超臨界二氧化碳循環(huán)分析

1、超臨界二氧化碳循環(huán)分析部門：xxx時問：xxx整理范文，僅供參考，可下載自行編輯超臨界二氧化碳動力循環(huán)與氦動力循環(huán)的比較目前，世界上正在建設和研究的高溫氣冷堆都是使用He作為工質(zhì)，這是因為He具有很好的穩(wěn)定性、化學相容性及熱傳導性。但 是，He作為工質(zhì)存在一些不足，例如動力循環(huán)需要較高的溫度、難 于壓縮等，給反應堆和換熱部件的結構材料、葉輪機械的設計帶來很多困難。出于降低反應堆結構材料要求、減少技術難度、提高反應堆的安全性與經(jīng)濟性等各方面的考慮，有學者進行了選取CO2作為循環(huán)工質(zhì)的研究。CO2S然在穩(wěn)定性、熱傳導性方面比 He稍差， 但CO2具有合適的臨界參數(shù)，不需要很高的循環(huán)溫度就可以達到滿

2、 意的效率，且具有壓縮性好、儲量豐富等優(yōu)點。采用CO2作為循環(huán)工質(zhì)可以降低循環(huán)溫度和壓縮功，從而提高反應堆的安全性，同時降低反應堆造價。超臨界CO密閉式布雷頓循環(huán)被推薦在鉛冷快堆 及鈉冷快堆中使用。1. 二氧化碳布雷頓循環(huán)分析1）二氧化碳布雷頓循環(huán)CO2與He在動力循環(huán)中最大的不同點就是氣體性質(zhì)隨壓力、溫 度的變化差別很大 表1-1）。高壓7.5 MPa）環(huán)境中，CO2的導熱 系數(shù)入、定壓比熱容cp和壓縮因子z均與低壓0.1 MPa）下的參 數(shù)有很大差異；在循環(huán)工況下，He循環(huán)可以視為理想氣體循環(huán)，除 密度外，其余參數(shù)變化不大。動力循環(huán)的工況，CO新工作參數(shù)在 其臨界點7.377 MPa, 3

3、1C)附近；因此，CO劾力循環(huán)除與He循 環(huán)有相同的決定因素外，還取決于動力循環(huán)的不同實際工況，即超臨界壓力、跨臨界壓力及亞臨界壓力 3種循環(huán)工況 圖1-1 )。超臨 界循環(huán)：循環(huán)壓力及溫度均在臨界參數(shù)以上；跨臨界循環(huán)：循環(huán)高 壓側(cè)壓力高于臨界壓力，低壓側(cè)壓力低于臨界壓力；亞臨界壓力循環(huán)：循環(huán)壓力均低于臨界壓力，工作于氣相區(qū)。b5E2RGbCAP表1-1 CO2和He熱物性比較35C)質(zhì)P/MPap /kg m-3/W (m K>-1CP/kJ (kg K>-1zCO27.5277.60.035325.93060.4630.11.950.014970.8280.879He7.511

4、.320.16045.1981.0330.10.1560.15715.1980.9992) CO前單循環(huán)與He循環(huán)的對比分析以英國改進型氣冷堆AGR為例。英國改進型氣冷堆AGR實際運 行時CO2溫度高于670 C o考慮到CO2高溫下與不銹鋼材料化學不 相容，因此循環(huán)最高溫度保守取為 650C,若要采用更高的循環(huán)溫 度，需要采用其他金屬材料。p1EanqFDPwCO才口 He動力循環(huán)在給定條件下計算的最優(yōu)參數(shù)見表 1- 2 ,溫嫡 圖見圖1-1。其中He循環(huán)的溫嫡圖略有不同，采用2個壓縮機分 級壓縮。DXDiTa9E3d1 2 34圖1-1 CO2循環(huán)及He循環(huán)溫嫡圖表1-2 CO2簡單循環(huán)與

5、He循環(huán)比較參數(shù)名CO2He超臨界跨臨界亞臨界壓力工況1工況2初參數(shù)Pmin=7.5MPmin=5.267Pmax=7.tmin=35tmin=35Patmin=15 C0PaCCtmin=35 Ctmax=650Ctmin=35tmax=65tmax=80tmax=650C0C0CCtmax=650C限制條Pmaxc 20MPmaxc 20MP一Pmax=7.Pmax=7.件Paa0Pa0Pae ><Pcri/Pmin)t1c,out < t cri壓力比£2.6673.83.11.81.95循環(huán)效40.140.4940.8542.5348.6率 Y /%q/kJ

6、 258.78405.26203.2810006.7 1302.31kg-14從表1-2可看出，CO2B環(huán)計算所需初參數(shù)比He循環(huán)多出壓力 項。如前文所述，He在循環(huán)工況下取決于溫度，只需給定循環(huán)的溫 度范圍便可計算出不同壓力比<e）下循環(huán)效率 <不），而CO2的 cp還取決于壓力。給定超臨界和跨臨界壓力 CO2B環(huán)的最高壓力 <PmaX是由于現(xiàn)有技術條件的限制，保守取為 20 MPa。表2中的 所列的最高不是Pmax達到限定值的效率，并未達到實際計算的最 大刀。He循環(huán)的Pmax為現(xiàn)有模塊化高溫氣冷堆 He循環(huán)最高壓力 <7MPa 。 RTCrpUDGiT圖1-2分別

7、給出了表2中所列初參數(shù)下刀與£關系。在所計算&下，亞臨界壓力CO2循環(huán)與He循環(huán)相似，刀隨&先增大到一 個極大值點再緩慢下降。而超臨界和跨臨界循環(huán)，同樣受到 Pmax 的限制，在計算£下并未達到極大值。3種CO2循環(huán)在相應限制 條件下達到的最高 刀與溫度條件幾乎相同情形下的 He循環(huán)相近。 但是，這3種循環(huán)均低于He在tmax=800C下的不，且相同溫 度條件下，CO靖環(huán)達到最高刀的£要大于He循環(huán)達到最高刀 的 £ 。 5PCzVD7HxA50圖1-2 CO2簡單循環(huán)與He循環(huán)效率在氣體汽輪機循環(huán)中，氨氣透平帶動壓縮機，因此壓縮機耗功也

8、是 關注的問題。定義壓縮功與膨脹功之比 wc/wt為氨氣透平做功返回 率。從圖1-3中可看出，CO靖環(huán)的wc/wt??；這是因為CO2的z <1,易于壓縮，而He的z =1,較難壓縮的緣故。He循環(huán)tmax提 高至800c后，各壓力比下的wc/wt均有所降低，但仍然高于 tmax=650C下的CO2各循環(huán)。在CO2的3種循環(huán)中，超臨界及跨臨 界壓力循環(huán)的wc/wt顯著變??；這是因為壓縮過程在臨界點附近進 行，而在臨界點附近，cp顯著減小，導致z減小，更易于壓縮； 尤其是跨臨界壓力循環(huán)的wc/wt,比相同溫度下He循環(huán)幾乎小了 一個量級。jLBHrnAILg31：超臨界CO?4： He(fa

9、=S00cC)2:跨臨界CO=5: HeUx=65。")3；亞臨界壓力CO?50.6I 0.4OS0.2圖1-3 CO2簡單循環(huán)與He循環(huán)氨氣透平做功返回率從表1-2還可看出，CO2B環(huán)單位質(zhì)量的工質(zhì)換熱量均比 He循環(huán)要少，這意味著相同換熱功率下 CO2循環(huán)的質(zhì)量流量m較大 圖1- 4）。這是由于CO2的cp較He小，相同功率，工質(zhì)溫升差別不大的情況下,CO靖環(huán)需要更大的 m xHAQX74J0X401：超臨界co=2:跨臨界COa里亞臨界壓力CO*4: He（加即=800 冤）5; Hc（G5=650 汽）圖1-4熱功率310MWf,質(zhì)量流量與壓力比關系但是，這并不意味CO2循環(huán)

10、沒有優(yōu)勢。流體體積決定了做功和換熱 部件的尺寸大小，單位體積的做功量或換熱量越大，相同功率下的做功換熱部件體積越小，成本越低。CO2H體密度較大，因此各部件氣體體積流量V較小 圖1-5）。LDAYtRyKfE圖1-5熱功率310MWf,氨氣透平出口體積流量與壓力比關系以堆芯換熱功率310 MW為例，對表1-1中的2種循環(huán)進行計算，結 果見表1-3。表1-3 CO2簡單循環(huán)與He循環(huán)比較循環(huán)類別超臨界CO2跨臨界CO2亞臨界 壓力CO2He<tmax=650S)He<tmax=800S)m/kg - s-11197.93764.951534.98307.92238.04氨P/MW16

11、8.36142.15239.37278.36281.4氣Vin/m3 - s-110.997.0138.9586.3777.50透Vout/m3 - s -23.8220.2697.24127.12120.39平 1壓P/MW44.0116.63112.74高壓73.2167.96縮低壓73.2167.96機Vin/m3 - s-14.310.92834.99高壓35.0928.23低壓47.6939.95Vout/m3 - s -2.590.86114.77高壓33.2426.141低壓45.1636.98從表1-3可以看出，相同熱功率，在幾乎相同的溫度條件下，CO2循環(huán)所消耗的壓縮功遠小于

12、He循環(huán)所需的壓縮功。3種CO2B環(huán)所 需要的V均小于同等溫度條件下和較優(yōu)工況下 He循環(huán)的工質(zhì)體積流 量；這表明3種CO2B環(huán)中單位體積流量的CO2H體做功能力均優(yōu) 于2種條件下He循環(huán)單位體積He的換熱做功能力。特別是對于 CO期超臨界循環(huán)和跨臨界循環(huán)，其工質(zhì)的 V幾乎與He循環(huán)相差一 個量級，大大減小了做功部件的體積。從表 1-3還可以看出，CO2 流經(jīng)葉輪機械前后的V變化遠比He流經(jīng)葉輪機械的V變化大；因 此，CO靖環(huán)的葉輪機械進出口葉高變化比 He循環(huán)的大。這些都是 由于循環(huán)工況下CO2的密度比He大很多，因此雖然 m大，但是V卻 遠遠小于He循環(huán)。Zzz6ZB2Ltk2.超臨界CO

13、2進環(huán)改進一超臨界CO陋壓縮布雷頓循環(huán)二氧化碳超臨界循環(huán)需采用多個回熱器 若只采用1個回熱器，由于回熱器低壓側(cè)流體比熱較小，換熱時高壓側(cè)流體溫升不夠，會導致比津黑2，用-1|一)圖2-2二氧化碳再壓縮循環(huán)溫嫡圖透平出口的二氧化碳流體先進入高溫回熱器進行放熱5至5'),后進入低溫回熱器5'至6),而后，一部分流體直接通往高溫壓縮機圖2-1二氧化碳再壓縮示意圖換熱器出現(xiàn)夾點)，使熱量得以更好利用。二氧化碳再壓縮循環(huán)示意圖如圖2-1所示，循環(huán)溫嫡圖如圖2-2所示。dvzfvkwMII贏溫r被壓縮6至2'),另一部分流體先冷卻后6至1)再進入壓縮機壓縮<1至2)。然后，通

14、過低溫回熱器回熱<2至2')到與直接被高溫壓縮機壓縮的流體相同的溫度，混合后一起再流經(jīng)高溫回熱器<2'至3)、換熱器<3至4),最后流入透平做功<4至5) 。 rqyn14ZNXI<1)循環(huán)數(shù)學模型定義 Brayton 循環(huán)壓比 e =Pmax/Pmin 溫比 r =tmax/tmin 。其中,P為壓力，t為溫度。EmxvxOtOco假設經(jīng)過預冷器的分流量為x<0<xwi),低溫回熱器的回熱度% lrec可表不為:x(h2' h2)h5'lrec -"(mcp ) min tmax (mcp )minh6tma

15、x <2-1 )其中：tmax為高壓側(cè)或低壓側(cè)出入口溫差最大值；h為比始,J/kg ； m為質(zhì)量流量,kg/s ; cp為比定壓熱容，kJ/(kg - K>。SixE2yXPq5高溫回熱器的回熱度h hrec表示為:hhh2'h5h5'hrec1% h(p5 ,t2)h5 h(p5,t2)(2-2>% hrec與alrec的計算方法差異是由分流引起的。其中，回熱器高壓側(cè)的出口溫度須分別滿足條件t2+At < t6 <t5'以及t2'+ At' < t5'< t5 , At與分別為避免回熱器內(nèi)傳熱惡化而設置

16、的工程上所允許的最小溫差，通常取為8C。6ewMyirQFL整個循環(huán)的效率不可表示為:1 x(l% 北)h4 h3 <2-3)式<2-3 ）是從能量損失角度來計算循環(huán)效率，可看出，采用分流設計， Brayton 循環(huán)釋放到環(huán)境中未被利用的熱量減少，熱源吸收的熱量也減少，因此，循環(huán)效率大幅提高。 kavU42VRUs分流措施可在CO2®臨界Brayton循環(huán)中使用是因CO她性受工作 環(huán)境下的壓力、溫度影響較大。在無分流回熱時有： C p,h th = C p,l t1 ，下標 h 表示回熱器高壓側(cè)， l 表示低壓側(cè)。其中 , Cp,h >Cp,l ,因此，流量相等的情

17、況下導致 thcAtl ,即進入堆芯的 氣體溫度較低，在相同的£、°下，高壓側(cè)流經(jīng)堆芯或換熱器的流體需吸收較多的熱量，降低了循環(huán)效率。而分流循環(huán)則是犧牲一部分功用于壓縮流體，從而使流體回熱后溫度得到升高。相同條件下的循環(huán)在堆芯或換熱器吸收的熱量減少，同時預冷損失的熱量降低，增加了循環(huán)效率。 y6v3ALoS89<2）超臨界CO劾力循環(huán)優(yōu)化分析由數(shù)學模型可知，超臨界CO2 Brayton 再壓縮循環(huán)的循環(huán)效率可表示為：T=T< , £, P, T i K i ） <2-4 ）其中： 為初始點的工況；Y為壓氣機和透平的等嫡效率；S 為各部件壓力損失；

18、口 為以下4個變量任選其二，即經(jīng)過預冷器的流量份額x 、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4 t、低溫回熱器回熱度 alrec及高溫回熱器回熱度%hrec。只要確定了以上參數(shù)，并保證回熱器不出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，即可唯一確定超臨界CO2 Brayton 循環(huán)的效率。 M2ub6vSTnP 作為實際氣體的循環(huán)，影響循環(huán)效率的參數(shù)較復雜，有的參數(shù)并非完全獨立，選取有一定范圍的限制。為簡化討論，選定二氧化碳超臨界Brayton循環(huán)的最高參數(shù)分別為壓力20MPa溫度650C ,并作為計算初始點。英國AG皈應堆的運彳證實了 CO雄670c以下的安全性。循環(huán)其余各節(jié)點的壓力、溫

19、度均在臨界點參數(shù)之上。同時逆流換熱器冷端溫差越小，換熱效果越好，但實際情況不能相等，因此，給定回熱器冷端溫差為8。0YujCfmUCw對于圖2-2所示的循環(huán)，環(huán)境溫度、小 丁 低溫回熱器冷端溫差和壓縮機等熵效率確定， t2 、 t6 和 t2 即可確定。在滿足回熱器不出現(xiàn)夾點和傳熱惡化的情況下，當高溫回熱器低壓側(cè)出口溫度t5 越接近高壓側(cè)入口溫度t2 時，高壓側(cè)所交換的熱量越多， t3 越高。而 x=（ C p,irec,i / Cp,irec,h> -（ Ati/ th>, C p,lrec,h 、th=t2 ' t2 不變，隨 t5'的減小，Cp”ec,i增大，

20、zti=t5 '-t6減小，Cp,l / Cp,h的增幅小于 t1/ A th的減幅。最終x減小到一極小值，此時高溫回熱器回熱溫度最高，從堆芯吸收熱量最少，透平做功份額增加遠大于壓縮機耗功份額的增加，因此，在相同循環(huán)£、P下，X最小時對應的循環(huán)效率是所示循環(huán)的最佳循環(huán) 效率，且不同的£、T對應不同的最小X和最佳循環(huán)效率。eUts8ZQVRd<3）壓比對最佳循環(huán)效率的影響假定循環(huán)最低溫度為35C,隨e增大，壓縮機進口工況向臨界點靠近，使二氧化碳的比熱產(chǎn)生較大變化。各 £對應的最小分流量及 最佳效率如圖2-3所示。從圖2-3可看出，隨循環(huán)£的增

21、大，各工 況下的最佳循環(huán)效率先增加到最大值，然后減小。而最小分流量變 化規(guī)律卻與效率幾乎相反。sQsAEJkW5T圖2-3中左端取到了 1個極限e ,這是因為回熱器高低壓側(cè)二氧化 碳的比熱差別不太大，無需進行分流，不必采用再壓縮循環(huán)，同時 也可看出，此時的循環(huán)效率并不高。右端的極限 £是保證該循環(huán)仍 為超臨界循環(huán)的壓比。GMsIasNXkA圖2-3壓比對最佳循環(huán)效率和最小分流量的影響對應于各工況，分流量均能取到極小值。此時低溫回熱器高壓側(cè)流 體經(jīng)回熱后，已達到滿足限制條件的極限換熱溫升，再減小流量升 高溫度，易造成低溫回熱器出現(xiàn)夾點。當回熱器低壓側(cè)流體越接近 臨界壓力時，Cp,i/

22、Cp,h逐漸增大，且增長率越來越大 圖2-4),而t5 '的溫度越接近t2'的溫度，使得 t1/ A th減小，在Cp,itid(士？fd th最佳&之后減小速率變慢。在cp，h=0時出現(xiàn)x的最小值，此£下的循環(huán)效率也最高。TIrRGchYzg壓比£圖2-4壓比對比熱的影響tmin=35C)圖2-5所示為對應最佳效率時高溫回熱器及低溫回熱器的回熱度的 變化。隨e增大，各最佳效率循環(huán)回熱度均增加，但兩回熱度增大 的速率不同，在最優(yōu)£之前，高溫回熱器的回熱度曲線斜率較大，之后趨于平緩，而低溫回熱器回熱度在最優(yōu)£之前增長較緩，之后增幅逐

23、漸變大。7EqZcWLZNX圖2-5壓比對最佳循環(huán)效率下回熱器回熱度的影響隨e變化，對應最佳效率下，流體最高回熱溫度迅速上升，超過最 佳&后趨于平緩 < 圖2-6）。最佳循環(huán)效率在某壓比處達到最大值 的原因是：在最佳£前，回熱后流體進入堆芯溫度升高，使流體吸 收熱量減少，同時分流量減小使無法利用的熱量比例減少，這兩處 對效率增加的貢獻較分流導致壓縮機做功增加所帶來的損失大，效 率上升。超過最佳£后，溫度上升緩慢，而循環(huán)最小分流量增大， 使無法回收利用的熱量比例增大，同時壓縮機做功增多，效率下降。lzq7IGf02E圖2-6各壓比最佳效率下最高回熱溫度t3隨壓比

24、£的變化4）溫比對最佳循環(huán)效率的影響選定e=2.45,改變低溫壓氣機進口溫度。給定壓比下，理想氣體 的簡單回熱Brayton循環(huán)通常熱效率隨最低循環(huán)溫度的減小而增 大，但實際二氧化碳氣體的循環(huán)卻有不同，效率存在最優(yōu)值。在某 個溫度以上時，效率隨最低循環(huán)溫度減小而增大，低于該溫度后急 速下降 圖2-7）。分流量x的變化與效率的變化恰好相反。分流量在35c左右出現(xiàn)變化的原理 圖2-8）類似于前面有關壓比接近臨界點附近的論述,=0時，循環(huán)效率最大。zvpgeqJIhkCpit1d(p-? 1)/d一thcp,h圖2-8 tmin 變化對比熱的影響 e =2.45)高溫回熱器回熱度隨循環(huán)最低

25、溫度的上升，從最低值迅速增加到最大值，而后緩慢下降，而低溫回熱器回熱度先略有下降，然后逐漸圖2-7 tmin 對最佳循環(huán)效率和分流量的影響0用升升高，且較高溫回熱器所需的回熱度低 圖2-9) 。 NrpoJac3v130 35 40 45 5() 5 5 60 65圖2-9tmin對最佳循環(huán)效率下回熱器回熱度的影響最高回熱溫度先隨循環(huán)最低溫度的增加而迅速增加，在x達最小值后減緩，超過最佳循環(huán)最低溫度后，溫度上升緩慢，而循環(huán)最小分流量增大使無法回收利用的熱量比例增大，壓縮機做功增多圖2-10)。因此，循環(huán)效率在x最小處增長到極大值，然后減小。1nowfTG4KI圖2-10最佳效率下最高回熱溫度t

26、3隨tmin的變化<5)及x對循環(huán)效率及回熱度的影響選定e=2.45,循環(huán)最低溫度35c來研究其他參數(shù)的影響。如圖 2- 11所示，給定x,回熱度、效率均隨At的變大而降低，因相同情 況下，回熱器溫差越大，未被利用的熱量多，必然導致效率和回熱 度的降低。fjnFLDa5Zo在給定e和。下，分流量存在最小值，原因同前面分析相同，隨 分流量的增大，效率降低。同時高溫回熱器回熱度也逐漸降低，而 低溫回熱器回熱度卻緩慢增加，這是因為對回熱度有產(chǎn)q/Q <1,即實際回熱量q除以理論最大回熱量Q,在冷端溫度相同情況 下，低溫回熱器傳熱量增大，回熱度 lrec=<q+dq ) /(Q+dq

27、> ,低溫回熱器回熱度增加；而高溫回熱器冷端溫差變大 <x的增加帶來 t5'的升高)，tfnNhnE6e5換熱量減少，但理論最大換熱量不變，回熱度 lrec=<q dq) /Q,所以高溫回熱度降低。圖2-11對循環(huán)效率和回熱度的影響50<6) 7 及% hrec對循環(huán)參數(shù)的影響根據(jù)當今緊湊式換熱器技術現(xiàn)狀，回熱度可達0.98,現(xiàn)保守取%hrec=0.95。給定高溫回熱器回熱度，隨低溫回熱器冷端溫差的增 大，x在很小的范圍內(nèi)逐漸減小 <圖2-13),低溫回熱器的回熱度也 在減小。x的減小雖有利于效率的提高，但回熱度的下降使效率最 終呈下降趨勢，在給定高溫回熱器回熱度的情況下，冷端溫差增加 1C,約使效率下降 0.05%。HbmVN777sL保證低溫回熱器冷端溫差不變，隨高溫回熱器回熱度的增加，5'點溫度必然下降，因此，導致低溫回熱器高溫流體換熱量降低圖2-14),而須達到相同溫度，只能減少 x,同時導致低溫回熱器回熱 度降低，但降幅很小，所以，x減小帶來的效率增加遠大于低溫回 熱器回熱度降低帶來的損失。因此，低溫回熱