高溫氣冷堆簡化型聯合循環特性研究

王 杰，丁 銘，楊小勇，王 捷

(1.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084)

高溫氣冷堆具有良好的固有安全性，其堆芯出口溫度可達900～1 000 ℃。高溫氣冷堆氦氣透平循環技術是利用其堆芯出口溫度的重要方式之一。在氦氣循環中，氦氣透平出口(乏氣)溫度可達400～500 ℃，乏氣熱量的回收方式有氦氣直接回熱循環和氦氣-蒸汽聯合循環兩種。目前，高溫氣冷堆氦氣直接回熱循環技術是本領域理論和工程中的重點研究方向[1]。

鑒于燃氣-蒸汽聯合循環的效率可達50%以上，甚至60%～62%[2]，高溫氣冷堆聯合循環也具有較高的研究價值。美國[3]、日本[4]及我國清華大學等均對高溫氣冷堆聯合循環進行了相關研究。研究結果表明，高溫氣冷堆聯合循環具有一定的利用價值，但與回熱循環相比并不具有明顯的優勢[5-8]。一方面，帶預冷和間冷的直接回熱循環已具有了較高的效率。另一方面，典型高溫氣冷堆聯合循環利用余熱鍋爐代替回熱器，高壓的冷氦氣(約300 ℃)直接進入反應堆，聯合循環中預冷器的設置在減少壓氣機壓縮功的同時也降低了反應堆的入口溫度，這阻礙了聯合循環效率的進一步提高。

針對典型聯合循環中預冷器的作用問題，本文從熱力循環的角度研究預冷器對聯合循環效率的影響。根據對預冷器的分析結果提出一種簡化型聯合循環(即無預冷器的聯合循環)，并將其與典型聯合循環和回熱循環進行對比分析，從理論上討論高溫氣冷堆聯合循環的發展潛力。

1 預冷器的分析

典型高溫氣冷堆聯合循環如圖1所示，通常采用三壓再熱余熱鍋爐[9]代替回熱器，且在壓氣機入口設置預冷器以減少壓氣機的壓縮功。下面在反應堆出口氦氣溫度和循環壓比一定的條件下，討論預冷器對聯合循環效率的影響。

圖1 典型高溫氣冷堆聯合循環

對于單位質量流量的氦氣，高溫氣冷堆聯合循環效率的定義為：

(1)

其中：Q為反應堆的功率，表示氦氣通過反應堆時的總吸熱量，W/kg；Wc為壓氣機功耗，W/kg；Wt為氦氣透平和蒸汽透平的總功率，可分為氦氣透平功率Wt1和蒸汽透平功率Wt2，W/kg。

Q可表示為：

(2)

其中：cp為氦氣的比定壓熱容，J/(kg·K)；t3為反應堆出口溫度，由反應堆的結構決定為定值，℃；t2為反應堆入口溫度，℃；t1為壓氣機入口溫度，℃；γ為循環壓比；φ為絕熱因子，是表征氣體絕熱過程的參數，φ=(k-1)/k=0.4，k為氦氣的比定壓熱容與比定容熱容之比；ηc為壓氣機內效率。

Wc為：

(3)

透平總功率Wt=Wt1+Wt2，其中，氦氣透平做功為：

Wt1=cp(t3-t4)

(4)

式中，t4為余熱鍋爐入口溫度，℃，t4與γ和t3有關。

在余熱鍋爐中蒸汽的壓力、溫度參數一定的條件下，Wt2為余熱鍋爐入口溫度t4的函數，Wt2=f(t4)。當γ和t3一定時t4為定值，因而Wt2也是定值。

將式(1)兩邊取對數，得：

lnη=ln(Wt-Wc)-lnQ

(5)

式(5)對t1進行求導，并結合式(1)可得：

(6)

式(2)和式(3)對t1求導后代入式(6)，可得：

(7)

若使去掉預冷器后的聯合循環效率有所增加，則需滿足：

ηcη-(1-η)(γφ-1)>0

(8)

由式(8)可知，在聯合循環系統布置中，預冷器的設置能否提高循環效率，取決于ηc和設置預冷器時系統的η及與之對應的γ。

2 聯合循環的改進

根據對預冷器的理論分析，改進圖1所示的聯合循環為圖2所示的無預冷器的聯合循環，并對其進行優化分析。由于其具有更加簡單的系統布置，將無預冷器的聯合循環稱為簡化型高溫氣冷堆聯合循環。在優化計算中，氦氣回路和蒸汽回路的基本輸入參數列于表1。當反應堆出口溫度為950 ℃時，聯合循環在設置預冷器(典型)和不設置預冷器(簡化型)時的優化結果列于表2，相應的t-S圖如圖3所示。在t-S圖中，去掉預冷器后的循環各點參數帶上標“′”，并用虛線連接；除1和2點之外，其他各點重疊。

圖2 簡化型高溫氣冷堆聯合循環

表1 優化計算的基本輸入參數

2) Δt為余熱鍋爐入口氦氣溫度與高壓新蒸汽溫度差

表2 有/無預冷器時聯合循環的優化結果

圖3 聯合循環溫熵圖

(9)

故循環效率升高了0.68%。若對簡化型聯合循環進行參數優化，其循環效率可進一步提高。由表2的數據可知，優化后的簡化型聯合循環的最佳壓比為3.5，循環效率達0.521 5，較典型聯合循環效率提高了1.4%。

3 不同工況下3種循環方案的對比

隨著高溫氣冷堆材料的發展[11]，高溫氣冷堆的出口溫度有望得到進一步提高，如高溫氣冷堆的出口溫度達1 000 ℃以上。進一步分析簡化型聯合循環在更高出口溫度下的性能對其將來的發展具有較高的參考價值。由于受到結構及材料的限制，高溫氣冷堆的入口溫度實際上存在一定的限制，因而在不同的反應堆出口溫度和入口溫度限值下，回熱循環Ⅰ、典型聯合循環Ⅱ及簡化型聯合循環Ⅲ的循環效率對比結果列于表3。

若當反應堆出口溫度為900 ℃時，由于3種循環在最佳效率點的入口溫度均小于600 ℃，因而入口溫度限值大于600 ℃的工況沒有研究的必要。優化結果表明，在不同的反應堆出口溫度和入口溫度限值下，兩種聯合循環的效率均高于回熱循環的，且簡化型聯合循環效率優勢更加明顯。當反應堆出口溫度為900～1 200 ℃時，與回熱循環相比，典型聯合循環效率增量為0.3%～9.9%，而簡化型聯合循環的效率增量為1.5%～10.8%。最佳壓比下聯合循環的反應堆入口溫度主要為350～400 ℃，而回熱循環的反應堆入口溫度為550～750 ℃，因而聯合循環對反應堆入口材料的要求低于回熱循環的，但面臨更大的反應堆進、出口溫差。

當反應堆出口溫度保持不變時，隨反應堆入口溫度限值的降低，聯合循環和回熱循環效率均有所下降，但回熱循環的效率下降得更明顯。這意味著壓比變化對聯合循環效率的影響明顯小于其對回熱循環效率的影響。在聯合循環中，壓氣機出口的氦氣直接進入反應堆，反應堆入口溫度的降低是通過減小壓比來實現的。在一定的反應堆出口溫度下，壓比的減小使氦氣透平做功減小，但也使透平出口(即余熱鍋爐入口)溫度升高，從而使蒸汽參數升高，蒸汽回路的做功增加。壓比的降低雖減小了氦氣回路的做功能力，但系統的熱量轉移到了蒸汽回路中被利用，因而壓比的變化對系統總效率的影響較小。在回熱循環中，由于回熱器回熱度較高，反應堆的入口溫度接近于氦氣透平的出口溫度，增大壓比可降低透平的出口溫度從而降低反應堆入口溫度。壓比的增大不僅增加了壓氣機的耗功，且使壓氣機的出口溫度升高，氦氣攜帶的熱量被預冷器和間冷器帶走，這使系統效率隨壓比的增加有所下降。

從系統的復雜程度來說，簡化型聯合循環僅有一級壓縮，且較回熱循環少1個復雜的回熱器、預冷器和間冷器，但較回熱循環多1個余熱鍋爐。借鑒燃氣-蒸汽聯合循環中成熟的余熱鍋爐技術，聯合循環具較高的技術成熟度。由于高溫氣冷堆對進水事故比較敏感，它不僅可能引起石墨等結構材料的腐蝕，而且會引入正反應性，因而聯合循環的蒸汽回路與氦氣回路的匹配問題有待進一步的研究。

表3 3種循環在不同的反應堆出口溫度和入口溫度限值下的優化結果

4 結論

本文分析了預冷器對高溫氣冷堆聯合循環效率的影響，提出了聯合循環中是否需設置預冷器的判據，并根據判據提出了簡化型高溫氣冷堆聯合循環。它的基本特征是氦氣回路不設置預冷器并采用一級壓縮，這不僅減少了預冷器帶走的熱量，而且提高了反應堆的入口溫度，進而提高了系統的循環效率。當反應堆出口氦氣溫度為950 ℃時，其效率達到了52.2%，較典型聯合循環的提高了1.4%，較同樣工況下回熱循環的高1.7%。

在反應堆出口溫度為900～1 200 ℃和反應堆入口溫度限值為400～750 ℃的范圍內，對簡化型聯合循環、典型聯合循環及回熱循環的比較分析表明：簡化型聯合循環效率較回熱循環的高1.5%～10.8%，較典型聯合循環的高0.9%～1.4%，且對反應堆入口溫度材料要求低，氦氣回路的壓比變化對其循環效率的影響更小。在反應堆出口溫度較高而堆芯入口溫度限值較低的工況下，簡化型聯合循環具有更明顯的效率優勢。從系統的復雜程度上講，簡化型聯合循環較回熱循環少1個回熱器、預冷器和間冷器，但較回熱循環多1個余熱鍋爐。

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