高溫氣冷堆復合聯合循環特性研究

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）

高溫氣冷堆復合聯合循環特性研究

王 杰1，丁 銘1，楊小勇2，王 捷2

（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900～1 000℃的出口溫度，其能量轉換系統可采用回熱循環和聯合循環而具有較高的效率。然而，回熱循環對回熱器回熱度的要求較高，而聯合循環的反應堆入口溫度較低，不利于循環效率的提高。為進一步提高循環效率，本文提出了一種復合聯合循環方案，分析了預冷器和回熱器對復合循環效率的影響，并與回熱和聯合循環進行了比較。結果表明，當反應堆出口溫度為950℃、回熱器回熱度為0.95時，不設置預冷器的復合循環效率可達54.2%。隨回熱器回熱度的增大，不設置預冷器時的復合循環與設置預冷器時的效率差由1.7%逐漸減小。比較回熱、聯合和復合3種循環方案發現，提高透平總的做功能力較減小壓氣機功耗更有利于效率的提高。當反應堆出口溫度為900～1 200℃時，復合循環的最佳效率較回熱循環高3.6%～4.0%，較聯合循環高1.9%～2.7%；當反應堆入口溫度存在限值且高于500～550℃時，復合循環具有最高的效率。

復合聯合循環；回熱器回熱度；預冷器；聯合循環；回熱循環；高溫氣冷堆

高溫氣冷堆具有良好的固有安全性，且其反應堆出口溫度可達900～1 000℃。高溫氣冷堆直接氦氣透平循環的透平出口溫度可達400～500℃，有氦氣直接回熱循環和氦氣-蒸汽聯合循環兩種乏氣熱量回收方式。

目前，高溫氣冷堆氦氣直接回熱循環是本領域研究的重點方向［1］，鑒于燃氣-蒸汽聯合循環具有很高的效率［2］，國內外對高溫氣冷堆的聯合循環方案也進行了研究［3－9］。研究結果表明：聯合循環較氦氣直接回熱循環具有更高的效率；當反應堆出口溫度為950℃時，不設置預冷器的聯合循環效率可達52.2%，較回熱循環高約1.7%［9］。

高溫氣冷堆氦氣直接回熱循環對回熱器回熱度的要求較高，而聯合循環雖已具有較高的循環效率，但壓氣機出口的冷氦氣直接進入反應堆致使反應堆入口氦氣溫度較低。綜合考慮預冷器和回熱器在循環中的作用，本文提出一種復合聯合循環方案，在此基礎上，分析在設置和不設置預冷器兩種系統布置情況下，回熱器回熱度對復合聯合循環效率的影響，并在不同反應堆出口溫度和入口溫度限值下，將復合聯合循環、聯合循環和回熱循環進行對比分析。

1 復合聯合循環方案

高溫氣冷堆回熱循環對回熱器回熱度的要求較高，通常要求其達到0.95以上才能使系統具有較高的效率。但是，回熱度的提高使回熱器的體積和換熱量不斷增加，甚至超過了反應堆的功率，如GTHTR300［10］。這不僅增加了回熱器制造的難度，且增加了回熱器的壓損率，這兩個方面都限制了回熱器對提高循環效率的作用。高溫氣冷堆聯合循環利用余熱鍋爐代替回熱器致使壓氣機出口的350℃冷氦氣直接進入反應堆，這不僅限制了循環效率的進一步提高，且擴大了反應堆進出口溫差，給反應堆的結構設計帶來了一定的挑戰。

綜合考慮回熱器和預冷器的作用，基于簡單聯合循環，在氦氣透平和余熱鍋爐之間增加1臺回熱器，該布置使循環兼具聯合循環和回熱循環的特征，因而稱其為高溫氣冷堆復合聯合循環（簡稱復合循環）。根據循環系統是否設置預冷器，復合循環又可分為有預冷器的復合循環和無預冷器的復合循環，其系統布置如圖1所示。對于上述系統，一方面可用回熱器來調節余熱鍋爐入口溫度和反應堆入口溫度，提高整個系統的循環效率；另一方面，氦氣透平出口的乏氣具有的能量經回熱器被吸收一部分后，再經余熱鍋爐被進一步回收，這不僅減小了回熱器的功率水平和體積，而且降低了系統對回熱器回熱度的敏感程度。

2 回熱器和預冷器的分析

回熱器的出現使復合循環具備了一定的回熱循環的特性，本節分析回熱器回熱度以及預冷器對復合循環系統特性的影響。

2.1 理論分析

參考圖1，復合循環系統可分為氦氣循環（布雷登循環）和蒸汽循環（朗肯循環）兩部分。其中，布雷登循環以反應堆為熱源，而朗肯循環

圖1 高溫氣冷堆復合聯合循環系統布置Fig.1 System configuration of HTR compound combined cycle

以回熱器低壓出口處的氦氣乏氣為熱源。總循環熱效率可表示為：

其中：Q為反應堆功率，kW；WT為氦氣透平功率，kW；WC為壓氣機功耗，kW；Wst為蒸汽透平功率，kW。

布雷登循環的熱效率ηB及朗肯循環的熱效率ηR分別為：

QR為朗肯循環熱源的功率，其表達式為：

式中，Qprc為預冷器帶走的熱量。

聯立式（1）～（4），得復合循環的熱效率表達式為：

Q、WC以及WT的表達式分別為：

其中：cp為氦氣的比定壓熱容；T為氦氣溫度；下標1、2、5、6、7和8分別為壓氣機入口和出口、反應堆入口和出口、氦氣透平入口和出口。

壓氣機出口溫度T2和入口溫度T1的關系為：

其中：γ為壓氣機壓比；φ為表征氣體絕熱過程的參數，φ＝（k－1）／k＝0.4，k為氦氣的比熱容比；ηC為壓氣機內效率。

氦氣透平出口溫度T8與入口溫度T7的關系為：

式中，ηT為氦氣透平內效率。回熱器高壓側出口溫度T4可表示為：

其中，α為回熱器的回熱度，可定義為：

式中：h為氦氣的比焓，J／kg；下標3和4分別表示回熱器高壓側入口和出口。由能量守恒可知，在正常運行條件下回熱器高壓和低壓側的進、出口溫度滿足如下關系式：

將式（11）代入式（13），可得回熱器低壓側出口溫度T9：

若不考慮循環中各部件之間管道的散熱并忽略管道間壓損對溫度的影響，則有T2≈T3、T4≈T5、T6≈T7，并將式（9）、（11）代入式（14）可得T9表達式：

聯立式（2）、（6）～（11）和（15）可得：

其中，τ為溫比，τ＝T6／T1。

在布雷登循環中，當反應堆出口溫度一定時，對式（16）的分析可知，溫比越大循環效率越高，即T1越小則ηB越大。若去掉預冷器使T1升高則會使ηB降低；然而由式（15）可知，在其他條件不變時，T1升高會使T9升高，從而使余熱鍋爐中的蒸汽參數升高，ηR增大；又因去掉預冷器后，預冷器帶走的熱量Qprc為零，因而會使朗肯循環對系統整體循環熱效率的貢獻（1－ηB－Qprc／Q）ηR增大。在反應堆出口溫度和循環壓比一定的條件下，當壓氣機入口溫度升高時，整體循環熱效率能否提高取決于ηR的增大幅度與ηB的降低幅度，是兩者競爭的結果，且這一結果受到回熱器回熱度α的影響。由于ηR取決于余熱鍋爐的蒸汽參數，而水蒸氣的物性函數很復雜，難以直接分析出ηR隨T1的變化特性。因而在以下分析中采用文獻［11］所介紹的三壓再熱余熱鍋爐的計算和優化方法對蒸汽循環部分進行優化計算，以研究回熱器回熱度和預冷器對復合循環效率的影響。

2.2 優化計算結果

采用表1所列的輸入參數對復合循環進行優化計算。當反應堆出口溫度為950℃時，在設置預冷器和不設置預冷器兩種系統布置下，回熱器回熱度對預冷器循環效率、T5和T9以及η1和η2的影響如圖2所示。其中，η1＝ηBηm，η2＝（1－ηB－Qprc／Q）ηRηm，η＝ηtηm，ηm為相對發電效率。

由圖2a可知，當反應堆出口溫度為950℃時，隨α的增大，有預冷器時和無預冷器時復合循環的效率均增大，但兩者效率差逐漸減小。當α＝0.95時，有預冷器時效率為54.1%，無預冷器時效率為54.2%；當α＝0.98時兩者效率均可達54.9%。

表1 優化計算的基本輸入參數Table 1 Input parameter of optimization calculation

對于不設置預冷器的復合循環，當α＜0.7時，復合循環的循環效率在0.515與0.520之間，與同等工況下的聯合循環效率相當，系統更具有聯合循環的特性。在此范圍內，α的增加并未使系統的效率有明顯提高，但可使反應堆入口溫度由345℃提高到483℃，如圖2b所示，減小了反應堆進、出口的溫差。隨α的增加，相應地余熱鍋爐的入口溫度就會減小，從而使余熱鍋爐中的蒸汽參數降低，朗肯循環對循環效率的貢獻減小，布雷登循環對循環效率的貢獻增加，如圖2c所示，因而會使復合循環更具有回熱循環的特性。當α＞0.7時，復合循環的循環效率隨α的增大有較大的提高，與回熱循環中效率隨α的變化趨勢［13］一致，復合循環系統更具有回熱循環的特性。

由上述分析可知，對于復合循環，α須高于0.7，否則回熱器在提高效率上的作用并不大，但它能提高反應堆的入口溫度以減小反應堆進、出口溫差。與有預冷器的復合循環相比，無預冷器的方案效率更高，且具有更加簡單的系統布置，是復合循環中較好的系統布置方案。

圖2 回熱器回熱度對預冷器循環效率、T5和T9以及η1和η2的影響Fig.2 Effect of regenerator effectiveness on system efficiency，T5，T9，η1andη2

3 復合循環、聯合循環與回熱循環的比較

表2列出了回熱循環、聯合循環和復合循環在反應堆出口溫度為900～1 200℃范圍內的循環效率。其中，聯合循環是簡化型聯合循環［9］，與普通的聯合循環相比，它不僅具有更加簡單的系統結構，而且具有更高的循環效率；復合循環采用α為0.95、不設置預冷器的循環方案。表中左側空白部分是由于反應堆入口溫度限值較低，導致氦氣透平的出口溫度低于或略高于（小于50℃）壓氣機的出口溫度，乏氣的熱量得不到或只能很少的回收利用，因而沒有必要設置回熱器，復合循環退化為聯合循環。右側空白部分表示3種循環在最佳效率點的反應堆入口溫度低于對應的反應堆入口溫度限值，因而在此之前3種循環已達到了最佳效率，反應堆入口溫度限值問題不再存在。

表2 回熱循環、聯合循環和復合循環的比較Table 2 Comparison of regenerative cycle，combined cycle and compound cycle

3.1 最佳效率的比較

若反應堆入口溫度不存在限值，3類循環均能達到其最佳效率點。由此可知，復合循環的循環效率較回熱循環高3.6%～4.0%，較聯合循環高1.9%～2.7%。而且，當反應堆出口溫度在900～1 200℃時，回熱循環、聯合循環和復合循環的最佳效率與反應堆出口溫度近似呈線性關系，其斜率分別為0.014／50℃，0.012／50℃和0.013／50℃。

對于回熱循環，循環效率的提高是通過降低壓氣機的功耗來實現的［13］。當反應堆出口溫度和循環壓比一定時，氦氣透平的進出口溫度不變，透平做功不變。預冷器和間冷器的設置大幅降低了壓氣機的進口溫度，因而大幅降低了壓氣機的功耗。又由于回熱循環中回熱器的回熱度很高，反應堆入口溫度接近于透平出口溫度，受壓氣機出口溫度的影響較小，故壓氣機出口溫度的大幅降低并不會使反應堆熱功率有很大的變化。因而，預冷器的設置提高了回熱循環的循環效率。

對于聯合循環，循環效率的提高是通過提高系統總的做功能力來實現的［9］。聯合循環利用透平出口的氦氣乏氣帶動余熱鍋爐的蒸汽回路做功，使總的做功能力增強。在相同的反應堆出口溫度下，與回熱循環相比，由于聯合循環未設置預冷器、間冷器并增設了余熱鍋爐，使得反應堆熱功率、壓氣機的壓縮功和總的有用功均較回熱循環中的相應值要高，其綜合結果是使循環效率較回熱循環的高。

對于復合循環，循環效率的提高也是通過提高系統總的做功能力來實現的。由于復合循環要求α在0.7甚至0.9以上，復合循環具有較高的回熱循環特性。與回熱循環相比，復合循環無預冷器和間冷器，在壓氣機和回熱器之間設置了余熱鍋爐以對回熱器低壓出口的氦氣乏氣進行回收，提高系統總的做功能力進而提高效率。這樣的系統布置雖增大了壓氣機的功耗，但由于余熱鍋爐的設置而增加的功率更為顯著，且由式（11）可知，壓氣機入口溫度的升高可提高反應堆入口溫度，從而減少了反應堆功率，有利于循環效率的提高。例如，當反應堆出口溫度為950℃、復合循環和回熱循環的壓比均為2.4時，兩者的單位質量流量氦氣的透平功率均為1 580kW，復合循環的壓氣機功率為872kW，較回熱循環高191kW，但余熱鍋爐產生的功率為229kW，系統總的有用功增加了229－191＝38kW，復合循環的反應堆功率為1 694kW，較回熱循環低47kW，最終結果是復合循環的發電效率較回熱循環高3.6%。這說明了增設余熱鍋爐以提高總的做功能力較設置預冷器和間冷器以減少壓氣機功耗更有利于循環效率的提高，這也解釋了在復合循環回熱器回熱度的分析中不設置預冷器較設置預冷器時效率更高的現象。

3.2 不同反應堆入口溫度限值下的比較

若反應堆入口溫度存在限值，按列比較表2中的數據可知，當反應堆出口溫度在900～1 200℃時，復合循環的效率較回熱循環高3.0%～4.0%，聯合循環較回熱循環高1.3%～4.3%。而且，當反應堆入口溫度限值低于500～550℃時，復合循環和聯合循環的效率相當；當入口溫度限值大于500～550℃時，復合循環的效率較聯合循環有較大的提高。

當反應堆出口溫度在900～1 200℃時，聯合循環在最佳效率點的反應堆入口溫度為461～561℃，而復合循環為588～749℃，較聯合循環高127～188℃，因而當反應堆入口溫度限值為500～550℃時，聯合循環已基本達到最佳效率，而復合循環需增大壓比以使反應堆入口溫度小于限值，從而偏離最佳運行工況，使循環效率大幅降低，與聯合循環相比并無明顯優勢。隨入口溫度限值的升高，復合循環逐漸達到最佳效率點，循環效率也逐漸增大，與聯合循環相比體現出了明顯的效率優勢。

4 結論

綜合考慮了高溫氣冷堆回熱循環和聯合循環各自的特點，本文提出了1種復合循環方案。它的特點是以聯合循環為基礎，在氦氣透平和余熱鍋爐之間增設1臺回熱器以提高反應堆入口溫度和循環效率。

對回熱器回熱度及預冷器的分析表明，不設置預冷器的復合循環具有更高的效率。在一定的反應堆出口溫度下，當回熱器回熱度低于限值時，復合循環仍表現為聯合循環的特點。例如，在反應堆出口溫度為950℃的條件下，當回熱器回熱度小于0.7時，復合循環的效率在0.515～0.520之間，與同工況下聯合循環的效率相當；當回熱器回熱度大于0.7時，復合循環的效率有明顯的提升，回熱器回熱度為0.95時其循環效率可達0.542。

當反應堆出口溫度為900～1 200℃時，在不同的反應堆入口溫度限值下，復合循環、聯合循環和回熱循環的對比表明：1）在復合循環和聯合循環中提高系統總的做功能力較在回熱循環中降低壓氣機功耗更有利于循環效率的提高；2）在最佳效率點時，復合循環的循環效率較回熱循環高3.6%～4.0%，較聯合循環高1.9%～2.7%；3）復合循環和聯合循環的循環效率較回熱循環高1.3%以上。當反應堆入口溫度限值低于500～550℃時，聯合循環具有較高的效率；當反應堆入口溫度限值高于500～550℃時，回熱器能發揮提高反應堆入口溫度的作用而使復合循環效率較高，但它以系統復雜程度的增加為代價。

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Study on Compound Combined Cycle of High Temperature Gas-cooled Reactor

WANG Jie1，DING Ming1，YANG Xiao-yong2，WANG Jie2
（1.Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin150001，China；2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

The high temperature gas-cooled reactor（HTR）has high reactor outlet temperature of 900-1 000℃and high cycle efficiency when combined with energy conversion systems of regenerative cycle and combined cycle.However，the regenerative cycle requires a high regenerator effectiveness.In the combined cycle，the reactor inlet temperature is so low that it hinders the further improvement of cycle efficiency.To further improve cycle efficiency，a compound cycle of HTR was proposed.The effects of precooler and regenerator on the compound cycle efficiency were analyzed.The results show that when the reactor outlet temperature is 950℃and the regenerator effective-ness is 0.95，the efficiency of the compound cycle without precooler reaches 54.2%.The efficiency difference between the compound cycles without precooler and with precooler drops from 1.7%with the increase of the regenerator effectiveness.The comparison of the regenerative，the combined and the compound cycles suggests that it is a more effective way to improve efficiency by increasing the total work production of the turbines than by decreasing the compression work of the compressor.When the reactor outlet temperature ranges from 900℃to 1 200℃，the optimum efficiency of the compound cycle is 3.6%-4.0%higher than that of the regenerative cycle and 1.9%-2.7% higher than that of the combined cycle.When the limit of the reactor inlet temperature is higher than 500-550℃，the compound cycle has the highest efficiency.

compound combined cycle；regenerator effectiveness；precooler；combined cycle；regenerative cycle；high temperature gas-cooled reactor

TL424

：A

：1000-6931（2015）04-0616-07

10.7538／yzk.2015.49.04.0616

2013-12-23；

2014-03-25

國家科技重大專項資助項目（ZX06901）

王 杰（1989—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，核科學與技術專業