曾 濤 秦 婧 方華偉 李沛穎 韓 冰

(1、中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610213 2、東方電氣集團(tuán)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(shí),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(gè)數(shù)量級(jí),流壓縮性遠(yuǎn)小于氣體；同時(shí)又具有與氣體黏性低的優(yōu)點(diǎn),即黏性遠(yuǎn)小于液體。SCO2的這些性質(zhì),使其作為核反應(yīng)堆二回路的能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢。SCO2應(yīng)用于核反應(yīng)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(jī)的功耗；SCO2工質(zhì)黏性小、流動(dòng)性強(qiáng)、循環(huán)損耗??；SCO2工質(zhì)密度大、壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件體積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,可以大大減少核電的建設(shè)成本和建造周期；SCO2在核反應(yīng)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(jī)作為應(yīng)用于SCO2布雷頓循環(huán)的壓縮機(jī)作為核心部件,得到了國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)的廣泛研究。

2 壓縮機(jī)的理論及數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀[1-2]

由于CO2在臨界點(diǎn)附近物性劇烈變化的特點(diǎn),微小的溫度和壓力的變化,將會(huì)引起比熱容和密度的極大變化,傳統(tǒng)的壓縮機(jī)理論設(shè)計(jì)方法可能不再適用。近年來超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的理論及數(shù)值模擬研究,一直是國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的KIM S.G.等對(duì)SCO2壓縮機(jī)進(jìn)行了全三維數(shù)值模擬并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)使用k-ω SST 模型時(shí),在與臨界點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)精度較高,數(shù)據(jù)吻合好,越靠近臨界點(diǎn)附近,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差越明顯。

一些數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用高精度較高物性表時(shí),由于CO2在臨界點(diǎn)附近物性變動(dòng)劇烈,使得數(shù)值模擬難以收斂。針對(duì)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(diǎn)附近的差值精度。研究人員對(duì)美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室(SNL)采用的壓縮機(jī)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(jī)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(zhǔn)確的物性參數(shù)和壓氣機(jī)氣動(dòng)性能。

Rinaldi E.通過對(duì)美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室(SNL)的SCO2壓縮機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能分析,發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)入口溫度和壓力略高于臨界點(diǎn)時(shí),壓縮機(jī)內(nèi)容易發(fā)生跨臨界流動(dòng)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(chǔ)上,一些學(xué)者提出可以用一個(gè)無量綱的標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估SCO2壓縮機(jī)是否會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象。當(dāng)流體在壓縮機(jī)的內(nèi)滯留時(shí)間較少時(shí),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(xué)的邵文洋等提出了“凝結(jié)裕量”的概念,評(píng)估葉輪進(jìn)口處的工質(zhì)狀態(tài),控制壓縮機(jī)進(jìn)口的物性狀態(tài),及確定壓縮機(jī)進(jìn)口的速度比等參數(shù)。

3 壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀[3-4]

由于SCO2壓縮機(jī)理論機(jī)理研究的復(fù)雜性,目前仍無公認(rèn)可靠的準(zhǔn)則,因此通過建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)氣動(dòng)理論和數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)據(jù)校核顯得十分重要。國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)均紛紛展開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及測試研究。

2010～2015 年,美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室(SNL)、日本東京工業(yè)大學(xué)(TIT)、韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)等研究機(jī)構(gòu)先后完成設(shè)計(jì)并建立了100KW 級(jí)別超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)。

表1 各研究機(jī)構(gòu)超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)對(duì)壓縮機(jī)在兩相進(jìn)口條件下進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動(dòng)或壓力不穩(wěn)定現(xiàn)象未明顯增加。東京工業(yè)大學(xué)(TIT)針對(duì)壓縮機(jī)在亞臨界區(qū)域表現(xiàn)進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行穩(wěn)定性超臨界進(jìn)口條件下相比,沒有明顯差異。SCO2壓縮機(jī)均具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性,壓縮機(jī)進(jìn)口冷凝問題對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)口均設(shè)計(jì)為類液相的超臨界狀態(tài),實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明此進(jìn)口條件下,壓縮機(jī)能獲得更高的效能。

另外由于臨界點(diǎn)附近CO2物性的劇烈變化,導(dǎo)致SCO2壓縮機(jī)理論設(shè)計(jì)的不完善以及氣封、軸承等附件存在較大的設(shè)計(jì)難度,各研究機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行測試中,壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速存在一定的差距,如東京工業(yè)大學(xué)(TIT)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速69000r.min-1,為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的69%；韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速55000r.min-1,為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的78.6%。

國外各研究機(jī)構(gòu)所采用的SCO2壓縮機(jī),通常為離心壓縮機(jī),葉輪尺寸均很小,結(jié)構(gòu)緊湊,轉(zhuǎn)速高。圖1 為桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)采用的離心壓縮機(jī)實(shí)物圖。

圖1 桑迪亞實(shí)驗(yàn)室離心壓縮機(jī)實(shí)物圖

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)不同功率等級(jí)對(duì)SCO2壓縮機(jī)建議采取的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了深入研究,研究指出對(duì)于10MW 級(jí)別以下壓縮機(jī)建議采用單級(jí)徑流,對(duì)于10MW 級(jí)別以上壓縮機(jī)建議采用多級(jí)徑流或者多級(jí)軸流壓縮結(jié)構(gòu)。

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

如美國天然氣技術(shù)研究院(GTI)和西南研究院(SWRI)聯(lián)合開展的STEP 項(xiàng)目,壓縮機(jī)采用兩級(jí)設(shè)計(jì),離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為27409 r.min-1,與100KW 級(jí)別壓縮機(jī)相比,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速有了明顯降低。目前該項(xiàng)目處于設(shè)計(jì)規(guī)劃階段。

中科院工程熱物理研究所于2018 年搭建的1MW 級(jí)SCO2壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)(圖2),用于開展對(duì)自主設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行測試和開展SCO2壓縮特性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。該平臺(tái)完成了國內(nèi)首次MW 級(jí)SCO2多進(jìn)口工況(飽和態(tài)、臨界態(tài)、超臨界態(tài))全載實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)條件下壓縮機(jī)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(jī)的等熵效率顯著提高。最高實(shí)驗(yàn)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(jí)SCO2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

西安熱工院搭建了發(fā)電功率為5MW 級(jí)SCO2循環(huán)實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái),壓縮機(jī)采用閉式葉輪,3 級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速8500r/min,設(shè)計(jì)壓比為2.68,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)效率僅達(dá)到72%。

4 結(jié)論與展望

近年來,應(yīng)用于SCO2布雷頓循環(huán)的壓縮機(jī)作為核心部件,得到了國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)的廣泛研究,涉及壓縮機(jī)的理論及數(shù)值模擬研究、實(shí)驗(yàn)研究等。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究表明在100KW-1MW 級(jí)別,因?yàn)槿~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(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的完善性及配套的軸承、密封等配套件存在的設(shè)計(jì)問題,壓縮機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速存在一定偏差。根據(jù)對(duì)目前研究現(xiàn)狀的分析,提出以下幾點(diǎn)研究展望：

4.1 壓縮機(jī)的理論研究及數(shù)值模擬,仍然缺乏公認(rèn)精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型,因此,后期如何通過將理論研究及數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試分析聯(lián)系起來,互相校核,建立更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型尤為重要。

4.2 隨著壓縮機(jī)功率等級(jí)的增加,葉輪尺寸相應(yīng)增加。在用于商業(yè)應(yīng)用的更高功率等級(jí)壓縮機(jī)內(nèi)是否會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)象及如何避免,值得進(jìn)一步深入研究。