核反應堆超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中的壓縮機

曾 濤 秦 婧 方華偉 李沛穎 韓 冰

(1、中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室,四川 成都610213 2、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 成都643001)

1 概述

CO2處于于超臨界態(tài)時,即SCO2(p＞7.38 MPa,T＞304.13 K),流體的密度及壓縮性與液體接近,臨界密度比氣,體高兩個數(shù)量級,流壓縮性遠小于氣體；同時又具有與氣體黏性低的優(yōu)點,即黏性遠小于液體。SCO2的這些性質(zhì),使其作為核反應堆二回路的能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢。SCO2應用于核反應堆一般采用布雷頓循環(huán)：SCO2可壓縮系數(shù)低,因而可以減少壓縮機的功耗；SCO2工質(zhì)黏性小、流動性強、循環(huán)損耗?。籗CO2工質(zhì)密度大、壓縮機等關鍵部件體積小、系統(tǒng)結(jié)構緊湊,可以大大減少核電的建設成本和建造周期；SCO2在核反應堆堆芯冷卻劑溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性和惰性氣體性質(zhì)。

壓縮機作為應用于SCO2布雷頓循環(huán)的壓縮機作為核心部件,得到了國內(nèi)外各科研機構的廣泛研究。

2 壓縮機的理論及數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀[1-2]

由于CO2在臨界點附近物性劇烈變化的特點,微小的溫度和壓力的變化,將會引起比熱容和密度的極大變化,傳統(tǒng)的壓縮機理論設計方法可能不再適用。近年來超臨界二氧化碳壓縮機的理論及數(shù)值模擬研究,一直是國內(nèi)科研機構的研究熱點。

韓國科學技術院(KAIST)的KIM S.G.等對SCO2壓縮機進行了全三維數(shù)值模擬并與實驗數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)使用k-ω SST 模型時,在與臨界點相距較遠時精度較高,數(shù)據(jù)吻合好,越靠近臨界點附近,數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)偏差越明顯。

一些數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn),當采用高精度較高物性表時,由于CO2在臨界點附近物性變動劇烈,使得數(shù)值模擬難以收斂。針對此問題中科院工程熱物理研究所提出CO2物性狀態(tài)方程制成表格供CFD 調(diào)用,通過采用非等距采樣差值的方法保證臨界點附近的差值精度。研究人員對美國桑迪亞實驗室(SNL)采用的壓縮機開展數(shù)值模擬,結(jié)果表明數(shù)據(jù)吻合性良好。西安交大葉輪機械研究所類似研究指出采用400×400 精度的SCO2物性表,能夠獲得準確的物性參數(shù)和壓氣機氣動性能。

Rinaldi E.通過對美國桑迪亞實驗室(SNL)的SCO2壓縮機進行氣動性能分析,發(fā)現(xiàn)壓縮機入口溫度和壓力略高于臨界點時,壓縮機內(nèi)容易發(fā)生跨臨界流動現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)葉片的前緣和尾緣出現(xiàn)了冷凝現(xiàn)象。在此基礎上,一些學者提出可以用一個無量綱的標準,評估SCO2壓縮機是否會發(fā)生冷凝現(xiàn)象。當流體在壓縮機的內(nèi)滯留時間較少時,不足以形成穩(wěn)定冷凝液滴,從而難以發(fā)生冷凝相變。大連理工大學的邵文洋等提出了“凝結(jié)裕量”的概念,評估葉輪進口處的工質(zhì)狀態(tài),控制壓縮機進口的物性狀態(tài),及確定壓縮機進口的速度比等參數(shù)。

3 壓縮機實驗研究現(xiàn)狀[3-4]

由于SCO2壓縮機理論機理研究的復雜性,目前仍無公認可靠的準則,因此通過建立實驗平臺對氣動理論和數(shù)值模擬方法進行數(shù)據(jù)校核顯得十分重要。國內(nèi)外科研機構均紛紛展開實驗平臺搭建及測試研究。

2010～2015 年,美國桑迪亞實驗室(SNL)、日本東京工業(yè)大學(TIT)、韓國科學技術院(KAIST)等研究機構先后完成設計并建立了100KW 級別超臨界二氧化碳壓縮機實驗測試平臺。

表1 各研究機構超臨界二氧化碳壓縮機設計參數(shù)

桑迪亞國家實驗室(SNL)對壓縮機在兩相進口條件下進行了測試,測試結(jié)果表明壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動或壓力不穩(wěn)定現(xiàn)象未明顯增加。東京工業(yè)大學(TIT)針對壓縮機在亞臨界區(qū)域表現(xiàn)進行了測試,發(fā)現(xiàn)其運行穩(wěn)定性超臨界進口條件下相比,沒有明顯差異。SCO2壓縮機均具有較高的運行穩(wěn)定性,壓縮機進口冷凝問題對實際運行影響不大。試驗機的進口均設計為類液相的超臨界狀態(tài),實驗測試結(jié)果表明此進口條件下,壓縮機能獲得更高的效能。

另外由于臨界點附近CO2物性的劇烈變化,導致SCO2壓縮機理論設計的不完善以及氣封、軸承等附件存在較大的設計難度,各研究機構在實際運行測試中,壓縮機實際運行轉(zhuǎn)速與設計轉(zhuǎn)速存在一定的差距,如東京工業(yè)大學(TIT)壓縮機實際運行轉(zhuǎn)速69000r.min-1,為設計轉(zhuǎn)速的69%；韓國科學技術院(KAIST)壓縮機實際運行轉(zhuǎn)速55000r.min-1,為設計轉(zhuǎn)速的78.6%。

國外各研究機構所采用的SCO2壓縮機,通常為離心壓縮機,葉輪尺寸均很小,結(jié)構緊湊,轉(zhuǎn)速高。圖1 為桑迪亞國家實驗室(SNL)采用的離心壓縮機實物圖。

圖1 桑迪亞實驗室離心壓縮機實物圖

桑迪亞國家實驗室(SNL)不同功率等級對SCO2壓縮機建議采取的結(jié)構形式進行了深入研究,研究指出對于10MW 級別以下壓縮機建議采用單級徑流,對于10MW 級別以上壓縮機建議采用多級徑流或者多級軸流壓縮結(jié)構。

近年來,美國和國內(nèi)一些研究機構開展了具有一定商業(yè)示范功能的MW 級SCO2布雷頓循環(huán)發(fā)電平臺的搭建和研究。

如美國天然氣技術研究院(GTI)和西南研究院(SWRI)聯(lián)合開展的STEP 項目,壓縮機采用兩級設計,離心壓縮機的設計轉(zhuǎn)速為27409 r.min-1,與100KW 級別壓縮機相比,設計轉(zhuǎn)速有了明顯降低。目前該項目處于設計規(guī)劃階段。

中科院工程熱物理研究所于2018 年搭建的1MW 級SCO2壓縮機實驗測試平臺(圖2),用于開展對自主設計壓縮機的工作性能進行測試和開展SCO2壓縮特性的基礎實驗研究。該平臺完成了國內(nèi)首次MW 級SCO2多進口工況(飽和態(tài)、臨界態(tài)、超臨界態(tài))全載實驗,結(jié)果表明實驗條件下壓縮機具有較好的穩(wěn)定性,從飽和態(tài)至臨界態(tài)/超臨界態(tài)壓縮機的等熵效率顯著提高。最高實驗轉(zhuǎn)速32000 r/min,質(zhì)量流量約13kg/s,總壓比接近2.0,等熵效率82%。

圖2 MW 級SCO2 實驗平臺

西安熱工院搭建了發(fā)電功率為5MW 級SCO2循環(huán)實驗測試平臺,壓縮機采用閉式葉輪,3 級串聯(lián)的結(jié)構方式,壓縮機轉(zhuǎn)速8500r/min,設計壓比為2.68,壓縮機設計效率僅達到72%。

4 結(jié)論與展望

近年來,應用于SCO2布雷頓循環(huán)的壓縮機作為核心部件,得到了國內(nèi)外各科研機構的廣泛研究,涉及壓縮機的理論及數(shù)值模擬研究、實驗研究等。數(shù)值模擬和實驗研究表明在100KW-1MW 級別,因為葉輪尺寸小的原因,葉片前緣未發(fā)現(xiàn)冷凝現(xiàn)象；由于壓縮機氣動設計的完善性及配套的軸承、密封等配套件存在的設計問題,壓縮機的實際轉(zhuǎn)速與設計轉(zhuǎn)速存在一定偏差。根據(jù)對目前研究現(xiàn)狀的分析,提出以下幾點研究展望：

4.1 壓縮機的理論研究及數(shù)值模擬,仍然缺乏公認精準的設計模型,因此,后期如何通過將理論研究及數(shù)值模擬和實驗測試分析聯(lián)系起來,互相校核,建立更精準的設計模型尤為重要。

4.2 隨著壓縮機功率等級的增加,葉輪尺寸相應增加。在用于商業(yè)應用的更高功率等級壓縮機內(nèi)是否會發(fā)生冷凝現(xiàn)象及如何避免,值得進一步深入研究。