李貝貝，莊 重，張智博

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)板翅式回熱器設計

李貝貝，莊 重，張智博

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

回熱器是高溫氣冷堆—氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)的關鍵部件之一，它的主要作用是利用高壓渦輪出口的高溫尾氣，使高壓壓氣機后的低溫氦氣被充分加熱后再返回堆芯，以提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。回熱器需要在滿足換熱效率和壓力損失的前提下，實現(xiàn)體積和重量的最小化，以符合裝置對緊湊性的要求。本文從總體布置方案、材料方案和芯體段計算方案出發(fā)，進行回熱器的結構設計，并進行強度校核計算。結果表明：所設計的回熱器性能、芯體段的應力應變都滿足使用要求，可保證運行的安全、穩(wěn)定。

板翅式回熱器；氦氣輪機；結構設計；強度計算

0 引 言

高溫氣冷堆由于具有非能動的固有安全性、建設周期短、發(fā)電效率高、潛在的經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢，是最有希望達到第四代先進核能系統(tǒng)要求的堆型之一。氦氣輪機直接循環(huán)方式是高溫氣冷堆高效發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，其中設計出高效的板翅式回熱器是該技術的關鍵環(huán)節(jié)之一。

在相關領域，國內(nèi)外都進行了一定的研究。在回熱器應用方面，國際原子能機構（IAEA）專家B.L.Bery[1]提出板翅式回熱器是高溫氣冷堆氦氣輪機直接循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇；俄羅斯的 GT-MHR 系統(tǒng)也成功地應用了板翅式回熱器[2]，其采用了逆流方式，將 6 個相同的并行回熱器模塊布置在了軸線周圍；清華大學[3 – 4]對板翅式回熱器在高溫氣冷堆中的應用特性進行了研究。在高溫換熱器結構設計方面，西安交通大學[5]對高溫換熱器的研究進展進行了論述，并設計了交錯波紋原表面回熱器；Zhu Y Z 等[6]研究了環(huán)境媒介對回熱器疲勞壽命的影響；在回熱器材料方面，主要有陶瓷和陶瓷纖維、高溫鎳基合金、高溫鐵基合金[7 – 12]、碳/碳復合材料、碳化硅纖維等，國內(nèi)外大量學者在材料方面進行了一定的研究。

但對于在氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)中使用的板翅式回熱器，從公開文獻中看，目前研究較少，尚無對其進行的系統(tǒng)研究。本文從總體設計角度出發(fā)，對回熱器進行詳細的設計計算后給出總體布置方案、材料方案和芯體段計算方案等，并對設計出的回熱器進行強度校核。

1 總體設計要求

1.1 氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)

氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)的原理如圖 1 所示，其基本工作過程是：高壓氦氣經(jīng)反應堆堆芯被加熱，然后高溫高壓氦氣直接進入渦輪膨脹做功，渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電的同時也帶動壓氣機壓縮氦氣。具有較高溫度的渦輪尾氣經(jīng)過回熱器低壓側將熱量傳輸給高壓壓氣機后的高壓氦氣，然后進入預冷器降至低溫進入低壓壓氣機。低溫低壓氦氣經(jīng)過帶有間冷器的壓氣機組后被壓縮成高壓氦氣。高壓氦氣經(jīng)過回熱器高壓側后被預熱，然后再進入反應堆堆芯重復被加熱過程。在該系統(tǒng)中，回熱器是關鍵部件之一，其性能優(yōu)劣將直接影響整個循環(huán)系統(tǒng)的總體性能。

1.2 設計要求

根據(jù)整個循環(huán)系統(tǒng)的總體設計，對回熱器部件提出了具體的設計要求，如表 1 所示。

表 1 板翅式回熱器設計要求Tab. 1 Design requirements of plate-fin recuperator

2 回熱器設計

2.1 傳熱和阻力計算方法

板翅式回熱器基本結構單元如圖 2 所示。

1）傳熱因子j

2）摩擦因子f

3）理論通道長度Le

4）阻力損失ΔP

式中：Kc為收縮阻力系數(shù)；Ke為擴大阻力系數(shù)；Fi為單翅片傳熱面積；F為理論傳熱面積；Be為芯體寬度；N為翅片層數(shù)；ρ1為入口處的流體密度；ρ2為出口處的流體密度；G為質量流速。

2.2 總體布置方案

布置氦氣輪機直接循環(huán)系統(tǒng)外殼體尺寸的限制，通過理論計算，本文將回熱器布置為 18 個模塊，均勻布置在外殼體中，如圖 3 所示。

為有效解決氦氣分配不均勻的問題，提高氦氣輪機回熱器的換熱效率，將單個回熱器模塊結構設計成兩端進氣型式，其又可分為 2 個小模塊進行設計計算，如圖 4 所示。

選擇 547 mm × 398 mm 截面的回熱器模塊進行設計計算，回熱器冷熱兩端均采用換熱效果明顯的鋸齒形翅片結構形式。

2.3 材料方案

回熱器不僅在高溫高壓的環(huán)境中運行，還需要承受氣冷堆一、二回路氦氣中 H2，H2O，CO、CH4等雜質對回熱器材料的氧化、碳化和脫碳影響，需要選擇合適的材料保證氦氣輪機回熱器可以在高壓高溫的環(huán)境下保持高效穩(wěn)定工作。

本文設計的板翅式回熱器工作溫度最高為 612.1 ℃，從經(jīng)濟性和使用穩(wěn)定性進行分析考慮，應選擇不銹鋼作為首選材料。

西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室驗證了含 Nb 的耐高溫不銹鋼具有較強的抗蠕變性能。結果表明：在材料強度相當?shù)那闆r下，對于在高溫下長期運行的回熱器宜采用含有 Nb 的耐熱不銹鋼材料。

通過對幾種常用的耐高溫不銹鋼基本性能的對比分析，本文最終選取 0Crl8NillNb（AISI347）作為板翅式回熱器的最終材料。

2.4 芯體段計算方案

在本文回熱器芯體部分的設計計算中，翅片參數(shù)多變，翅片參數(shù)的變化會影響芯體段的換熱性能，但如果對這些變化全面組合進行理論計算，其計算工作量會非常大。正交試驗設計方法解決多因素、多水平的試驗是值得推廣的一種統(tǒng)計方法。

經(jīng)過調(diào)研，結合專業(yè)換熱器生產(chǎn)廠現(xiàn)有結構形式，本文利用正交試驗方法選取了合適的翅片參數(shù)組合型式，結果如表 2 所示。選取過程中主要考慮了冷熱端氦氣的壓力損失和芯體段的長度影響。

表 2 回熱器模塊結構參數(shù)Tab. 2 Structural parameters of recuperatormodules

回熱器模塊芯體的理論計算結果如表 3 所示。可以看出，壓力損失滿足設計要求，且給導流段預留了部分損失需求，同時回熱度達到了 95%，滿足回熱器的設計要求。

表 3 回熱器模塊理論計算結果Tab. 3 Theoretical calculation results of recuperatormodules

3 回熱器校核

3.1 設計校核

為了校核和對比理論計算的準確性，并對導流段的壓力損失進行進一步研究，本文選擇商業(yè)軟件 Muse對回熱器模塊的換熱性能進行校核計算，并對回熱器模塊整體性能進行研究分析。

采用理論計算的外圍尺寸模型和翅片基本參數(shù)作為 Muse 軟件的輸入，根據(jù)輸入的基本參數(shù)來進行模擬計算。在 Muse 計算過程中，選擇了鋸齒形翅片的鋸齒長度為 3 mm，同時冷熱段導流段也選擇了跟芯體段相同的翅片結構參數(shù)。Muse 計算的基本模型如圖 5 所示。

經(jīng)過迭代計算后，Muse 模擬計算結果如表 4 所示。通過表 3 和表 4 的對比可看出，Muse 計算值換熱量和回熱度要和理論計算值差值較小，在一定程度上驗證理論計算的準確性；對比芯體段的壓力損失，可以看出理論計算的壓力損失要大于 Muse 計算壓力損失值，因為在理論計算過程中，有效流道長度考慮了10% 的余量，同時理論計算過程中采用的換熱因子和摩擦因子的經(jīng)驗公式也會造成一些計算上的差異；對比冷熱端氦氣的換熱系數(shù)、雷諾數(shù)和翅片效率可以看出，Muse 計算值和理論計算相差結果不大，結果在可接受范圍之內(nèi)，可以證明理論計算的準確性。

最終的計算結果以 muse 計算值為準?？梢钥闯觯責岫葹?95.04%，冷端氦氣總壓恢復系數(shù)為 97.88%，熱端氦氣總壓恢復系數(shù)為 97.69%，計算結果表明滿足設計要求。

3.2 強度校核

3.2.1 有限元模型建立

對板翅式換熱器進行結構強度設計，由于板翅式換熱器結構的復雜性，整體強度計算存在較大困難，考慮換熱器工作與安裝環(huán)境，采用局部結構并設置合理邊界條件的方式來代替整體進行強度校核計算。建立的有限元模型見圖 6。

表 4 回熱器模塊模擬計算結果Tab. 4 Simulation results of recuperatormodules

邊界條件：

1）限制 1 表面X方向位移；

2）2 通道內(nèi)表面施加壓力P= 7.04 MPa，T= 612.1 ℃；3 通道內(nèi)表面施加壓力P= 3 MPa，T= 586.39 ℃。

3.2.2 強度校核分析

圖 7 為應力分布云圖。從圖中可看出，應力最大點大多都出現(xiàn)在冷端氦氣流道翅片和隔板的交界處，最大應力值為 85 MPa；在熱端氦氣流道中，翅片和隔板的應力值保持一個較小的范圍。在后續(xù)回熱器的加工過程中應特別注意進出口處的釬焊加工工藝，保證進出口不泄漏的使用要求。本文設計的回熱器材料選取了 0Crl8NillNb（AISI347），該材料的高溫力學性能如表 5 所示。

表 5 材料的高溫力學性能Tab. 5 Mechanical behavior of material under high temperature

不銹鋼材料 0Crl8NillNb 在 650 ℃ 時的屈服強度為111 MPa，強度儲備系數(shù)達到了 1.3，材料強度滿足使用要求。圖 8 為位移分布云圖。從圖中可看出，計算模型最大的變形量為 0.011 mm，滿足回熱器芯體段的變形要求。

4 結 語

本文從總體設計要求角度出發(fā)，對回熱器進行詳細的設計計算后給出了布置方案及材料選擇方案等，并對設計出的回熱器進行了強度校核。結果表明：設計出的回熱器性能、芯體段的應力和相對變形量都滿足使用要求，可保證運行的安全、穩(wěn)定。

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Design of plate-fin recuperator for the helium gas turbine direct-cycle system

LI Bei-bei, ZHUANG Zhong, ZHANG Zhi-bo
(The 703 Research Institute of CSIC, Harbin 150078, China)

Recuperator is one of the key components in HTGR-helium gas turbine direct-cycle system. Its main function is take advantage of high temperature off-gas on the outlet of high pressure turbine to heat microthermal helium behind the high pressure compressor, and then go back to reactor core. This could enhance the cycle efficiency of the whole system. For meet the requirements of compactedness, recuperator should minimize its volume and weight without affect the thermal efficiency and pressure loss. General arrangement design, material scheme and calculation scheme of core section have been shown in this paper. In the end, design and strength checking have been done. The results show that: the recuperator which designed in this paper could meet the requirements of performance, stress and relative deformation.

plate-fin recuperator；helium gas turbine；structural design；strength calculation

TK17

A

1672 – 7649(2017)07 – 0116 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.024

2016 – 09 – 28；

2016 – 11 – 08

李貝貝(1987 – )，男，碩士，工程師，研究方向為燃氣輪機總體結構。