責(zé)岫龋煌瑝簱p、壓氣機(jī)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(jī)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(duì)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(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