摘" 要：該文介紹常規(guī)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的定義與分類，并由此引入外燃機(jī)與廣義上的內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)區(qū)別，歸納現(xiàn)有主流熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及其遵循的熱力循環(huán)。其中，燃?xì)廨啓C(jī)是一類在發(fā)電、航空及艦船動(dòng)力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的熱力渦輪機(jī)械，其與汽輪機(jī)相比有著其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但在核動(dòng)力領(lǐng)域，為確保安全性，多采用閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。與常規(guī)的開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)不同，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)并不屬于廣義上的內(nèi)燃機(jī)，其采用外部加熱方式，并且有著更好的燃料適應(yīng)性，在工質(zhì)的選擇上，也曾有過(guò)多種方案。與二氧化碳及氮?dú)獾葰怏w相比，氦氣具有較好的熱物理性質(zhì)，以其作為工質(zhì)的氦氣輪機(jī)同樣得到業(yè)界重視。目前，氦氣輪機(jī)多作為高溫氣冷堆的發(fā)電主機(jī)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，除核電產(chǎn)業(yè)之外，高溫氣冷堆與氦氣輪機(jī)有望應(yīng)用于艦船動(dòng)力等其他領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：氦氣輪機(jī)；閉式循環(huán)；燃?xì)廨啓C(jī)；汽輪機(jī)；內(nèi)燃機(jī)；外燃機(jī)；高溫氣冷堆

中圖分類號(hào)：TK471" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0010-08

Abstract： This paper introduces the definition and classification of conventional thermal engines， elaborates the technical differences between external combustion engines and internal combustion engines in a broad sense， and summarizes the existing mainstream thermal engines and their thermal cycles. Among them， gas turbine is a kind of thermal turbine machinery which is widely used in the fields of power generation， aviation and ship power. Compared with steam turbine， gas turbine has its unique technical advantages. However， in the field of nuclear power， closed cycle gas turbines are often used to ensure safety. Different from the conventional open cycle gas turbine， the closed cycle gas turbine does not belong to the internal combustion engine in a broad sense， it adopts external heating mode， and has better fuel adapt ability， and there have been many schemes in the selection of working fluid. Compared with carbon dioxide， nitrogen and other gases， helium has better thermo physical properties， and the helium turbine with helium as the working fluid has also been paid attention to by the industry. At present， helium turbine is mostly used as the main engine of high temperature gas-cooled reactor. With the development of related technology， in addition to the nuclear power industry， high-temperature gas-cooled reactor and helium turbine are expected to be used in warship power and other fields.

Keywords： helium turbine; closed cycle; gas turbine; steam turbine; internal combustion engine; external combustion engine; high temperature gas cooled reactor

動(dòng)力機(jī)械是將各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，主要可分為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、水力機(jī)械及風(fēng)力機(jī)械等幾類。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)中，為了使各類設(shè)備維持運(yùn)轉(zhuǎn)，需要由動(dòng)力機(jī)械提供必要的動(dòng)力來(lái)源。由此，針對(duì)各類動(dòng)力機(jī)械開(kāi)展的研究有著重要意義。

1" 熱力發(fā)動(dòng)機(jī)分類及技術(shù)特點(diǎn)概述

在動(dòng)力機(jī)械中，能將各種來(lái)源的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備被統(tǒng)稱為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，燃料在機(jī)體內(nèi)部進(jìn)行燃燒，將燃燒后的產(chǎn)物作為工質(zhì)，并通過(guò)工質(zhì)的膨脹，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為廣義上的內(nèi)燃機(jī)，而狹義上的內(nèi)燃機(jī)多指往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)；與此相對(duì)，利用各種來(lái)源的熱能在機(jī)體外部加熱工質(zhì)，并通過(guò)工質(zhì)的膨脹，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)則被稱為外燃機(jī)。

在外燃機(jī)中，熱量由機(jī)體外部的熱源供給，余熱也會(huì)排向機(jī)體外部的冷源，用于能源轉(zhuǎn)換的工質(zhì)也會(huì)周而復(fù)始地回到初始狀態(tài)。因此，外燃機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程與理論熱力循環(huán)較為接近。與此相對(duì)，廣義上的內(nèi)燃機(jī)的加熱過(guò)程則是通過(guò)燃料和空氣在燃燒室內(nèi)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，工質(zhì)自身性質(zhì)已發(fā)生了永久性的化學(xué)變化，不可能再回到原有的狀態(tài)。因此，廣義上的內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程與理論熱力循環(huán)存在較大差異。工質(zhì)除自身發(fā)生了化學(xué)變化以外，還會(huì)受到摩擦、流動(dòng)速度，以及散熱等諸多因素的影響。

與外燃機(jī)相比，廣義上的內(nèi)燃機(jī)的設(shè)備體系更為精簡(jiǎn)，熱能損失也相對(duì)較低，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、熱效率高、燃料和水的消耗少且使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。但總體而言，廣義上的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高、制造費(fèi)用高，對(duì)操作及維修技能的要求同樣較高。與此相對(duì)，外燃機(jī)有著連續(xù)的燃燒過(guò)程，更易于對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行控制，并且有著更好的燃料適應(yīng)性。但外燃機(jī)相應(yīng)也有著設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、熱效率較低等問(wèn)題。

就目前而言，廣義上的內(nèi)燃機(jī)主要包括汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)、汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)及采用開(kāi)式循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)[1]，以及各類航空發(fā)動(dòng)機(jī)等；而外燃機(jī)則主要包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)[2]，以及采用閉式循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)等，總體歸納見(jiàn)表1。

2" 燃?xì)廨啓C(jī)及其技術(shù)發(fā)展

燃?xì)廨啓C(jī)是一類常見(jiàn)的熱力渦輪機(jī)械，目前已得到了大范圍推廣。一方面，由于燃?xì)廨啓C(jī)自身結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并具有基建成本低、動(dòng)力性強(qiáng)、加速性好、機(jī)動(dòng)性高和運(yùn)行簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)；而另一方面，燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性依然有待改善，所能承受的燃?xì)鉁囟纫廊挥写岣摺?/p>

燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展已有多年歷史。在航空推進(jìn)領(lǐng)域，其已完全取代了往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。而在非航空推進(jìn)領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)也得到了廣泛應(yīng)用。自1939年瑞士成功制造出第一臺(tái)發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)以來(lái)，陸用燃?xì)廨啓C(jī)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，并且在軍用艦艇領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

在電力工業(yè)中，燃?xì)廨啓C(jī)的裝機(jī)容量約占電網(wǎng)總?cè)萘康?0%。因?yàn)槠渚哂畜w積小、重量輕、啟動(dòng)快，少用或不用冷卻水等特點(diǎn)，所以主要用作于大電網(wǎng)的應(yīng)急備用電源或調(diào)峰機(jī)組。隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)容量的增大與熱效率的提高，目前也對(duì)蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組開(kāi)展了研究[4]，從而進(jìn)一步提升綜合效率，以便逐步承擔(dān)基本負(fù)荷。同樣作為發(fā)電用的主機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比見(jiàn)表2[5]。

3" 閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)常用循環(huán)為開(kāi)式循環(huán)。采用開(kāi)式循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)吸入外部空氣，并在壓氣機(jī)中對(duì)其進(jìn)行壓縮?？諝馀c燃料進(jìn)行混合，經(jīng)燃燒室加熱后產(chǎn)生高溫燃?xì)?，燃?xì)膺M(jìn)入渦輪做功，然后進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)預(yù)熱空氣[6]，隨后排入大氣。開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部工質(zhì)壓力較低，設(shè)備組成較為簡(jiǎn)易。而在核能發(fā)電領(lǐng)域，為確保安全性，多采用閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。

如上文所述，燃?xì)廨啓C(jī)具有較好的加速性與機(jī)動(dòng)性，但對(duì)于核電站而言，該特點(diǎn)并不會(huì)起決定性作用。雖然閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的尺寸依然較小，但由于需要與空氣鍋爐或核反應(yīng)堆相匹配，同時(shí)需要采用相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，因此既有的響應(yīng)性好及系統(tǒng)簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)被大幅削弱。

在歐洲等地，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)已得到了應(yīng)用與發(fā)展。閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)可采用多種氣體。其中，二氧化碳、氮?dú)饧昂獾葰怏w都可以作為工質(zhì)。當(dāng)采用性質(zhì)明顯區(qū)別于空氣的其他氣體時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的最高熱效率和有效功率等參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。對(duì)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)而言，采用其他類型的工質(zhì)有著重要意義。

4" 閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)的選擇

如上文所述，許多氣體都可以用作于閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)，二氧化碳曾作為重點(diǎn)研究對(duì)象。其中，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)如以二氧化碳作為其工質(zhì)，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）易于獲得，且成本低廉；

2）相關(guān)機(jī)組此前已有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；

3）二氧化碳的保存和運(yùn)輸過(guò)程較為簡(jiǎn)易；

4）采用二氧化碳的機(jī)組密封性更好，補(bǔ)充漏泄的二氧化碳也更為便捷。

而閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)如以二氧化碳作為工質(zhì)，也存在一定的弊端，主要如下：

1）在高溫條件下，二氧化碳可能會(huì)與核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生相互反應(yīng)；

2）循環(huán)熱效率與進(jìn)入渦輪前的工質(zhì)壓力有較大關(guān)系，而以二氧化碳為工質(zhì)時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)較高的壓力。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基于上述特點(diǎn)，二氧化碳并不適于作為閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)。目前普遍認(rèn)為，以氦氣為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)有著較好的發(fā)展前景，該類設(shè)備也可被稱為氦氣輪機(jī)。其中，氦氣與氮?dú)饧岸趸嫉募夹g(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

為了確保系統(tǒng)的安全性，會(huì)將核反應(yīng)堆、氦氣輪機(jī)及發(fā)電機(jī)等設(shè)備均安放在同一個(gè)殼體中。氦氣本身是惰性氣體，不易與金屬起化學(xué)作用，并且傳熱系數(shù)也高于空氣等氣體。

在其他條件相同時(shí)，氦氣在管道中的壓力損失明顯低于空氣。在溫度和阻力系數(shù)相同的前提下，上述特點(diǎn)將有利于強(qiáng)化傳熱，從而可減小換熱設(shè)備的體積和重量。此外，以太陽(yáng)能或核能作為能源的空間動(dòng)力裝置，也往往會(huì)采用帶回?zé)嵯到y(tǒng)的閉式循環(huán)氦氣輪機(jī)。總之，無(wú)論從核反應(yīng)堆、壓氣機(jī)及渦輪的工作情況來(lái)看，還是從各種換熱設(shè)備的要求來(lái)看，氦氣都是一種非常理想的工質(zhì)。但氦氣也是一類較為稀有的惰性氣體，成本高昂，且不易獲得，一定程度上限制了其應(yīng)用。

5" 氦氣輪機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

5.1" 氦氣輪機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

氦氣在渦輪中做功后，再進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)中回收熱量，然后進(jìn)入冷卻系統(tǒng)中冷卻，隨后進(jìn)入壓氣機(jī)，在被壓縮到具有一定的壓力數(shù)值后，氦氣再進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，隨后進(jìn)入核反應(yīng)堆內(nèi)，并被加熱到一定的參數(shù)。此后，具有較高溫度和壓力的氦氣再次進(jìn)入渦輪做功，從而實(shí)現(xiàn)下一個(gè)循環(huán)過(guò)程[7]。與常規(guī)的開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)相比，氦氣輪機(jī)具有以下特點(diǎn)[8-9]。

1）單機(jī)容量有所提升。目前，開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)容量約為50～100 MW。由于氦氣輪機(jī)可以采用更高的壓力，從而加大了工質(zhì)的流量，相應(yīng)提升了機(jī)組的做功能力。此外，氦氣的比熱明顯大于空氣。因此，在相同的溫度條件下，就單位流量工質(zhì)所產(chǎn)生的功率而言，氦氣輪機(jī)明顯高于開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。

2）換熱設(shè)備尺寸小。由于氦氣以較高的壓力在機(jī)組內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，再加上其熱物理性質(zhì)較好，從而減小了回?zé)嵯到y(tǒng)等換熱設(shè)備的尺寸。

3）氦氣輪機(jī)更易于滿足長(zhǎng)期、可靠的運(yùn)行要求。目前，氦氣所能達(dá)到的溫度要比常規(guī)的燃?xì)獾?00～300 ℃，但高純度氦氣對(duì)材料的腐蝕性較小，再加上氦氣輪機(jī)內(nèi)的氦氣會(huì)在較低的馬赫數(shù)下流動(dòng)（在溫度相同的情況下，氦氣中的音速低于空氣中的音速），這些因素皆有利于機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程。

4）氦氣輪機(jī)的調(diào)節(jié)性能更好。工質(zhì)最高溫度對(duì)氦氣輪機(jī)性能參數(shù)的影響，總體上與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)一致。即隨著渦輪前燃?xì)庾罡邷囟鹊奶嵘べ|(zhì)的最佳壓比和最經(jīng)濟(jì)壓比、最大循環(huán)功，以及最高熱效率也隨之增大。通過(guò)改變?nèi)肟趨?shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，從而改善熱效率；而對(duì)氦氣輪機(jī)而言，在不改變機(jī)組入口溫度的前提下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)整個(gè)回路的壓力來(lái)改變工質(zhì)流量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的優(yōu)化。在較寬的負(fù)荷變化工況下，氦氣輪機(jī)的熱效率幾乎可保持不變。

5.2" 氦氣輪機(jī)的技術(shù)弊端

與空氣相比，氦氣的劣勢(shì)在于其分子量較小，因而使氦氣輪機(jī)壓氣機(jī)和渦輪部分的葉片級(jí)數(shù)較多。但在葉片材料允許的情況下，可適當(dāng)提高葉輪圓周速度，從而在一定程度上補(bǔ)償此類缺陷。

與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)不同，氦氣輪機(jī)往往需要采用冷卻水，與汽輪機(jī)相似，由此使系統(tǒng)的復(fù)雜性增大、占地面積增大，耗費(fèi)的成本也相應(yīng)提升。但氦氣輪機(jī)的排氣溫度較高，冷卻水的溫升相對(duì)較大。因此，在該情況下，其冷卻水用量?jī)H為汽輪機(jī)的1/4～1/3。由于冷卻水的溫升較高，更有利于采用干式冷卻塔。在該情況下，可以不需要補(bǔ)給水，這對(duì)缺水地區(qū)的廠址選擇和電站總經(jīng)濟(jì)性的提升大有裨益。對(duì)總裝機(jī)功率為1 100 MW的氦氣輪機(jī)核電站而言，通常只需要2個(gè)能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的干式冷卻塔即可滿足運(yùn)行要求。

采用單回路的氦氣輪機(jī)具有較強(qiáng)的技術(shù)吸引力，其具有結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)。但其也有諸多缺陷，主要包括對(duì)材料的特殊要求、對(duì)工質(zhì)的密封性要求，以及對(duì)遠(yuǎn)距離操作的需求等。以上弊端與氦氣輪機(jī)型式無(wú)關(guān)。由于氦氣既用作于核反應(yīng)堆冷卻劑，又用作于閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)。因此，在循環(huán)過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行條件的變化，對(duì)氣體壓力也有著不同要求，由此對(duì)整個(gè)裝置的密封性也有著比較嚴(yán)格的要求。

6" 氦氣輪機(jī)熱力循環(huán)及優(yōu)化措施研究

6.1" 基于氦氣輪機(jī)的熱力循環(huán)研究

6.1.1" 參數(shù)對(duì)氦氣輪機(jī)熱力循環(huán)的影響

氦氣輪機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)，是其最佳壓比和最經(jīng)濟(jì)壓比明顯低于燃?xì)廨啓C(jī)。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因，是因?yàn)楹獾谋葻岷徒^熱指數(shù)明顯高于普通燃?xì)鈁10]。燃?xì)廨啓C(jī)的壓比較大，壓縮效果較好，因此流阻損失對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)的影響不大。而氦氣輪機(jī)的壓比較小，故壓力損失對(duì)其性能參數(shù)的影響較大，由此可以得出以下2點(diǎn)結(jié)論：

1）壓氣機(jī)效率、渦輪效率和工質(zhì)的壓力損失對(duì)氦氣輪機(jī)的性能參數(shù)都有較大的影響，有必要提高各個(gè)部件的性能參數(shù)，從而改善氦氣輪機(jī)的性能；

2）由于氦氣具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)，因此氦氣輪機(jī)具有較大的循環(huán)功，而且最佳壓比與最經(jīng)濟(jì)壓比的數(shù)值較小，有利于開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行分析，氦氣輪機(jī)并未顯著優(yōu)于開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。因此，為了提升氦氣輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，必須采用回?zé)峄驘犭娐?lián)產(chǎn)等技術(shù)措施。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性之間往往存在著矛盾。即功率最大時(shí)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性較低；而當(dāng)經(jīng)濟(jì)性最好時(shí)，其功率又會(huì)下降。因此，較為合理的辦法是采用折中方案，兼顧二者。

在研究開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率、有效功及其他特性時(shí)，所采用的壓力是相對(duì)值而不是絕對(duì)值。而氦氣輪機(jī)的熱效率、有效功及其他主要特性，可以根據(jù)相應(yīng)的開(kāi)式循環(huán)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[11]。

在實(shí)際循環(huán)中，機(jī)組熱效率會(huì)隨壓比發(fā)生變化，并會(huì)出現(xiàn)極大值。與此同時(shí)，當(dāng)壓比一定時(shí)，隨著溫比的提高，熱效率的值越大，壓比越大，溫比對(duì)熱效率的影響也會(huì)越大。這是實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)之間的差異。而溫比越高，最高熱效率和最經(jīng)濟(jì)壓比也會(huì)越大。

6.1.2" 基于氦氣輪機(jī)的理想熱力循環(huán)過(guò)程分析

目前，研究熱力循環(huán)的目的在于選擇最佳的循環(huán)方案和工質(zhì)參數(shù)，以達(dá)到最佳的熱效率。如表1所示，在一定的溫度條件下，燃?xì)廨啓C(jī)所遵循的簡(jiǎn)單理想循環(huán)為布雷頓循環(huán)或焦耳循環(huán)[12]。而對(duì)于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)而言，最為理想、且熱效率最高的循環(huán)則為卡諾循環(huán)。

以卡諾循環(huán)為例，如果對(duì)氦氣輪機(jī)采用回?zé)嵯到y(tǒng)并且回?zé)岫葹?時(shí)，機(jī)組等溫壓縮和等溫膨脹的理想循環(huán)的熱效率將趨于最大值。因?yàn)樵跍u輪中進(jìn)行等溫膨脹后，完成做功的氦氣的剩余熱量將通過(guò)回?zé)嵯到y(tǒng)全部傳遞給壓氣機(jī)后的新鮮氦氣，使其溫度進(jìn)一步提升。因此，在加熱和冷卻的過(guò)程中，熱能只是在工質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行傳遞，并沒(méi)有考慮工質(zhì)與外界進(jìn)行熱交換所產(chǎn)生的損失，從而使理論上的循環(huán)熱效率大幅提升，并且此時(shí)單位工質(zhì)所輸出的功率也最大，可謂最理想的循環(huán)方案。

但實(shí)際上，要在燃?xì)廨啓C(jī)等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)等溫壓縮和等溫膨脹是不可能的，因?yàn)榭康葴氐姆椒ㄝ斎牒团懦鰺崃坎⒉滑F(xiàn)實(shí)，而且在回?zé)徇^(guò)程中沒(méi)有考慮溫度的降低，即回?zé)岫葹?的回?zé)徇^(guò)程通常也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，卡諾循環(huán)僅為一類存在于理論中的循環(huán)。

因此，需要在布雷頓循環(huán)基礎(chǔ)上，為氦氣輪機(jī)選用多級(jí)壓縮、中間冷卻、多級(jí)膨脹及中間再熱的循環(huán)方案，使其盡量接近等溫壓縮和等溫膨脹的過(guò)程，其為優(yōu)化循環(huán)熱效率的有效途徑。但與此同時(shí)，采用中間冷卻和中間再熱過(guò)程將會(huì)顯著增加設(shè)備的數(shù)量，并加劇了管路裝置的復(fù)雜性，因此，需要在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)層面上進(jìn)行合理的選擇。目前，相關(guān)試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用都已證明，通過(guò)采用中間再熱、中間冷卻及回?zé)岬确桨?，可以顯著改善氦氣輪機(jī)的性能。

6.2" 基于氦氣輪機(jī)的循環(huán)優(yōu)化措施研究

考慮到工質(zhì)在氦氣輪機(jī)各個(gè)部件中的阻力損失，以及機(jī)組的壓比、循環(huán)功和熱效率等實(shí)際參數(shù)，會(huì)明顯低于理想循環(huán)時(shí)的性能參數(shù)。為減小阻力損失，需要提高各個(gè)部件的效率，尤其是渦輪和壓氣機(jī)的效率。從技術(shù)層面而言，采用熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)提高一次能源的利用率是一種簡(jiǎn)單易行的方法，其弊端在于熱能的使用價(jià)值往往較低。

在采用回?zé)嵯到y(tǒng)的前提下，氦氣輪機(jī)的工作原理與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)基本相同。在開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中，工質(zhì)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后先進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行加熱。由于工質(zhì)吸收了部分熱能，溫度有所提高。隨后，工質(zhì)在核反應(yīng)堆中再次加熱，使工質(zhì)的溫度有了進(jìn)一步提升。高溫、高壓的氦氣進(jìn)入渦輪并膨脹做功后，壓力和溫度顯著降低。與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)不同的是，工質(zhì)離開(kāi)回?zé)嵯到y(tǒng)后，會(huì)在冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行第二次冷卻，然后重新進(jìn)入壓氣機(jī)中進(jìn)行壓縮。

在采用了回?zé)嵯到y(tǒng)后，工質(zhì)在整個(gè)裝置中的流動(dòng)阻力也相應(yīng)增大。如果工質(zhì)在壓氣機(jī)中的壓比與不采用回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)相同，那么工質(zhì)的壓力等參數(shù)將會(huì)減小，同時(shí)，工質(zhì)在渦輪中的膨脹比也將小于不采用回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)的膨脹比，從而使循環(huán)功減小。在分析理想循環(huán)時(shí)應(yīng)注意，采用中間冷卻系統(tǒng)可顯著增大循環(huán)功，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，又能輸出較高的功率，是一類較為有效的方案[13]。

與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的特性一樣，采用中間冷卻系統(tǒng)及回?zé)嵯到y(tǒng)的氦氣輪機(jī)的熱效率會(huì)隨著渦輪前燃?xì)鉁囟鹊脑龃蠖岣撸罱?jīng)濟(jì)壓比也會(huì)隨著該參數(shù)的增大而增大。因此，氦氣輪機(jī)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是在額定工況點(diǎn)附近，隨著壓比的變化，熱效率的變化較為平緩。工質(zhì)溫度越高，該特點(diǎn)越明顯。因此，在氦氣輪機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需為了更高的熱效率而選取過(guò)大的壓比。而是應(yīng)該選取一種折衷方案，此時(shí)的熱效率雖然略低于最高值，但機(jī)組的體積和重量卻能顯著降低，同時(shí)會(huì)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的便利性。

目前，氦氣輪機(jī)也有望應(yīng)用于艦船動(dòng)力[14]。在采用中間冷卻系統(tǒng)及回?zé)嵯到y(tǒng)的前提下，艦用氦氣輪機(jī)的工作原理與開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)完全相同。其主要差別在于，艦用氦氣輪機(jī)的高壓渦輪后方安裝了2個(gè)自由渦輪。其中一個(gè)用于發(fā)電，另一個(gè)則用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳，為艦船提供推進(jìn)動(dòng)力。由于艦船的航速經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，并且在白天或黑夜時(shí)的用電量也不盡相同。因此，動(dòng)力渦輪和發(fā)電渦輪的負(fù)荷并非處于固定狀態(tài)。為了能對(duì)二者的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常會(huì)配備有調(diào)壓閥，以此改變工質(zhì)的壓力。

7" 高溫氣冷堆及其與氦氣輪機(jī)的匹配使用

7.1" 高溫氣冷堆發(fā)展概況

高溫氣冷堆是一種以低濃度鈾（濃度為2%～5%的235U）或高濃度鈾加釷的氧化物（或碳化物）的涂敷顆粒作為核燃料，以石墨作為中子慢化劑，以氦氣作為冷卻劑的先進(jìn)核反應(yīng)堆[15]。其中，高溫氣冷堆與壓水堆的總體特性對(duì)比見(jiàn)表4。

為便于反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)將堆芯中的核燃料制成直徑為幾百微米的顆粒，外面涂上3～4層熱解碳和碳化硅涂層，再經(jīng)焙燒而成，涂敷碳層的作用是：保護(hù)核燃料，并防止裂變物向外泄露[16]。

表4" 高溫氣冷堆與壓水堆的總體對(duì)比

制造高溫氣冷堆燃料元件的方法：先將上述微小的顆粒燃料分散在石墨基體中，外面用石墨層包上，然后制成球狀或柱狀的燃料元件。這種核反應(yīng)堆的燃料元件取消了金屬包殼材料，將燃料元件裝在球狀或棱柱狀石器結(jié)構(gòu)中，從而制成石墨燃料組件。堆芯由石墨燃料組件砌制而成，石墨既作為燃料元件的結(jié)構(gòu)材料，又作為堆芯的中子慢化劑。隨著高溫氣冷堆冷卻劑工作溫度的提高，需要提供耐高溫、耐輻射的堆芯材料和管路材料。

7.2" 高溫氣冷堆與氦氣輪機(jī)的匹配應(yīng)用及相關(guān)優(yōu)勢(shì)

考慮到氦氣輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，采用高溫氣冷堆的核電站往往會(huì)以其作為用于發(fā)電的主機(jī)[17]。氦氣在壓氣機(jī)中被壓縮后，即進(jìn)入核反應(yīng)堆，并吸收堆內(nèi)可控核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所釋放的熱能，使其溫度得以大幅提升。高溫、高壓的氦氣在渦輪內(nèi)完成膨脹做功后，即進(jìn)入冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，再進(jìn)入壓氣機(jī)重復(fù)上述循環(huán)。

與壓水堆不同，由于不采用雙回路循環(huán)，因此高溫氣冷堆無(wú)需采用體積較大的換熱器，與以水為冷卻劑的壓水堆核電站相比，采用氦氣輪機(jī)的高溫氣冷堆核電站具有許多優(yōu)勢(shì)：

1）氦氣的中子俘獲截面較小，不會(huì)活化，故不會(huì)帶有源于γ射線的感應(yīng)放射物質(zhì)，這對(duì)于放射性防護(hù)而言較為有利。

2）能直接利用核反應(yīng)堆出口熱量，以提高工質(zhì)溫度。

3）核反應(yīng)堆與氦氣輪機(jī)直接相連，因此當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)功率傳遞時(shí)的延遲現(xiàn)象。

4）即使在較高的溫度下，氦氣也不會(huì)與金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可提升氦氣的溫度，以改善循環(huán)熱效率。

5）氦氣輪機(jī)的工質(zhì)壓力低于汽輪機(jī)，降低了對(duì)機(jī)組材質(zhì)強(qiáng)度的要求。

6）氦氣輪機(jī)渦輪部分最后一級(jí)的容積流量較小，即使是功率為1 MW的機(jī)組，渦輪最后一級(jí)葉片的高度也只有500 mm，明顯小于汽輪機(jī)最后一級(jí)葉片的高度，降低了制造工藝要求，提升了部件在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。

7）與采用中間冷卻系統(tǒng)的氦氣輪機(jī)相比，汽輪機(jī)機(jī)組的軸向尺寸要長(zhǎng)50%以上。因此，氦氣輪機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易及占地面積少的優(yōu)勢(shì)。

8）氦氣具有良好的熱物理性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出溫差和壓力損失較小的回?zé)嵯到y(tǒng)和中間冷卻系統(tǒng)。

9）由于氦氣輪機(jī)不以蒸汽作為工質(zhì)，因此不會(huì)產(chǎn)生由濕蒸汽引起的轉(zhuǎn)子超速問(wèn)題，也無(wú)需采用復(fù)雜的調(diào)速機(jī)構(gòu)。

10）由于氦氣輪機(jī)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)尺寸較小，故在加工制造過(guò)程中，無(wú)需配備大型加工機(jī)床和大型起重設(shè)備。

正由于氦氣輪機(jī)具有上述優(yōu)勢(shì)，因此于近年來(lái)得到了高速發(fā)展。但如5.2中所述，氦氣輪機(jī)也并非十全十美，仍存在一系列問(wèn)題。目前，氦氣的成本明顯高于其他氣體工質(zhì)。其次，氦氣易于泄漏，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軸承處的密封問(wèn)題。

8" 氦氣輪機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向

8.1" 氦氣輪機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

由于氦氣輪機(jī)的工質(zhì)溫度較高，因此回收的熱能可用于淡化海水、遠(yuǎn)距離供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)，或者為化學(xué)工業(yè)及輕工業(yè)的某些工藝流程提供熱能。由此，既能提高一次能源的利用率，同時(shí)還降低了對(duì)環(huán)境的污染。

如6.2中所述，考慮到輸出功率和工質(zhì)參數(shù)的不同，在部分應(yīng)用環(huán)境下，氦氣輪機(jī)可以被設(shè)計(jì)成由2臺(tái)渦輪組成的雙軸系統(tǒng)。其中，高壓渦輪用于驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)，而低壓渦輪則用于驅(qū)動(dòng)低壓壓氣機(jī)及發(fā)電機(jī)。

經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，氦氣輪機(jī)的單機(jī)功率有了顯著提升。與同等功率的汽輪機(jī)相比，氦氣輪機(jī)裝置的尺寸更小、重量更輕，所需的冷卻水量約為前者的1/4～1/2，而且在冷卻系統(tǒng)出口處的冷卻水溫也更高，因此能夠更有效地用于供暖。

目前，提高氦氣輪機(jī)的工作效率主要可從以下2種方法入手：

1）進(jìn)一步改進(jìn)主要設(shè)備的性能，從而大幅提高熱效率；

2）可采用回?zé)嵯到y(tǒng)，從而可充分利用排氣的熱量，并對(duì)提高熱效率有顯著效果。

8.2" 氦氣輪機(jī)未來(lái)的應(yīng)用及發(fā)展方向

除了上述各種優(yōu)勢(shì)以外，在氦氣輪機(jī)發(fā)展的過(guò)程中，還存在著一系列亟待優(yōu)化的問(wèn)題。其中，最主要的問(wèn)題是確保氦氣輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性及可靠性，同時(shí)還應(yīng)盡量避免氦氣的泄漏等問(wèn)題。

與其他燃?xì)廨啓C(jī)裝置一樣，氦氣輪機(jī)入口溫度較高，因此要求采用優(yōu)質(zhì)鋼（通常為奧氏體鋼），而且還要采用專門(mén)的冷卻措施。氦氣輪機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)可通過(guò)改變壓力、溫度（在流量不變時(shí)）來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可采用旁通系統(tǒng)及可調(diào)葉片等部件。其中，不同的調(diào)節(jié)方法對(duì)變負(fù)荷工況下的響應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)復(fù)雜性，以及新部件更換難易程度等因素所產(chǎn)生的影響都不盡相同。同時(shí)，氦氣輪機(jī)必須在較高的溫度下運(yùn)行，但由此將引起系統(tǒng)可靠性的降低。

由于采用一體化布置，由此需要降低一回路的放射性，并減少裂變產(chǎn)物對(duì)設(shè)備的污染，同時(shí)需要定期檢查、維護(hù)及修理一回路的設(shè)備。目前，已對(duì)裂變產(chǎn)物的遷移和沉積現(xiàn)象開(kāi)展了研究，并針對(duì)設(shè)備的清潔處理過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。

在材料試驗(yàn)及研究方面，較為重要的工作是對(duì)氦氣輪機(jī)葉片和管道的材料進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，還需對(duì)表面處理開(kāi)展研究，以降低機(jī)組在氦氣作用下產(chǎn)生的摩擦損失。

為了在建堆前獲得直接運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要建立部分試驗(yàn)回路，包括全尺寸的模擬試驗(yàn)回路。目前，需要對(duì)設(shè)備和部件的結(jié)構(gòu)開(kāi)展試驗(yàn)，主要包括氦氣輪機(jī)的關(guān)鍵部件（如轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)與軸封等）。

不僅如此，對(duì)用于大型高溫氣冷堆的風(fēng)機(jī)的要求極為苛刻。一方面，該類風(fēng)機(jī)需要在800 ℃左右的高溫下工作，并且每分鐘的轉(zhuǎn)速高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)。另一方面，由于軸承在氦氣內(nèi)的潤(rùn)滑條件較差、摩擦面易于咬合，使氦氣極易泄漏。因此，風(fēng)機(jī)需要采用特別的軸承和軸封結(jié)構(gòu)。此類風(fēng)機(jī)需要專門(mén)試制而成，技術(shù)難度較高。而對(duì)放射性氦氣輪機(jī)的凈化處理等問(wèn)題，都需要開(kāi)展相關(guān)研究，并妥善解決。

此外，針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土壓力殼、回?zé)嵯到y(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)，以及整個(gè)核電站的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，都有待深入研究。

9" 結(jié)論及展望

從20世紀(jì)50年代起，就已針對(duì)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)展了設(shè)計(jì)及研究工作。閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)與燃燒碳?xì)淙剂系拈_(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的主要差別在于，二者對(duì)工質(zhì)的加熱方法不同。前者工質(zhì)按閉式循環(huán)運(yùn)行，而后者工質(zhì)則按開(kāi)式循環(huán)運(yùn)行。

近年來(lái)，針對(duì)在高溫氣冷堆核電站中采用閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)方案，許多國(guó)家又開(kāi)展了大規(guī)模的科學(xué)研究及試驗(yàn)工作。而在閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)所采用的諸多工質(zhì)中，氦氣有著最好的應(yīng)用前景。氦氣是一類化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性氣體，與二氧化碳等氣體比較，氦氣具有較好的熱物理性質(zhì)。作為核反應(yīng)堆的冷卻劑，氦氣幾乎可以在任何壓力與溫度條件下運(yùn)作。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，氦氣的工作溫度并不會(huì)特別高。除了具有理想的惰性及良好的熱物理特性外，氦氣還具有中子俘獲截面小的特點(diǎn)，并且在受到核輻射后，也不會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)?？紤]到上述特點(diǎn)，以氦氣作為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)得到了廣泛應(yīng)用，即本文重點(diǎn)研究的氦氣輪機(jī)。

經(jīng)過(guò)多年的努力，現(xiàn)已發(fā)展了一種適用于氦氣輪機(jī)，并采用球形核燃料元件的高溫氣冷堆，并從中積累經(jīng)驗(yàn)，從而推動(dòng)了氦氣輪機(jī)的使用。在循環(huán)中，作為高溫氣冷堆冷卻劑的高溫、高壓氦氣直接進(jìn)入渦輪，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。氦氣輪機(jī)可以被設(shè)計(jì)成單回路系統(tǒng)。由此簡(jiǎn)化機(jī)組的熱力循環(huán)過(guò)程，并降低其總成本。與用于壓水堆的汽輪機(jī)相比，用于高溫氣冷堆的氦氣輪機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

2）與同功率的汽輪機(jī)相比，氦氣輪機(jī)的尺寸更小，可與核反應(yīng)堆一起布置在預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼內(nèi)；

3）循環(huán)熱效率高達(dá)40%；

4）如將氦氣輪機(jī)排出的氦氣用于供熱，可使整個(gè)系統(tǒng)熱利用率高達(dá)80%。

從熱力學(xué)基礎(chǔ)理論中可知，卡諾循環(huán)熱效率最高，但該循環(huán)無(wú)法在各類燃?xì)廨啓C(jī)中實(shí)現(xiàn)。在簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上，氦氣輪機(jī)系統(tǒng)可采用回?zé)?、中間冷卻和中間再熱等方案，以此提高循環(huán)的熱效率及機(jī)組功率。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，氦氣輪機(jī)有望得到廣泛應(yīng)用。除了發(fā)電領(lǐng)域之外，高溫氣冷堆及氦氣輪機(jī)在船舶動(dòng)力領(lǐng)域也有著較好的前景。

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