王 杰，丁 銘，楊小勇，王 捷

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)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(dá)900～1 000 ℃。高溫氣冷堆氦氣透平循環(huán)技術(shù)是利用其堆芯出口溫度的重要方式之一。在氦氣循環(huán)中，氦氣透平出口(乏氣)溫度可達(dá)400～500 ℃，乏氣熱量的回收方式有氦氣直接回?zé)嵫h(huán)和氦氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)兩種。目前，高溫氣冷堆氦氣直接回?zé)嵫h(huán)技術(shù)是本領(lǐng)域理論和工程中的重點(diǎn)研究方向[1]。

鑒于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的效率可達(dá)50%以上，甚至60%～62%[2]，高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)也具有較高的研究價值。美國[3]、日本[4]及我國清華大學(xué)等均對高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果表明，高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)具有一定的利用價值，但與回?zé)嵫h(huán)相比并不具有明顯的優(yōu)勢[5-8]。一方面，帶預(yù)冷和間冷的直接回?zé)嵫h(huán)已具有了較高的效率。另一方面，典型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)利用余熱鍋爐代替回?zé)崞?，高壓的冷氦?約300 ℃)直接進(jìn)入反應(yīng)堆，聯(lián)合循環(huán)中預(yù)冷器的設(shè)置在減少壓氣機(jī)壓縮功的同時也降低了反應(yīng)堆的入口溫度，這阻礙了聯(lián)合循環(huán)效率的進(jìn)一步提高。

針對典型聯(lián)合循環(huán)中預(yù)冷器的作用問題，本文從熱力循環(huán)的角度研究預(yù)冷器對聯(lián)合循環(huán)效率的影響。根據(jù)對預(yù)冷器的分析結(jié)果提出一種簡化型聯(lián)合循環(huán)(即無預(yù)冷器的聯(lián)合循環(huán))，并將其與典型聯(lián)合循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)進(jìn)行對比分析，從理論上討論高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 預(yù)冷器的分析

典型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)如圖1所示，通常采用三壓再熱余熱鍋爐[9]代替回?zé)崞?，且在壓氣機(jī)入口設(shè)置預(yù)冷器以減少壓氣機(jī)的壓縮功。下面在反應(yīng)堆出口氦氣溫度和循環(huán)壓比一定的條件下，討論預(yù)冷器對聯(lián)合循環(huán)效率的影響。

圖1 典型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)

對于單位質(zhì)量流量的氦氣，高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)效率的定義為：

(1)

其中：Q為反應(yīng)堆的功率，表示氦氣通過反應(yīng)堆時的總吸熱量，W/kg；Wc為壓氣機(jī)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(yīng)堆出口溫度，由反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)決定為定值，℃；t2為反應(yīng)堆入口溫度，℃；t1為壓氣機(jī)入口溫度，℃；γ為循環(huán)壓比；φ為絕熱因子，是表征氣體絕熱過程的參數(shù)，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(jī)內(nèi)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(guān)。

在余熱鍋爐中蒸汽的壓力、溫度參數(shù)一定的條件下，Wt2為余熱鍋爐入口溫度t4的函數(shù)，Wt2=f(t4)。當(dāng)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(shù)，得：

lnη=ln(Wt-Wc)-lnQ

(5)

式(5)對t1進(jìn)行求導(dǎo)，并結(jié)合式(1)可得：

(6)

式(2)和式(3)對t1求導(dǎo)后代入式(6)，可得：

(7)

若使去掉預(yù)冷器后的聯(lián)合循環(huán)效率有所增加，則需滿足：

ηcη-(1-η)(γφ-1)>0

(8)

由式(8)可知，在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)布置中，預(yù)冷器的設(shè)置能否提高循環(huán)效率，取決于ηc和設(shè)置預(yù)冷器時系統(tǒng)的η及與之對應(yīng)的γ。

2 聯(lián)合循環(huán)的改進(jìn)

根據(jù)對預(yù)冷器的理論分析，改進(jìn)圖1所示的聯(lián)合循環(huán)為圖2所示的無預(yù)冷器的聯(lián)合循環(huán)，并對其進(jìn)行優(yōu)化分析。由于其具有更加簡單的系統(tǒng)布置，將無預(yù)冷器的聯(lián)合循環(huán)稱為簡化型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)。在優(yōu)化計算中，氦氣回路和蒸汽回路的基本輸入?yún)?shù)列于表1。當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度為950 ℃時，聯(lián)合循環(huán)在設(shè)置預(yù)冷器(典型)和不設(shè)置預(yù)冷器(簡化型)時的優(yōu)化結(jié)果列于表2，相應(yīng)的t-S圖如圖3所示。在t-S圖中，去掉預(yù)冷器后的循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)帶上標(biāo)“′”，并用虛線連接；除1和2點(diǎn)之外，其他各點(diǎn)重疊。

圖2 簡化型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)

表1 優(yōu)化計算的基本輸入?yún)?shù)

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(yù)冷器時聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)化結(jié)果

圖3 聯(lián)合循環(huán)溫熵圖

(9)

故循環(huán)效率升高了0.68%。若對簡化型聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，其循環(huán)效率可進(jìn)一步提高。由表2的數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的簡化型聯(lián)合循環(huán)的最佳壓比為3.5，循環(huán)效率達(dá)0.521 5，較典型聯(lián)合循環(huán)效率提高了1.4%。

3 不同工況下3種循環(huán)方案的對比

隨著高溫氣冷堆材料的發(fā)展[11]，高溫氣冷堆的出口溫度有望得到進(jìn)一步提高，如高溫氣冷堆的出口溫度達(dá)1 000 ℃以上。進(jìn)一步分析簡化型聯(lián)合循環(huán)在更高出口溫度下的性能對其將來的發(fā)展具有較高的參考價值。由于受到結(jié)構(gòu)及材料的限制，高溫氣冷堆的入口溫度實(shí)際上存在一定的限制，因而在不同的反應(yīng)堆出口溫度和入口溫度限值下，回?zé)嵫h(huán)Ⅰ、典型聯(lián)合循環(huán)Ⅱ及簡化型聯(lián)合循環(huán)Ⅲ的循環(huán)效率對比結(jié)果列于表3。

若當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度為900 ℃時，由于3種循環(huán)在最佳效率點(diǎn)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(yōu)化結(jié)果表明，在不同的反應(yīng)堆出口溫度和入口溫度限值下，兩種聯(lián)合循環(huán)的效率均高于回?zé)嵫h(huán)的，且簡化型聯(lián)合循環(huán)效率優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度為900～1 200 ℃時，與回?zé)嵫h(huán)相比，典型聯(lián)合循環(huán)效率增量為0.3%～9.9%，而簡化型聯(lián)合循環(huán)的效率增量為1.5%～10.8%。最佳壓比下聯(lián)合循環(huán)的反應(yīng)堆入口溫度主要為350～400 ℃，而回?zé)嵫h(huán)的反應(yīng)堆入口溫度為550～750 ℃，因而聯(lián)合循環(huán)對反應(yīng)堆入口材料的要求低于回?zé)嵫h(huán)的，但面臨更大的反應(yīng)堆進(jìn)、出口溫差。

當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度保持不變時，隨反應(yīng)堆入口溫度限值的降低，聯(lián)合循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)效率均有所下降，但回?zé)嵫h(huán)的效率下降得更明顯。這意味著壓比變化對聯(lián)合循環(huán)效率的影響明顯小于其對回?zé)嵫h(huán)效率的影響。在聯(lián)合循環(huán)中，壓氣機(jī)出口的氦氣直接進(jìn)入反應(yīng)堆，反應(yīng)堆入口溫度的降低是通過減小壓比來實(shí)現(xiàn)的。在一定的反應(yīng)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(shù)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(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)移到了蒸汽回路中被利用，因而壓比的變化對系統(tǒng)總效率的影響較小。在回?zé)嵫h(huán)中，由于回?zé)崞骰責(zé)岫容^高，反應(yīng)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(yīng)堆入口溫度。壓比的增大不僅增加了壓氣機(jī)的耗功，且使壓氣機(jī)的出口溫度升高，氦氣攜帶的熱量被預(yù)冷器和間冷器帶走，這使系統(tǒng)效率隨壓比的增加有所下降。

從系統(tǒng)的復(fù)雜程度來說，簡化型聯(lián)合循環(huán)僅有一級壓縮，且較回?zé)嵫h(huán)少1個復(fù)雜的回?zé)崞鳌㈩A(yù)冷器和間冷器，但較回?zé)嵫h(huán)多1個余熱鍋爐。借鑒燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中成熟的余熱鍋爐技術(shù)，聯(lián)合循環(huán)具較高的技術(shù)成熟度。由于高溫氣冷堆對進(jìn)水事故比較敏感，它不僅可能引起石墨等結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，而且會引入正反應(yīng)性，因而聯(lián)合循環(huán)的蒸汽回路與氦氣回路的匹配問題有待進(jìn)一步的研究。

表3 3種循環(huán)在不同的反應(yīng)堆出口溫度和入口溫度限值下的優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了預(yù)冷器對高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)效率的影響，提出了聯(lián)合循環(huán)中是否需設(shè)置預(yù)冷器的判據(jù)，并根據(jù)判據(jù)提出了簡化型高溫氣冷堆聯(lián)合循環(huán)。它的基本特征是氦氣回路不設(shè)置預(yù)冷器并采用一級壓縮，這不僅減少了預(yù)冷器帶走的熱量，而且提高了反應(yīng)堆的入口溫度，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率。當(dāng)反應(yīng)堆出口氦氣溫度為950 ℃時，其效率達(dá)到了52.2%，較典型聯(lián)合循環(huán)的提高了1.4%，較同樣工況下回?zé)嵫h(huán)的高1.7%。

在反應(yīng)堆出口溫度為900～1 200 ℃和反應(yīng)堆入口溫度限值為400～750 ℃的范圍內(nèi)，對簡化型聯(lián)合循環(huán)、典型聯(lián)合循環(huán)及回?zé)嵫h(huán)的比較分析表明：簡化型聯(lián)合循環(huán)效率較回?zé)嵫h(huán)的高1.5%～10.8%，較典型聯(lián)合循環(huán)的高0.9%～1.4%，且對反應(yīng)堆入口溫度材料要求低，氦氣回路的壓比變化對其循環(huán)效率的影響更小。在反應(yīng)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(lián)合循環(huán)具有更明顯的效率優(yōu)勢。從系統(tǒng)的復(fù)雜程度上講，簡化型聯(lián)合循環(huán)較回?zé)嵫h(huán)少1個回?zé)崞?、預(yù)冷器和間冷器，但較回?zé)嵫h(huán)多1個余熱鍋爐。

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