核反應堆超臨界二氧化碳布雷頓循環中的壓縮機

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,體高兩個數量級,流壓縮性遠小于氣體；同時又具有與氣體黏性低的優點,即黏性遠小于液體。SCO2的這些性質,使其作為核反應堆二回路的能量轉換工質具有明顯的優勢。SCO2應用于核反應堆一般采用布雷頓循環：SCO2可壓縮系數低,因而可以減少壓縮機的功耗；SCO2工質黏性小、流動性強、循環損耗小；SCO2工質密度大、壓縮機等關鍵部件體積小、系統結構緊湊,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具有良好的穩定性和惰性氣體性質。

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

2 壓縮機的理論及數值模擬研究現狀[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值模擬研究,一直是國內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值模擬并與實驗數據進行對比,發現使用k-ω SST 模型時,在與臨界點相距較遠時精度較高,數據吻合好,越靠近臨界點附近,數值模擬結果與實驗數據偏差越明顯。

一些數值模擬的研究發現,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物性狀態方程制成表格供CFD 調用,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值模擬,結果表明數據吻合性良好。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,發現壓縮機入口溫度和壓力略高于臨界點時,壓縮機內容易發生跨臨界流動現象,發現葉片的前緣和尾緣出現了冷凝現象。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壓縮機是否會發生冷凝現象。當流體在壓縮機的內滯留時間較少時,不足以形成穩定冷凝液滴,從而難以發生冷凝相變。大連理工大學的邵文洋等提出了“凝結裕量”的概念,評估葉輪進口處的工質狀態,控制壓縮機進口的物性狀態,及確定壓縮機進口的速度比等參數。

3 壓縮機實驗研究現狀[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值模擬方法進行數據校核顯得十分重要。國內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

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,測試結果表明壓縮機運轉平穩,振動或壓力不穩定現象未明顯增加。東京工業大學(TIT)針對壓縮機在亞臨界區域表現進行了測試,發現其運行穩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,實驗測試結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,壓縮機實際運行轉速與設計轉速存在一定的差距,如東京工業大學(TIT)壓縮機實際運行轉速69000r.min-1,為設計轉速的69%；韓國科學技術院(KAIST)壓縮機實際運行轉速55000r.min-1,為設計轉速的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,結構緊湊,轉速高。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構。

近年來,美國和國內一些研究機構開展了具有一定商業示范功能的MW 級SCO2布雷頓循環發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速為27409 r.min-1,與100KW 級別壓縮機相比,設計轉速有了明顯降低。目前該項目處于設計規劃階段。

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。該平臺完成了國內首次MW 級SCO2多進口工況(飽和態、臨界態、超臨界態)全載實驗,結果表明實驗條件下壓縮機具有較好的穩定性,從飽和態至臨界態/超臨界態壓縮機的等熵效率顯著提高。最高實驗轉速32000 r/min,質量流量約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電功率為5MW 級SCO2循環實驗測試平臺,壓縮機采用閉式葉輪,3 級串聯的結構方式,壓縮機轉速8500r/min,設計壓比為2.68,壓縮機設計效率僅達到72%。

4 結論與展望

近年來,應用于SCO2布雷頓循環的壓縮機作為核心部件,得到了國內外各科研機構的廣泛研究,涉及壓縮機的理論及數值模擬研究、實驗研究等。數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,葉片前緣未發現冷凝現象；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,壓縮機的實際轉速與設計轉速存在一定偏差。根據對目前研究現狀的分析,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值模擬和實驗測試分析聯系起來,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。在用于商業應用的更高功率等級壓縮機內是否會發生冷凝現象及如何避免,值得進一步深入研究。