曾 涛 秦 婧 方华伟 李沛颖 韩 冰

(1、中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,四川 成都610213 2、东方电气集团东方锅炉股份有限公司,四川 成都643001)

1 概述

CO2处于于超临界态时,即SCO2(p＞7.38 MPa,T＞304.13 K),流体的密度及压缩性与液体接近,临界密度比气,体高两个数量级,流压缩性远小于气体；同时又具有与气体黏性低的优点,即黏性远小于液体。SCO2的这些性质,使其作为核反应堆二回路的能量转换工质具有明显的优势。SCO2应用于核反应堆一般采用布雷顿循环：SCO2可压缩系数低,因而可以减少压缩机的功耗；SCO2工质黏性小、流动性强、循环损耗小；SCO2工质密度大、压缩机等关键部件体积小、系统结构紧凑,可以大大减少核电的建设成本和建造周期；SCO2在核反应堆堆芯冷却剂温度范围内具有良好的稳定性和惰性气体性质。

压缩机作为应用于SCO2布雷顿循环的压缩机作为核心部件,得到了国内外各科研机构的广泛研究。

2 压缩机的理论及数值模拟研究现状[1-2]

由于CO2在临界点附近物性剧烈变化的特点,微小的温度和压力的变化,将会引起比热容和密度的极大变化,传统的压缩机理论设计方法可能不再适用。近年来超临界二氧化碳压缩机的理论及数值模拟研究,一直是国内科研机构的研究热点。

韩国科学技术院(KAIST)的KIM S.G.等对SCO2压缩机进行了全三维数值模拟并与实验数据进行对比,发现使用k-ω SST 模型时,在与临界点相距较远时精度较高,数据吻合好,越靠近临界点附近,数值模拟结果与实验数据偏差越明显。

一些数值模拟的研究发现,当采用高精度较高物性表时,由于CO2在临界点附近物性变动剧烈,使得数值模拟难以收敛。针对此问题中科院工程热物理研究所提出CO2物性状态方程制成表格供CFD 调用,通过采用非等距采样差值的方法保证临界点附近的差值精度。研究人员对美国桑迪亚实验室(SNL)采用的压缩机开展数值模拟,结果表明数据吻合性良好。西安交大叶轮机械研究所类似研究指出采用400×400 精度的SCO2物性表,能够获得准确的物性参数和压气机气动性能。

Rinaldi E.通过对美国桑迪亚实验室(SNL)的SCO2压缩机进行气动性能分析,发现压缩机入口温度和压力略高于临界点时,压缩机内容易发生跨临界流动现象,发现叶片的前缘和尾缘出现了冷凝现象。在此基础上,一些学者提出可以用一个无量纲的标准,评估SCO2压缩机是否会发生冷凝现象。当流体在压缩机的内滞留时间较少时,不足以形成稳定冷凝液滴,从而难以发生冷凝相变。大连理工大学的邵文洋等提出了“凝结裕量”的概念,评估叶轮进口处的工质状态,控制压缩机进口的物性状态,及确定压缩机进口的速度比等参数。

3 压缩机实验研究现状[3-4]

由于SCO2压缩机理论机理研究的复杂性,目前仍无公认可靠的准则,因此通过建立实验平台对气动理论和数值模拟方法进行数据校核显得十分重要。国内外科研机构均纷纷展开实验平台搭建及测试研究。

2010～2015 年,美国桑迪亚实验室(SNL)、日本东京工业大学(TIT)、韩国科学技术院(KAIST)等研究机构先后完成设计并建立了100KW 级别超临界二氧化碳压缩机实验测试平台。

表1 各研究机构超临界二氧化碳压缩机设计参数

桑迪亚国家实验室(SNL)对压缩机在两相进口条件下进行了测试,测试结果表明压缩机运转平稳,振动或压力不稳定现象未明显增加。东京工业大学(TIT)针对压缩机在亚临界区域表现进行了测试,发现其运行稳定性超临界进口条件下相比,没有明显差异。SCO2压缩机均具有较高的运行稳定性,压缩机进口冷凝问题对实际运行影响不大。试验机的进口均设计为类液相的超临界状态,实验测试结果表明此进口条件下,压缩机能获得更高的效能。

另外由于临界点附近CO2物性的剧烈变化,导致SCO2压缩机理论设计的不完善以及气封、轴承等附件存在较大的设计难度,各研究机构在实际运行测试中,压缩机实际运行转速与设计转速存在一定的差距,如东京工业大学(TIT)压缩机实际运行转速69000r.min-1,为设计转速的69%；韩国科学技术院(KAIST)压缩机实际运行转速55000r.min-1,为设计转速的78.6%。

国外各研究机构所采用的SCO2压缩机,通常为离心压缩机,叶轮尺寸均很小,结构紧凑,转速高。图1 为桑迪亚国家实验室(SNL)采用的离心压缩机实物图。

图1 桑迪亚实验室离心压缩机实物图

桑迪亚国家实验室(SNL)不同功率等级对SCO2压缩机建议采取的结构形式进行了深入研究,研究指出对于10MW 级别以下压缩机建议采用单级径流,对于10MW 级别以上压缩机建议采用多级径流或者多级轴流压缩结构。

近年来,美国和国内一些研究机构开展了具有一定商业示范功能的MW 级SCO2布雷顿循环发电平台的搭建和研究。

如美国天然气技术研究院(GTI)和西南研究院(SWRI)联合开展的STEP 项目,压缩机采用两级设计,离心压缩机的设计转速为27409 r.min-1,与100KW 级别压缩机相比,设计转速有了明显降低。目前该项目处于设计规划阶段。

中科院工程热物理研究所于2018 年搭建的1MW 级SCO2压缩机实验测试平台(图2),用于开展对自主设计压缩机的工作性能进行测试和开展SCO2压缩特性的基础实验研究。该平台完成了国内首次MW 级SCO2多进口工况(饱和态、临界态、超临界态)全载实验,结果表明实验条件下压缩机具有较好的稳定性,从饱和态至临界态/超临界态压缩机的等熵效率显著提高。最高实验转速32000 r/min,质量流量约13kg/s,总压比接近2.0,等熵效率82%。

图2 MW 级SCO2 实验平台

西安热工院搭建了发电功率为5MW 级SCO2循环实验测试平台,压缩机采用闭式叶轮,3 级串联的结构方式,压缩机转速8500r/min,设计压比为2.68,压缩机设计效率仅达到72%。

4 结论与展望

近年来,应用于SCO2布雷顿循环的压缩机作为核心部件,得到了国内外各科研机构的广泛研究,涉及压缩机的理论及数值模拟研究、实验研究等。数值模拟和实验研究表明在100KW-1MW 级别,因为叶轮尺寸小的原因,叶片前缘未发现冷凝现象；由于压缩机气动设计的完善性及配套的轴承、密封等配套件存在的设计问题,压缩机的实际转速与设计转速存在一定偏差。根据对目前研究现状的分析,提出以下几点研究展望：

4.1 压缩机的理论研究及数值模拟,仍然缺乏公认精准的设计模型,因此,后期如何通过将理论研究及数值模拟和实验测试分析联系起来,互相校核,建立更精准的设计模型尤为重要。

4.2 随着压缩机功率等级的增加,叶轮尺寸相应增加。在用于商业应用的更高功率等级压缩机内是否会发生冷凝现象及如何避免,值得进一步深入研究。