高温气冷堆简化型联合循环特性研究

王 杰，丁 铭，杨小勇，王 捷

(1.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

高温气冷堆具有良好的固有安全性，其堆芯出口温度可达900～1 000 ℃。高温气冷堆氦气透平循环技术是利用其堆芯出口温度的重要方式之一。在氦气循环中，氦气透平出口(乏气)温度可达400～500 ℃，乏气热量的回收方式有氦气直接回热循环和氦气-蒸汽联合循环两种。目前，高温气冷堆氦气直接回热循环技术是本领域理论和工程中的重点研究方向[1]。

鉴于燃气-蒸汽联合循环的效率可达50%以上，甚至60%～62%[2]，高温气冷堆联合循环也具有较高的研究价值。美国[3]、日本[4]及我国清华大学等均对高温气冷堆联合循环进行了相关研究。研究结果表明，高温气冷堆联合循环具有一定的利用价值，但与回热循环相比并不具有明显的优势[5-8]。一方面，带预冷和间冷的直接回热循环已具有了较高的效率。另一方面，典型高温气冷堆联合循环利用余热锅炉代替回热器，高压的冷氦气(约300 ℃)直接进入反应堆，联合循环中预冷器的设置在减少压气机压缩功的同时也降低了反应堆的入口温度，这阻碍了联合循环效率的进一步提高。

针对典型联合循环中预冷器的作用问题，本文从热力循环的角度研究预冷器对联合循环效率的影响。根据对预冷器的分析结果提出一种简化型联合循环(即无预冷器的联合循环)，并将其与典型联合循环和回热循环进行对比分析，从理论上讨论高温气冷堆联合循环的发展潜力。

1 预冷器的分析

典型高温气冷堆联合循环如图1所示，通常采用三压再热余热锅炉[9]代替回热器，且在压气机入口设置预冷器以减少压气机的压缩功。下面在反应堆出口氦气温度和循环压比一定的条件下，讨论预冷器对联合循环效率的影响。

图1 典型高温气冷堆联合循环

对于单位质量流量的氦气，高温气冷堆联合循环效率的定义为：

(1)

其中：Q为反应堆的功率，表示氦气通过反应堆时的总吸热量，W/kg；Wc为压气机功耗，W/kg；Wt为氦气透平和蒸汽透平的总功率，可分为氦气透平功率Wt1和蒸汽透平功率Wt2，W/kg。

Q可表示为：

(2)

其中：cp为氦气的比定压热容，J/(kg·K)；t3为反应堆出口温度，由反应堆的结构决定为定值，℃；t2为反应堆入口温度，℃；t1为压气机入口温度，℃；γ为循环压比；φ为绝热因子，是表征气体绝热过程的参数，φ=(k-1)/k=0.4，k为氦气的比定压热容与比定容热容之比；ηc为压气机内效率。

Wc为：

(3)

透平总功率Wt=Wt1+Wt2，其中，氦气透平做功为：

Wt1=cp(t3-t4)

(4)

式中，t4为余热锅炉入口温度，℃，t4与γ和t3有关。

在余热锅炉中蒸汽的压力、温度参数一定的条件下，Wt2为余热锅炉入口温度t4的函数，Wt2=f(t4)。当γ和t3一定时t4为定值，因而Wt2也是定值。

将式(1)两边取对数，得：

lnη=ln(Wt-Wc)-lnQ

(5)

式(5)对t1进行求导，并结合式(1)可得：

(6)

式(2)和式(3)对t1求导后代入式(6)，可得：

(7)

若使去掉预冷器后的联合循环效率有所增加，则需满足：

ηcη-(1-η)(γφ-1)>0

(8)

由式(8)可知，在联合循环系统布置中，预冷器的设置能否提高循环效率，取决于ηc和设置预冷器时系统的η及与之对应的γ。

2 联合循环的改进

根据对预冷器的理论分析，改进图1所示的联合循环为图2所示的无预冷器的联合循环，并对其进行优化分析。由于其具有更加简单的系统布置，将无预冷器的联合循环称为简化型高温气冷堆联合循环。在优化计算中，氦气回路和蒸汽回路的基本输入参数列于表1。当反应堆出口温度为950 ℃时，联合循环在设置预冷器(典型)和不设置预冷器(简化型)时的优化结果列于表2，相应的t-S图如图3所示。在t-S图中，去掉预冷器后的循环各点参数带上标“′”，并用虚线连接；除1和2点之外，其他各点重叠。

图2 简化型高温气冷堆联合循环

表1 优化计算的基本输入参数

2) Δt为余热锅炉入口氦气温度与高压新蒸汽温度差

表2 有/无预冷器时联合循环的优化结果

图3 联合循环温熵图

(9)

故循环效率升高了0.68%。若对简化型联合循环进行参数优化，其循环效率可进一步提高。由表2的数据可知，优化后的简化型联合循环的最佳压比为3.5，循环效率达0.521 5，较典型联合循环效率提高了1.4%。

3 不同工况下3种循环方案的对比

随着高温气冷堆材料的发展[11]，高温气冷堆的出口温度有望得到进一步提高，如高温气冷堆的出口温度达1 000 ℃以上。进一步分析简化型联合循环在更高出口温度下的性能对其将来的发展具有较高的参考价值。由于受到结构及材料的限制，高温气冷堆的入口温度实际上存在一定的限制，因而在不同的反应堆出口温度和入口温度限值下，回热循环Ⅰ、典型联合循环Ⅱ及简化型联合循环Ⅲ的循环效率对比结果列于表3。

若当反应堆出口温度为900 ℃时，由于3种循环在最佳效率点的入口温度均小于600 ℃，因而入口温度限值大于600 ℃的工况没有研究的必要。优化结果表明，在不同的反应堆出口温度和入口温度限值下，两种联合循环的效率均高于回热循环的，且简化型联合循环效率优势更加明显。当反应堆出口温度为900～1 200 ℃时，与回热循环相比，典型联合循环效率增量为0.3%～9.9%，而简化型联合循环的效率增量为1.5%～10.8%。最佳压比下联合循环的反应堆入口温度主要为350～400 ℃，而回热循环的反应堆入口温度为550～750 ℃，因而联合循环对反应堆入口材料的要求低于回热循环的，但面临更大的反应堆进、出口温差。

当反应堆出口温度保持不变时，随反应堆入口温度限值的降低，联合循环和回热循环效率均有所下降，但回热循环的效率下降得更明显。这意味着压比变化对联合循环效率的影响明显小于其对回热循环效率的影响。在联合循环中，压气机出口的氦气直接进入反应堆，反应堆入口温度的降低是通过减小压比来实现的。在一定的反应堆出口温度下，压比的减小使氦气透平做功减小，但也使透平出口(即余热锅炉入口)温度升高，从而使蒸汽参数升高，蒸汽回路的做功增加。压比的降低虽减小了氦气回路的做功能力，但系统的热量转移到了蒸汽回路中被利用，因而压比的变化对系统总效率的影响较小。在回热循环中，由于回热器回热度较高，反应堆的入口温度接近于氦气透平的出口温度，增大压比可降低透平的出口温度从而降低反应堆入口温度。压比的增大不仅增加了压气机的耗功，且使压气机的出口温度升高，氦气携带的热量被预冷器和间冷器带走，这使系统效率随压比的增加有所下降。

从系统的复杂程度来说，简化型联合循环仅有一级压缩，且较回热循环少1个复杂的回热器、预冷器和间冷器，但较回热循环多1个余热锅炉。借鉴燃气-蒸汽联合循环中成熟的余热锅炉技术，联合循环具较高的技术成熟度。由于高温气冷堆对进水事故比较敏感，它不仅可能引起石墨等结构材料的腐蚀，而且会引入正反应性，因而联合循环的蒸汽回路与氦气回路的匹配问题有待进一步的研究。

表3 3种循环在不同的反应堆出口温度和入口温度限值下的优化结果

4 结论

本文分析了预冷器对高温气冷堆联合循环效率的影响，提出了联合循环中是否需设置预冷器的判据，并根据判据提出了简化型高温气冷堆联合循环。它的基本特征是氦气回路不设置预冷器并采用一级压缩，这不仅减少了预冷器带走的热量，而且提高了反应堆的入口温度，进而提高了系统的循环效率。当反应堆出口氦气温度为950 ℃时，其效率达到了52.2%，较典型联合循环的提高了1.4%，较同样工况下回热循环的高1.7%。

在反应堆出口温度为900～1 200 ℃和反应堆入口温度限值为400～750 ℃的范围内，对简化型联合循环、典型联合循环及回热循环的比较分析表明：简化型联合循环效率较回热循环的高1.5%～10.8%，较典型联合循环的高0.9%～1.4%，且对反应堆入口温度材料要求低，氦气回路的压比变化对其循环效率的影响更小。在反应堆出口温度较高而堆芯入口温度限值较低的工况下，简化型联合循环具有更明显的效率优势。从系统的复杂程度上讲，简化型联合循环较回热循环少1个回热器、预冷器和间冷器，但较回热循环多1个余热锅炉。

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