超临界二氧化碳循环分析1

超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较

目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。

1. 二氧化碳布雷顿循环分析

（1）二氧化碳布雷顿循环

CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p 和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。

表1-1 CO2和He热物性比较（35℃）

工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1z

CO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.463

0.1 1.95 0.01497 0.828 0.879

He 7.5 11.32 0.1604 5.198 1.033

0.1 0.156 0.1571 5.198 0.999

（2）CO2简单循环与He循环的对比分析

以英国改进型气冷堆（AGR）为例。英国改进型气冷堆（AGR）实际运行时CO2温度高于670℃。考虑到CO2高温下与不锈钢材料化学不相容，因此循环最高温度保守取为650℃，若要采用更高的循环温度，需要采用其他金属材料。

CO2和He 动力循环在给定条件下计算的最优参数见表1- 2，温熵图见图

1-1。其中He 循环的温熵图略有不同，采用2 个压缩机分级压缩。

图1-1 CO2循环及He循环温熵图

表1-2 CO2简单循环与He循环比较

从表1-2 可看出，CO2循环计算所需初参数比He 循环多出压力项。如前文所述，He 在循环工况下取决于温度，只需给定循环的温度范围便可计算出不同压力比（ε）下循环效率（η），而CO2的c p还取决于压力。给定超临界和跨临界压力CO2循环的最高压力（P max）是由于现有技术条件的限制，保守取为20 MPa。表2 中的所列的最高η是P max达到限定值的效率，并未达到实际计算的最大η。He 循环的P max为现有模块化高温气冷堆He 循环最高压力（7MPa）。

图1-2 分别给出了表2 中所列初参数下η与ε关系。在所计算ε下，亚临界压力CO2循环与He循环相似，η随ε先增大到一个极大值点再缓慢下降。而超临界和跨临界循环，同样受到P max的限制，在计算ε下并未达到极大值。3 种CO2循环在相应限制条件下达到的最高η与温度条件几乎相同情形下的He 循环相近。但是，这 3 种循环均低于He 在t max＝800℃下的η，且相同温度条件下，CO2循环达到最高η的ε要大于He 循环达到最高η的ε。

图1-2 CO2简单循环与He循环效率

在气体汽轮机循环中，氦气透平带动压缩机，因此压缩机耗功也是关注的问题。定义压缩功与膨胀功之比w c /w t为氦气透平做功返回率。从图1-3中可看出，CO2循环的w c /w t小；这是因为CO2的z <1，易于压缩，而He的z ≈1，较难压缩的缘故。He 循环t max提高至800℃后，各压力比下的w c /w t均有所降低，

但仍然高于t max=650℃下的CO2各循环。在CO2的3种循环中，超临界及跨临界压力循环的w c /w t显著变小；这是因为压缩过程在临界点附近进行，而在临界点附近，c p显著减小，导致z 减小，更易于压缩；尤其是跨临界压力循环的w c /w t，比相同温度下He 循环几乎小了一个量级。

图1-3 CO2简单循环与He循环氦气透平做功返回率

从表1-2 还可看出，CO2循环单位质量的工质换热量均比He 循环要少，这意味着相同换热功率下CO2循环的质量流量m 较大（图1-4）。这是由于CO2的c p较He 小，相同功率，工质温升差别不大的情况下，CO2循环需要更大的m。

图1-4 热功率310MW时，质量流量与压力比关系

但是，这并不意味CO2循环没有优势。流体体积决定了做功和换热部件的尺寸大小，单位体积的做功量或换热量越大，相同功率下的做功换热部件体积越小，成本越低。CO2气体密度较大，因此各部件气体体积流量（V）较小（图1-5）。

图1-5 热功率310MW时，氦气透平出口体积流量与压力比关系以堆芯换热功率310 MW为例，对表1-1中的2种循环进行计算，结果见表1-3。

表1-3 CO2简单循环与He循环比较

从表1-3可以看出，相同热功率，在几乎相同的温度条件下，CO2循环所消耗的压缩功远小于He 循环所需的压缩功。3种CO2循环所需要的V均小于同等温度条件下和较优工况下He循环的工质体积流量；这表明3种CO2循环中单位体积流量的CO2气体做功能力均优于2种条件下He循环单位体积He的换热做功能力。特别是对于CO2的超临界循环和跨临界循环，其工质的V几乎与He 循环相差一个量级，大大减小了做功部件的体积。从表1-3还可以看出，CO2流经叶轮机械前后的V变化远比He流经叶轮机械的V变化大；因此，CO2循环的叶轮机械进出口叶高变化比He循环的大。这些都是由于循环工况下CO2的密度比He大很多，因此虽然m大，但是V却远远小于He循环。

2. 超临界CO2循环改进—超临界CO2再压缩布雷顿循环

二氧化碳超临界循环需采用多个回热器（若只采用1个回热器，由于回热器低压侧流体比热较小，换热时高压侧流体温升不够，会导致换热器出现夹点），使热量得以更好利用。二氧化碳再压缩循环示意图如图2-1所示，循环温熵图如图2-2所示。

图2-1 二氧化碳再压缩示意图