钠冷快堆超临界CO2循环热力学特性分析及优化

张春伟，谢 敏，程 健，董鹤鸣，王 硕，张绍睿，杜 谦

(1.哈电发电设备国家工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨电气股份有限公司核电事业部，黑龙江 哈尔滨 150028; 3.哈尔滨工业大学 能源与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;4.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 引言

CO2在温度达到31.1℃、压力达到7.38MPa时，处于超临界状态。超临界CO2热物理性质同时兼具气、液态的特点：粘性、扩散系数接近气体，密度接近液体。这使超临界CO2在能量传递与转化过程中体现出良好的传质性能和携热能力[1]。超临界CO2循环利用CO2在临界点附近优良的热物理性质，减小压缩功、提高热效率，进而提高循环效率，从而提高发电系统的整体效率[2]。被认为可以用于核电[3]、光热[4]、化石燃料[5-6]发电、余热利用[7-8]等领域。

超临界CO2循环发电技术研究在世界范围内尚处于基础研发阶段。如图 1所示，超临界CO2循环技术研究起步较早的是俄罗斯科学院和挪威科技大学。美国、欧盟等国在21世纪初进入到超临界CO2循环研究领域，逐步开展了关于核能[9]、太阳能[10-11]和化石燃料的超临界CO2研究计划，其中美国研发单位众多、科研课题涉及广泛，逐渐成为超临界CO2循环研究的核心国家。我国开展超临界CO2循环研究起步时间基本与美国相当，但研究尚未广泛开展。

从2004年起美国麻省理工学院开始从事核能超临界CO2循环发电技术研究[12]。主要围绕采用超临界CO2为循环工质的2 400 MW气冷快堆开展研究(超临界CO2工质温度约650℃，热效率要求达45%)，进行了热水力设计及系统核心优化设计。美国桑迪亚实验室从2004年开始受美国能源部资助对四代堆超临界CO2循环进行研究，包括压缩机和透平机械性能分析，热交换系统试验平台和商业化方案设计，印刷电路板式换热器设计与性能测试，凝结式超临界CO2循环数值模拟与实验研究，再循环系统总成，10 MWe小堆示范电站设计等。

1 数学模型和计算方法

本研究所用程序在自行开发的超临界CO2循环一体化分析软件中完成最佳循环的参数优化。以再压缩循环为例，其稳态计算流程如图2所示。具体步骤为：首先根据排气的温度以及热源热端端差计算透平进口温度；再由透平进出口压力、进口温度以及透平模块计算高温回热器热流体进口温度；此外根据压缩机进口温度、进出口压力以及压缩机模块计算主压缩机出口温度即低温回热器冷流体进口温度；再由给定的回热器端差以及压缩机模块计算再压缩机出口温度即低温回热器冷流体出口即高温回热器冷流体进口温度；接着根据回热器模块解出热源冷流体进口温度以及各部分的流量系数；最后根据热源模块解出工质在循环系统内的流量。并根据流量计算得到各部件功率、系统功率以及效率。

2 计算分析

对于目前处于研究阶段的几种第四代核堆，在温度区间上与超临界CO2循环(CO2不进入堆芯)匹配的堆型包括超临界水堆、铅冷快堆、钠冷快堆。其中，对于堆芯压力较低的铅冷快堆、钠冷快堆，采用超临界CO2循环，可以利用CO2工质相对较高的压力对堆芯提供一定的防泄漏保护作用。本研究中将以钠冷快堆作为热源对象展开超临界CO2循环的热力系统性能分析，铅冷快堆与超临界CO2循环结合的情况应与其相似。

2.1 钠冷快堆超临界CO2循环基本特点

在前人研究中，该循环系统钠工质出/入堆芯温差约150℃，钠工质压力约0.1 MPa。基本工作过程如图3，在堆芯内钠作为工质携带反应堆产生的热量并通过Na-Na换热器加热二回路钠工质，通过Na-超临界CO2换热器加热CO2工质，而后工质通过透平做功、回热器回收热量、冷却器放热、压缩机升压等过程实现热力循环。本研究以输出27.00±1.00 MW净功作为目标，开展循环系统的热力分析和参数优化。

3.2 钠冷快堆超临界CO2简单回热循环

首先，在图3所示循环布置形式下，本文对冷却器出口温度Tmin、压缩机出口压力pmax以及透平出口压力pmin对系统循环效率的影响进行了分析。对于冷却器出口温度Tmin而言，越是接近临界温度(31.1℃)，循环效率越高，最高可达37.03%。随着Tmin的升高，循环效率有明显的下降，且降幅随pmax的增加而加剧。下面重点讨论pmax，如图4所示，不同Tmin下pmax对循环效率有明显的影响但影响规律不完全相同。当Tmin<35℃时，循环效率随pmax先升后降；当Tmin≥35℃时，循环效率随pmax的升高而下降。

不同透平出口压力pmin下(如图5)，循环效率受压缩机出口压力pmax的影响规律。分析在Tmin=32℃条件下进行，不同的pmin下，循环效率与pmax曲线形状一致，最高效率点在35 MPa，不同曲线间效率的差异约在0.5%左右。

2.3 钠冷快堆超临界CO2的改进循环

前人研究中从各个系统性能改进的角度，提出了间冷、再热、再压缩、预压缩、分流膨胀、分段膨胀-回热等基本循环形式，以及基于这些基础形式下的组合改进形式。总的来说，针对超临界CO2布雷顿循环，可采用的循环基本类型如图6所示。

(1)再压缩循环(Recompression)

再压缩循环亦称为Feher循环，在国内外核堆超临界CO2循环中使用最为普遍，循环通过再压缩实现了部分工质不经过冷却器散热，将这部分能量留存在循环系统中。但同时引入了再压缩机入口工质温度较高，对再压缩机的性能要求较高。由于部分工质未进入冷却器，经过压缩、回热后，工质进入热源的温度被抬高，导致热源加热区间变窄。此种循环形式可适用于闭式热源(核堆、光热等)，但不适用于开式热源(化石燃料燃烧、余热回收等)，过窄的加热区间将导致开式热源的利用率降低，整体系统性能降低。

(2)间冷循环(Intercooling)

间冷循环是在工质压缩过程中引入级间冷却过程，将压缩过程中由工质压缩产生的热量导出，使得经过冷却后的工质再进入压缩过程时减小温升、提升压缩机性能。间冷循环结构形式简单，但直接应用并不广泛。间冷虽然拓宽了工质的吸热区间，有利于从热源获得更多的热量，但在冷端的散热量也进一步加大，并未能通过结构改进减少有用能的耗散。因此，间冷常常与其他改进循环联用，作为进一步改善循环性能的方式。

(3)再热循环(Reheating)

再热循环是将热源的吸热过程分成不少于两段，工质分段加热-膨胀做功，有效提升了循环过程的平均温度，从而提高了循环效率。再热循环通常被用于化石燃料燃烧作为热源的情况，此类热源温度高，温度区间宽，需要通过多次再热来保证热量被尽可能多的利用。再热循环不适用于钠堆，钠堆属于中温热源，热源最高温度约500℃，一次吸热已经满足热源换热需求。

(4)分段压缩-回热循环(Interrecuperation)

分段压缩-回热循环将工质压缩到一定压力后通过回热器吸收热量，而后再进入第二台压缩机升压，出口工质再经过高温回热器进一步升温。这类改进循环的目的是尽可能的利用透平乏气余热，减少冷却器散热。根据前人研究，超临界CO2压缩机在工质临界点附近的性能最佳，该循环对工质加热后再送入压缩机，可能将导致压缩机设计困难和性能不佳。目前，超临界CO2压缩机为整体循环的设计难点，系统设计时应尽量回避过高的压缩机性能要求。

(5)预压缩循环(Precompression)

预压缩循环将工质回热过程分为两段，在工质经过高温回热器回收热量后，预先进行加压，而后再经过低温回热器回收热量、冷却，再进入主压缩机，采用的是减少冷源散热的思路。与分段压缩-回热循环类似，该改进循环在远离工质临界点的工况条件下，设置了预压缩机、主压缩机，与目前压缩机设计水平不符，可能无法近期实现工程应用。

(6)分段膨胀循环(Sliptexpansion)

分段膨胀循环将工质的膨胀做功过程分为两段，在工质经过回热器升温后，进入热源吸热器之前，先进行膨胀做功，利用回热器温升和部分压力释放做功；而后进入热源吸热，再进入透平膨胀做功。这一改进形式在国内外文献中较为少见，分段膨胀循环的系统压比较大，热源吸热温度也应较高，才能达到其设置的系统效率提升效果。

基于以上改进循环的基本形式，多种形式可以叠加使用，以从多个方向来实现系统性能的提升。但是，随着循环形式的改进，将伴随多个设备的引入、多次分流回流、更多温度压力的控制等等要求，增加了系统的复杂性和控制逻辑设计的困难。对于不同的热源，不同的应用场景，各类循环结构的优劣不同。本文从以下几个方面考虑钠堆热源条件下的循环选择原则：

(1)钠堆为闭式热源，热源换热器换热区间为350～550℃，不需要再热过程；

(2)核堆应用场景下，系统尽量保持简洁紧凑，分/汇流限制在1次以内；

(3)不叠加超过两种以上的改进循环基本形式。

基于以上分析，本研究选择再压缩循环和部分冷却循环两种改进的循环形式，来开展进一步的系统性能分析。

2.4 中国实验快堆CEFR-1200

中国实验快堆是我国快中子增殖反应堆发展的第一步。其技术方案符合世界快堆发展趋势，主要参数和系统设置接近商用快堆，具备了大部分原型快堆的一些结构特点，适宜于向下一步商用快堆电站跨越。CEFR-1200池式钠冷快堆参数由快堆联盟提出，按照要求分为四个环路，从单个环路上看，电功率比AFR-100高、效率设计要求达到40%，Na-超二换热器中Na的温度范围基本相当，如表1所示。本文首先在简单回热循环下讨论一些主参数对循环性能的影响，继而完成基于该堆型的Na-SCO2循环系统优化。

表1 CEFR-1200和AFR-100总体参数对比表

2.5 优化的方向及结果

从与AFR-100的对比可以看出，CEFR-1200就常规岛回路来说，热力学特性与AFR-100应基本一致。本节基于简单回热循环，进行CEFR-1200单只循环回路的热力学特性分析。

利用热力学计算程序和优化程序，我们进行了一个初步的计算和分析。因为前期有AFR-100的研究基础，CEFR-1200不需要重复做热力学特性分析，而是将问题归结为如何能够满足其40%效率的要求。通常效率提高的方法有以下几种：

(1)结构形式进一步改进

(2)运行参数优化调整

(3)主设备效率的提升

根据前期研究，结构形式的改进能够实现更高的循环效率。但存在以下几点问题：(1)结构形式的改进往往伴随了布置的复杂化、引入更多的设备、控制逻辑的更高要求等；(2)核堆属于中温热源，热量品质不高，不适合过分的分级利用来提高循环效率；(3)核堆利用过程中，设备的设计要求远高于火电、光热等领域，多台设备的引入、控制逻辑的复杂化都将大幅增加系统的建设成本、风险。因此，对于CEFR-1200的效率提升，我们参考了前人在AFR-100优化中的做法，首先针对再压缩循环进行了参数优化，在工程可行的范围内，将循环效率提升至最值37.81%，如下图所示。

其次，对比AFR-100的分析论文[13-14]，本文中透平效率(87%)和压缩机效率(85%)的设置值均低于AFR-100(透平92.8%，压缩机89%～90%)。分析原因，本文透平、压缩机效率的设置依据为前期10 MWe余热超临界CO2循环系统中旋转机械部分的设计分析结果，效率的给出基于工程可实现性。但10 MWe余热机组与CEFR-1200有较大差异，CEFR-1200所用透平与压缩机功率等级更高，透平入口温度更高，结合近期本研究团队在透平及压缩机功率上的分析进展，在CEFR-1200的应用背景下，透平可以实现88%～90%的效率，而压缩机效率预估可超过84%。基于以上分析，经过再次优化计算，在图9所示循环参数下，可满足效率40%的要求。

3 结论

本文完成了Na-SCO2动力转换系统研究工作。首先，针对Na-SCO2快堆典型热工参数特点，开展了热力循环方案的选择论证工作，选择循环效率高、系统复杂程度适中的超临界CO2动力转换系统的热力方案。根据CEFR-1200堆型，按照40%的循环效率作为目标，完成了最佳方案的工艺参数确定，并完成了最佳方案循环的热力计算程序编制。