Dezvoltarea ciclului Brayton supercritic cu dioxid de carbon

Dezvoltarea ciclului Brayton supercritic cu dioxid de carbon

Proiectul 2-2 : Optimizarea centralei VHTR

Obiectivul acestei teme este imbunatarirea randamentului ciclic al centralei prin cresterea combinata a randamentului fiecarui componenta din partea secundara a HTGR-ului. Pentru a finaliza proiectul, am executat un numar de simulari HYSYS pentru a investiga efectul presiunii asupra randamentului total al ciclului. Presiunea ridicata a fluidului de lucru, permite masinii turbo sa fie compacta, datorita densitatii mai mari a fluidului.De exemplu, densitatea de CO2 la 20 Mpa si 800 C este de 2. 43 ori mai mare decat ce a CO2 la 8MPa si 800 C.Aceeasi eveolutie se observa si la heliu (de 2.44 ori mai mare pentru heliu la 20MPa si 800°C decat la heliul la 8MPa si 800° . In general, presiunea sistemului creste odata cu randamentul ciclului. Totusi, presiunea optima a sistemului, nu trebuie determinata prin echilibrul energie-masa pentru fiecare componenta unde conditia nu cauzeaza depasiri de temperatura in jurul recuperatorului si a inlocuitorului de caldura intermediara.Transferul de caldura al diferitelor fluide de lucru influenteaza design-ul final al conditiilor de operare, rezultand randamente ciclice diferite. Folosind optiunea de optimizare HYSYS., a fost examinata o gama larga de presiuni ale sistemului, de la 6 MPla 20 Mpa precum si o gama larga de temperaturi, rezultand la obtinerea randamentului optim.

figura 3-15: Schema HYSYS unui ciclu cu CO₂ supercritic cu randamentul 49.3%

In figura 3-15 este ilustrat un exemplu tipic de simulare HYSYS, folosind schema cu 3 arbori, o presiune a sistemului de 13Mpa si alte conditii dupa cum urmeaza : Randamentul politropic al turbinei 92%, randamentul compresorului 90%, temperatura de iesire a reactorului 900°C, temperatura initiala a compresorului de 30°C, 3 schimbatoare de caldura intermediara ( cu o cadere de presiune de 20 kPa pe fiecare), un randament al recuperatorului de 95%, randament IHX de 90%, cadari de presiune de 140 kPa pentru latura principala a IHX-ului si 150 kPa pentru latura secundara, si o cadere de presiune de 20 kPa pe racitor.

Rezultatele preliminare ale efectului presiunii asupra  randamentului ciclului si a marimii recuperatorului folosind ciclul critic C)2, schema indirecta 3 arbori sunt prezentate in Tabelul 3-4.

Tabelul 3-4 : Rezultatele efectului presiunii asupra randamentului.

*Unde UA este coeficientul de transfer al caldurii universale inmultit cu aria de transfer a caldurii.

Pentru a mentine un fcator de eficienta de 95% pentru recuperator, urmatoarele calcule au fost implementate in simularea HYSYS : Randamentul e al unui schimbator de caldura este definit ca raportul dintre rata actuala de transfer a caldurii si rata maxima de transfer.

e = q/qmax  ( 3-1)

qmax=Cmin ( T(h, i) – T(c, i)  (3-2)

*unde Cmin este valoarea mai mica dintre C rece si Ccald.

Crece= C(p,rece) m rece   (3-3)

Ccald = C(p, cald) m cald (3-4)

Eficienta este stabilita pentru fiecare schimbator de caldura (90% pentru schimbatorul de caldura intermediara si 95% pentru recuperator. In continuare, q max este determinata folosind ecuatiile 3-2 si 3-4. In cazul heliului, Cp este constanta de-a lungul schimbatorului de caldura si C min nu este influentata de temperatura. Totusi, in cazul CO2 si a altor gaze, Cp nu este constanta si C min este influentata de temperatura. Pentru a inregistra acest aspect, s-a presupus ca Cp prin schimbatorul de caldura este media Cp,avg dintre C (p, in) si C (p, out).

Pentru a defini schimbatorul de curent, temperaturile de intrare si iesire precum si presiunea trebuie cunoscute, impreuna cu debitul masic atat pentru partea fierbinte cat si pentru partea rece a schimbatorului de caldura. Astfel, q a schimbatorului de caldura poate fi calculata.

HYSYS foloseste o functie de ajustare pentru ca schimbatorul de caldura sa atinca eficienta dorita. Ecuatiile 3-1 , 3-2 si conditiile schimbatorului de caldura sunt introduse in HYSYS. Apoi HYSYS calculeaza q, q max si e In continuare, o conditie modificabila este introdusa in HYSYS. Aceasta conditie este ajustata, celelalte ramanand constante astefel incat schimbatorul de caldura sa ajunga la eficienta dorita.

Pentru IHN, temperatura de iesire de pe partea rece este ajustata, in timp ce pentru recuperator se ajusteaza presiunea de iesire a partii fierbinti. Astfel, daca o conditie este alterata, conditia modificabila poate fi ajustata pentru a satisface conditia de eficienta.

Ciclurile directe si indirecte au fost comparate pe baza unui 600 MW-termal japonez GTHTR si o temperatura de iesire din reactor de 900°C. Figura 3-16 ilustraza  un HYSYS pentru un ciclu indirect cu un randament de 48% in comparatie cu un ciclu direct cu 52%.

figura 3-16: Schema HYSYS pentru ciclul Bryton indirect

Proiectul 2-3 : Calculul eficientei si alte aspecte tehnice

Obiectivul acestui proiect este sa include aspectele tehnice importante care nu au fost cuprinse in proiectele precedente : analiza fluidelor de lucru, racitorul intermediar o optiune pentru reincalzire, analiza altor cicluri inclusive recompresia, ciclul combinat Bryton – Rankine si reincalziri multiple folosind salturi molton pentru curba intermediara de scurgere.

Acesta este al treilea an al proiectului NERI, astfel cateva rezultate preliminarii ale anului current sunt prezentate in acest raport.

Fluidul de lucru este foarte important pentru sistemul de conversia al energiei (PCS – Power Conversion System) al NGNP.Randamentul ciclului, dimensiunile tuturor componentelor cum ar fi turbine, compresor, recuperator, schimbator de caldura intermediara pentru unitatile de hidrogen si alte componente vor depinde de fluid deoarece fiecare fluid are caldura de transfer si proprietatile de transport diferite. Datorita proprietatilor diferite ale fluidelor, centrala va avea variatii de energie si masa. Rezistenta materialului in PCS este de asemenea dependenta de tipul de fluid daca ne referim la coroziune sau la dilatarea materialului. Materialele de constructie folosite pentru toate componentele si introduce in PCS sunt expuse la o temperature si o presiune ridicata determinate de echilibrul energetic si de masa al fluidului.

Vom incepe o analiza a alegerii fluidului de lucru inclusiv a nitrogenului si a unui amestec binar pentru ciclul indirect. Un ciclu combinat Brayton va fi de asemenea explorat pentru a constata imbunatatirea eficientei.

Fluidele de lucru

Heliu pentru ciclurile directe si indirecte.

Ciclul direct- heliu a fost simulat cu o rata a presiunii optime de ~1.93. Asta i-a conferit ciclului un randament de 50.9%.

Ciclul indirect - heliu a fost simulat presupunandu-se o presiune de iesire a compresorului de 8 MPa. Conditiile ciclului au fost optimizate folosind o rata secundara  a debitului masic egala cu cea primara (439.1kg/s) si o rata a presiunii de ~2.02. Astfel, ciclul a ajuns la un randament de 48.7%.

Nitrogen pentru ciclurile indirecte

Ciclul indirect – nitrogen a fost simulat presupunandu-se o presiune de iesire a compresorului de 8 MPa. Rata secundara optima a debitului masic a fost 2600 kg/s si rata presiuni optime de ~2.37. Astfel, randamentul ciclului a fost de 45.5%.

CO2 pentru ciclurile indirecte

Ciclul indirect – CO2 a fost simulat presupunandu-se o presiune de iesire din compresor de 20 MPa. Presiunea ridicata de ieisre din compresor a fost folosita pentru a profita de compresia din jurul punctului critic si a usura munca compresorului. Rata secundara optima a debitului masic a fost de 1794 kg/s si rata optima a presiunii a fost de ~4.76.Asta i-a conferit ciclului un randament de 50.7%.

Ciclul indirect CO2 a fost simulat prin compratie si la 8 MPa. Rata debitului masic a fost indentica si rata optima a presiunii a fost ~6.8. Asta i-a conferit ciclului un randament de 46.4%. Rezultatul este apropiat de cel al altor fluide. Celelalte fluide de lucru sunt insensibile la presiunea sistemului, in vreme ce imbunatatirea randamentului poate fi realizata prin cresterea presiunii CO2-ului.

Presupunand caderi de presiune similare in schimbatoarele de caldura si acelasi randament pentru turbomasini, heliul, nitrogenul si CO2-ul au aproximativ acelasi randament al ciclului.Totusi,Co2 la 20 MPa are randamentul cu ~4% mai mare decat celelalte cicluri datorita compresiei scazute, dupa cum este ilustrat in tabelul 3-6. Heliul si nitrogenul sunt insensibile la o presiune maxima a sistemului, cresterea randamentului putand fi realizata prin cresterea presiunii CO2-ului.

Diminuarea compresiei datorata compresiei in jurul punctului critic al CO2 , face CO2-ul o alterbativa viabila ca fluid secundar de lucru. Totusi, CO2 nu este un fluid inerent comparative cu alte fluide ca heliul si nitrogenul si sunt necesare materiale avansate pentru a preveni coroziunea.

Profitabilitatea relatiei costuri ridicate – cresterea randamentului ciclului, va trebui aprofundata printr-o analiza economica.

Tabelul 3-5 compara randamentul cillului, sarcina turbinei si a compresorului si ratia ariei de transfer a caldurii totale pentru diferite fluide de lucru. Caderile de tensiune in IHX si recuperator au fost calculate pentru diferite fluide de lucru folosind un schimbator de caldura de tipul shell-tube. Indicatorul suprafetei totale poate varia in functie de partea finala a schimbatorului de caldura. Coeficientii generali ai caldurii de transfer U, au fost calculati si suprafata ideala de transfer al caldurii al ciclului indirect – heliu a fost folosita ca baza de comparatie a indicatorilor suprafetei pentru fiecare fluid de lucru. Dupa cum este ilustrat in tabelul 5-3, nitrogenul ca fluid de lucru in PCS are nevoie de cea mai mare supraftata a schimbatorului de caldura comparativ cu celelalte fluide studiate. Design-ul ciclului indirect Framatome foloseste un amestec heliu-nitrogen pentru a creste conductivitatea gazului termal and a reduce dimensiunea schimbatorului de caldura.

UA a fost calculate folosind urmatoarea ecuatie :

Ui = 1/ ( 1/hi + Di/DL * Xw/Km + Di/Doho) (3-5)

*unde Ui este un coeficient de transfer al caldurii universale bazat pe un diametru intern, h este coeficientul transferului de caldura, x este grosimea, k este conductivitatea termala, i, o,L sunt inside, outside si log-mean.  DL este definit ca:

DL=(Do-Di)/ln(D0/Di)  (3-6)

Tabelul 3-5. Comparatia ciclurilor pentru diverse fluide de lucru

Bibliografie: paginile 28-35