超临界二氧化碳循环分析
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. 优选- 超临界二氧化碳动力循环
1.超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机
〔1〕美国桑迪亚国家实验室研发超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机
美国桑迪亚国家实验室研究人员研发出一种新的超临界二氧化碳布雷顿循环燃气轮机，目前正在进展发电系统的示范阶段。这种新轮机可将热电转换效率提高多达50%，为核电站配备的蒸汽轮机可改善50%，或者一个单独的燃气轮机效率可提高40%。该系统十分紧凑，意味着资金本钱会相对较低。
研究主要集中在超临界二氧化碳〔S-CO2〕布雷顿循环轮机，这种轮机通常是用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反响堆。目标是最终取代蒸汽驱动的兰金循环轮机〔效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍〕。布雷顿循环每个组合可以产出20 MW的电力，占用空间只有四个立方米。
桑迪亚国家实验室目前有两个超临界二氧化碳测试循环。第一个发电循环位于科罗拉多州Arvada，从2021年3月开场运行，开展阶段的发电量大约为240 kW，现在正在进展升级。第二个循环位于Albuquerque桑迪亚国家实验室，用于研究临界点附近存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题。
桑迪亚国家实验室近期方案继续开发和运行小的测试循环以确定关键功能和技术。测试结果将说明概念容量〔尤其是它的紧凑性〕、效率和更大系统的可扩展性。未来方案是进展技术的商业化，先在10 MW的工业示范电厂开展。
桑迪亚还有一种采用氦作为工作流体的布雷顿循环，设计运行温度约为925℃，预计发电效率达43%-46%。相比之下，超临界二氧化碳布雷顿循环作为氦布雷顿.
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. 优选- 系统提供了同样的效率，但温度相对较低〔250-300℃〕。S-CO2设备比氦气循环紧凑〔它又比传统蒸汽循环紧凑小巧〕。
〔2〕东芝开发超临界二氧化碳循环火力发电系统
东芝公司日前针对正在开发的超临界二氧化碳循环火力发电系统，在到达目标压力的状态下，成功完成了燃气轮机燃烧器的燃烧试验。由此，向实现发电效率高、可回收二氧化碳、环境负荷低的系统迈进了一大步。这种系统具备与组合利用燃气和蒸汽的燃气联合循环发电同等水平的效率，同时无需另外设置别离及捕集设备就可回收高压二氧化碳。
图1-1 超临界二氧化碳循环火力发电系统示意图
超临界指的是气体和液体的界限消失、性质介于气体和液体之间的状态。二氧化碳在温度和压力超过31℃、74个大气压时会到达超临界状态。燃烧试验利用了.
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. 优选- 美国加利福尼亚州试验机构的设备，于1月开场，分阶段提高燃气轮机燃烧器的压力，对其燃烧特性进展评估。此次，成功实现了在300个大气压的目标压力下燃烧。
现有燃气轮机发电设备可在20个大气压左右的压力下燃烧，而超临界二氧化碳循环火力发电系统的目标是300个大气压，因此能在高温高压条件下工作的燃气轮机燃烧器成为课题。此次试验成功意味着完成了第1阶段的开发。在开发的系统以天然气为燃料，在燃烧时，使用氧替代空气，因此也不会产生氮氧化物〔NOx〕。
东芝与美国大型电力企业爱克斯龙电力公司〔Exelon〕、工程企业芝加哥桥梁及钢铁公司〔Chicago Bridge and Iron pany〕等于2021年6月达成合作协议，共同进展系统开发，主要负责重要部件高温高压涡轮机和燃烧器。今后，各家公司将于2021 年在美国建立试验成套设备，实施实证试验，力争在2021年实现250兆瓦〔25万千瓦〕级设备的商用化。
2. 超临界二氧化碳在核反响堆中的应用
目前，在役的核电厂主要采用二代和二代改良型压水堆技术，随着第三代核电厂开场进入建立阶段，追求更高平安性和经济性、更少废物排放和可有效抑制核扩散的第四代先进核能系统的研究工作已逐渐成为世界各核电强国的研发热点。在实现第四代核能系统主要技术指标方面，采用气体冷却剂，防止了临界热流密度等热工平安限制，易于实现堆芯出口温度提升、系统构造简化以及快谱堆芯设计等，具有特殊的优势。
从物理化学稳定性的角度考虑，一般气冷堆采用氦气作为冷却剂。但氦气低密度带来的压缩功耗过大问题降低了氦气冷堆的净效率，因此氦气冷却的反响堆要求.
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. 优选- 堆芯出口温度较高〔一般要求在 800~1000℃〕以保证其经济性，这对目前的材料及工业制造技术提出了挑战。
采用超临界流体作为堆芯冷却剂，利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将反响堆运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现气冷堆在中等堆芯出口温度下到达较高效率的目标。超临界流体的这一性质使其在作为核反响堆二回路能量转换工质时同样具有明显的优势。二氧化碳〔CO2〕由于其临界压力相对适中〔7.38 MPa〕，具有较好的稳定性和核物理性质在反响堆堆芯冷却剂的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是核反响堆内最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳〔S-CO2〕在核反响堆运行参数范围内密度较大且无相变，因此以 S-CO2为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备构造紧凑、体积较小，可降低核电厂的建造本钱，实现模块化建造技术，缩短核电厂建造周期。
〔1〕S-CO2布雷顿循环根本原理
S-CO2工质用于核反响堆一般采用布雷顿热力循环模式。布雷顿循环一般包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热 4 个根本过程，其根本循环温熵图如图2- 1 所示。
对于核反响堆内的 S-CO2布雷顿循环，其最简单、最根本的系统流程如图 2-2
所示，主要由压缩机、回热器、气轮机、冷却器和热源构成。直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环下的热源是反响堆一、二回路之间的换热器。低温低压的气体经压缩机升压，再经回热器高温侧流体预热后进入热源，吸收热量后直接进入气轮机做功，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所.
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. 优选- 需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近，使流体密度增大，流体压缩性较好，从而降低了压缩功耗，提高了热力系统净效率。
图2-1 根本布雷顿循环温熵图
图2-2 最简布雷顿循环流程图
现有研究说明，在图 2-2 所示的 S-CO2热力循环方案中，回热器高、低温侧工.
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. 优选- 质比热容不同引起回热器存在"夹点〞的问题将对循环效率造成较大影响；为提高效率，可参加中间冷却、分流、再压缩等热力过程；S-CO2布雷顿循环用于核反响堆的堆芯最正确出口温度在 450~650℃之间，最正确堆芯进、出口温差在150~200℃之间；S-CO2布雷顿循环设备简化、体积小，有利于降低投入本钱和实现模块化建造技术。
〔2〕S-CO2用于核反响堆的研究现状
CO2的临界压力为7.38 MPa，对应的临界温度为31℃，从这一性质并结合核反响堆的工作温度可以看出，以 S-CO2为冷却剂的核反响堆既不同于采用液体冷却的传统压水堆，也不同于液态和超临界状态共存的超临界水冷堆，而是一种堆芯整体完全由超临界低密度冷却剂冷却的气冷堆概念。尽管英国已经投入运行的先进气冷堆〔AGR〕也采用 CO2作为冷却剂，且出口运行温度已到达650℃，但其运行压力约为 4.2 MPa，仍属亚临界条件，压缩机功耗相对较大，设备体积也相对庞大。针对采用 S-CO2作为堆芯冷却剂的先进气冷堆，以美国、日本为主的核能兴旺国家目前已开展了一些研究，美国能源部下属几大国家实验室及局部高校还开展了 S-CO2用作核反响堆二回路能量转换工质的相关研究。
〔a〕美国研究现状
美国对S-CO2工质用于核反响堆的研究主要基于 3 个方面的需求：①代替现有的氦气冷却剂实现气冷堆在中等出口温度下保持较高效率的目标，解决氦气冷堆的高温材料问题；②利用 S-CO2气冷堆相对较高的出口温度在中短期内实现核能制氢；③以 S-CO2布雷顿循环代替蒸汽兰金循环，实现动力转换系统的高效率和小型化，为多功能中小型模块化反响堆的开发提供支持。
a.S-CO2气冷堆概念研究 .
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. 优选- 美国早在 20 世纪五、六十年代就研究了 S-CO2用于核反响堆的可行性，并提出了一些初步的概念。S-CO2用于核反响堆系统时，压缩机入口温度在拟临界温度31℃附近，堆芯出口温度在 500℃以上，回热器的回热量约为堆芯释热量的 2
倍，回热器必须足够高效、紧凑。但受限于当时的工业技术和高性能换热器设计制造技术水平，这一方案被迫放弃。随着 20 世纪 90 年代高性能换热器设计制造技术的突破，美国从 21 世纪初重新开场了S-CO2工质用于核反响堆系统的探索研究。
