高温气冷堆简化型联合循环特性研究

高温气冷堆具有900~1000℃的出口温度而使其具备采用联合循环发电的潜力。在典型高温气冷堆氦气 蒸汽联合循环中,氦气回路多采用预冷器等设备以降低压气机入口温度和压缩功,但这也使反应堆的入口温度过低而影响联合循环效率的进一步提高。为提高循环效率,对联合循环中的预冷器对循环效率的影响进行了热力学分析,提出了联合循环中是否需设置预冷器的判据,并根据这一判据提出了一种简化型联合循环,即无预冷器的联合循环。简化型联合循环的优化结果表明,在950 ℃的反应堆出口温度下,其循环效率可达52.2%,较典型联合循环的效率提高了1.4%,较回热循环的效率提高了1.7%。与回热循环相比,在反应堆出口温度较高而其入口温度要求较低的工况下,简化型联合循环更具有优势。     

商用高温气冷堆联合循环方案研究

本文针对高温气冷堆动力转换单元设计了3种联合循环方案,并将3种循环方案在反应堆出口温度900℃的情况下与闭式Brayton循环进行比较。结果表明:闭式Brayton循环在反应堆出口温度较高时,相应反应堆入口温度也较高,这受到反应堆压力壳材料限制,且所需压气机压比较大;联合循环方案的反应堆入口温度低于370℃,反应堆压力壳可使用SA533钢材,无需内壁冷却,且所需压气机压比较小。方案比较显示,提高联合循环效率需增加下位循环出力。方案3的上位循环是简单Brayton循环,下位循环是再热Rankine循环,循环效率可达50.1%。     

高温气冷堆间接联合循环热力学分析

高温气冷堆的堆芯出口温度能达到 950℃ ,可以耦合各种动力转换系统。间接蒸汽 /气体透平联合循环是一个技术发展方向。基于现有的高温堆和动力转换部件技术发展水平 ,提出了四种循环方案 ,分析比较了循环效率。同时 ,对影响循环效率的重要因素做了分析。由蒸汽循环和带有预冷器的氮气透平循环构成的间接联合循环可以作为首选方案。堆芯出口温度为 950℃时 ,循环效率可以达到 4 7%以上。     

高温和超高温气冷堆动力转换方案研究

动力转换单元是高温和超高温气冷堆的重要组成部分。本文对高温和超高温气冷堆的动力转换单元进行研究。从4个关键参数（反应堆出口温度、反应堆入口温度、压缩比和主蒸汽参数）入手,对5个循环方案进行比较分析。综合考虑各种工程因素,上位循环为简单氦气透平循环、下位循环为有再热的蒸汽轮机循环的联合循环方案是具有竞争力的,其中下位循环在高温气冷堆范围是亚临界参数循环,在超高温气冷堆范围是超临界参数循环。联合循环可实现高温和超高温气冷堆热量的高效率转化,且反应堆入口温度在反应堆压力壳材料允许的范围内,具有足够的安全性。     

运动条件下铅铋反应堆热工水力特性研究

为研究运动条件下铅铋反应堆热工水力特性,开发了运动条件铅铋反应堆瞬态分析系统程序,并完成了对设计的5 MW自然循环小型模块化铅铋反应堆的建模,分析了运动条件对反应堆自然循环热工水力特性的影响。计算结果表明,倾斜条件下,堆芯流量减小,堆芯出口温度升高,在计算最大倾斜角度下,流量减小20%,冷却剂堆芯出口温度升高20 ℃。起伏条件下,起伏幅度和起伏周期越大,对反应堆影响越大,由于系统阻力影响,流量变化较起伏加速度有小于1 s的延时。摇摆条件下,摇摆角度越大和摇摆周期越小,对反应堆影响越大,燃料包壳峰值温度较稳态值高20 ℃以内,对反应堆正常运行时安全性影响较小。     

高温氦氙气体微通道回热器的传热流动特性分析

以氦氙气体作为工质的闭式布雷顿循环系统是大功率空间热电转换目前最可行的技术方案。高温氦氙气体回热器是闭式布雷顿循环系统的关键部件,其性能明显影响系统发电效率、系统发射质量以及系统布置的紧凑性。本文采用计算流体力学和传统理论分析方法,针对高温氦氙气体微通道的结构及成型工艺选择、工作温度与回热器回热度的关系、流量与性能参数的关系等进行了研究。研究结果表明,采用精雕工艺作为微通道的成型工艺可在不降低回热器换热性能的前提下降低压降40%,减少质量17%。在设计参数条件下,微通道之间设置联通通道不会增加换热能力。回热器回热度随流量的增加而减小,且存在拐点,对于拟研制回热器的设计参数,设计流量应不高于0.24 g/s。回热器结构合理性用单位压降和温降条件下换热面积与功率的比值来判断,降低雷诺数能有效提高回热器的结构合理性。     

冷/热芯偏移对自然循环回路驱动力的影响

以一体化布置的中高压自然循环反应堆模拟实验装置为基础,从实验和理论分析两方面研究了上升段和下降段之间的传热以及堆芯和主换热器内温度变化对稳态自然循环能力造成的影响。实际测得了上升段进出口温差和套管式换热器一次侧水温在轴向的非线性分布,并推导得到了上升段与下降段之间的传热以及热源和热阱中温度分布对自然循环能力影响的表达式。研究表明,当上升段和下降段之间传热造成温度变化1~20℃,热源和热阱均为抛物线温度分布时,自然循环能力减小约0.2%~4%。     

高温气冷堆板翅式回热器的分布参数模型

板翅式回热器是高温气冷堆直接氦气透平循环中的重要部件.针对逆流板翅式回热器,提出了一个一维的分布参数模型来研究其动态性能,并用整场离散、整场求解的方法求解了该模型.通过对回热器高温侧入口温度扰动的模拟和分析,发现与扰动同侧出口温度的响应过程可以用一个带滞后的惯性环节来表达,而与扰动异侧出口温度的响应过程可以用一个过渡过程时问极短的惯性环节来表达.对于流量扰动而言,回热器出口温度的动态特性也可以采用惯性环节来表达.在此基础上,利用该模型模拟了一个温度和流量耦合变化的响应过程.结果表明该模型不仅能用于简单扰动的模拟,还可以用于复杂扰动的模拟和分析.     

高温气冷堆联合循环技术潜力研究

模块式高温气冷堆与燃气联合循环发电分别代表着当今核能界和常规发电界的最先进技术,两者的结合为提高核电的安全性和经济性提供了一条新的思路,是一个极具竞争优势的选择方案。本文通过分析高温气冷堆和联合循环的现状及发展趋势,着重从今后10～20年技术潜力的角度研究高温气冷堆联合循环技术,并给出各种堆芯出口温度条件下的循环方案。例如,堆芯出口温度为1050℃,循环效率可达51.4%。     

空间核能磁流体发电系统性能分析及参数优化

高温气冷堆结合磁流体发电是一种高效的空间电源系统，可以满足空间任务对于大功率、高效率的需求，具有广阔的应用前景。用于磁流体发电的空间核动力系统主要包括核反应堆、磁流体发电机、回热器、压气机、热辐射器等，本文对该系统循环过程进行分析，通过建立循环效率模型及质量模型开发了系统分析程序，在验证程序准确性的基础上对系统综合性能展开了分析。研究了压气机级数、循环冷端温度、循环热端温度、回热器回热度等因素对系统效率、比质量、辐射器面积、总质量的影响，并对1 MWth热功率下的动力系统进行了参数优化，实现了系统循环效率46.15%、总质量4 375 kg和比质量9.48 kg/kWe,在未来太空应用中具有很好的竞争力。     

HTR-10一体化换热装置和联合循环

10MW高温气冷实验堆 (HTR 10 )有两个突出的特点 :(1)采用气体轮机和汽轮机联合循环 ,可以提高其发电效率 ,并且能保持较低的堆芯入口温度 (30 0℃ )。 (2 )中间换热器和蒸汽发生器一体化设计 ,减少了一个壳体和一个热气导管 ,提高了安全性和经济性。描述了一体化的中间换热器和蒸汽发生器以及气体轮机和蒸汽轮机联合循环的设计特点。     

旁路阀调节对高温气冷堆闭式布雷顿循环瞬态特性影响研究

闭式布雷顿循环是第4代高温堆核能系统的关键技术之一,其典型的动态过程是旁路阀调节。为分析这一过程,建立了循环中关键部件的动态模型,其中压气机在径向平衡模型基础上耦合了对附面层发展的预测,兼顾了计算效率与准确性;换热部件模型基于双曲型守恒律方程,对工质的热物性和参数的快速变化有较好的适应性。在此基础上根据回路的质量守恒和压力平衡原则将各部件的模型耦合,建立了系统的动态模型。由于旁路阀调节是氦气透平发电系统主要的功率快速调节手段,瞬态效应较为显著,以模块式高温气冷堆（HTR-10GT）旁路阀开启后的过渡过程作为算例,分析了主要循环参数的响应特性,并通过分析,给出了降低输出功率的机制。计算结果表明：系统的容积惯性对旁路阀调节的响应速度影响较大,而阀门的开度则决定了系统在末态的输出功率;回热器的温度冲击现象可能发生在调节过程中,但可通过两旁路阀联动的方式缓解;反应堆出口温度变化幅度很小,因此反应堆模型的准确程度对结果基本无影响。     

高温气冷堆氦气透平直接循环的Exergy分析

针对100MW电功率的氦气透平直接循环的设计，对循环各个部件分别进行了热力学第一和第二定律分析。给出了各个部件的输入和产出Exergy公式，计算了Exergy损失分布表，并和按照传统分析方法分析的结果进行了比较。结果表明，一半以上的Exergy损失发生在堆芯部分，而由预冷器、压气机和间冷器组成的压缩系统所占Exergy损失比重，比按照第一定律计算的能量损失份额结果小的多；循环Exergy损失主要原因是能量形式的转换和不可逆换热。系统Exergy效率略高于热效率。     

氦气杂质对中间换热器材料的影响初探

中间换热器是高温气冷堆氦气透平间接循环和高温工艺热应用的关键部件.中间换热器属于一回路压力边界,它将堆芯出口温度达900～1 000 ℃氦气的热量传递给二回路氦气,此外还承受一、二回路氦气压差,因此,目前能够用于中间换热器的耐热金属材料非常有限.高温气冷堆一、二回路氦气中含有H_2、H_2O、CO、CH_4等杂质,在高温下,氦气杂质对中间换热器材料的影响主要是氧化、碳化和脱碳,降低材料的机械性能,其影响不可忽视.对于中间换热器设计,现有规范的温度范围需扩展,氦气杂质对材料强度的影响也需考虑.     

Optimization of helium-steam binary cycles for HTGRs

This paper describes techniques for determining optimum plant configuration and operating conditions for complex binary cycles employing feedwater heaters, moisture separators, multi-stage compressors, and a regenerator. A model describing the efficiency of binary cycles is developed in a form suitable for optimization. As part of the optimization procedure, the system is partitioned into Brayton and Rankine portions by fixing coupling variables, and then for fixed values of coupling variables the two cycles are optimized separately. Dynamic programming is used in the Rankine portion of the binary cycle and a modified search technique in the Brayton cycle.For the range of reactor outlet and boiler saturation temperatures examined, and for boiler exit temperature up to 536°C, binary cycle efficiencies become optimum at 371°C boiler saturation temperature, 110°C to 170°C superheat, no regeneration for reactor exit temperatures below 1170K and appreciable amount of regeneration above 1170K. Optimum binary cycle efficiencies are 0.506, 0.533 and 0.560 for reactor exit temperatures of 1060 K, 1170 K and 1280 K, respectively.     

核-气联合循环发电系统性能仿真分析

针对压水堆核电机组循环热效率较低及电网对核电调峰能力的需求，基于Ebsilon软件，在大亚湾核电站二回路热力系统模型基础上，建立核-气联合循环发电热力系统。以燃气轮机循环效率、联合循环效率作为热经济性指标，评价联合循环系统的性能，并分析环境温度、压力及燃气轮机负荷变化对系统性能的影响。结果表明:核-气联合循环系统热效率相比原核电机组提高13.15%，汽轮机输出功率增加75.49%，工作环境得到明显改善；环境温度降低或压力升高会提高燃气轮机效率及联合循环功率；燃气轮机降负荷时，通过补燃天然气可维持核蒸汽发生器进口温度不变，汽轮机仍有较高的输出功率，负荷可调节范围为56.57%~100%。