MW氦气轮机总体设计方案.docx

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MW氦气轮机总体设计方案

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作者：

PanHongliang

仅供个人学习

学号

密级

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

300MW氦气轮机总体设计

院（系）名称：

动力与能源工程学院

专业名称：

热能与动力工程

学生姓名：

许广任

指导教师：

岳国强副教授

2011年6月

书脊

300MW氦气轮机总体设计许广任哈尔滨工程大学xxue學

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

300MW氦气轮机总体设计

院（系）：

动力与能源工程学院

专业：

热能与动力工程

学号：

07031316

学生姓名：

许广任

指导教师：

岳国强副教授

2011年6月

摘要

高温气冷堆氦气轮机是将氦气轮机与模块式高温气冷堆相结合，利用高温气冷堆产生的高温氦气直接推动涡轮进行高效发电。

目前，高温气冷堆能提供900℃的高温氦气，而且还可以继续提高堆芯出口温度，但蒸汽循环的温度很难再提高，所以循环效率得不到提高。

由此可见，高温气冷堆氦气轮机成是将来发展的主要方向。

高温气冷堆和氦气轮机分别代表着当今世界核能和常规发电的先进技术。

它是核电领域中的全新概念，是第四代反应堆的主力堆型之一，为提高核电安全性和经济性能提供了新思路。

本文以带有回热器、中冷器、预冷器的高温气冷堆氮气轮机循环为研究对象，研究高温气冷堆氦气轮机循环的基本特性；并对高温气冷堆氦气轮机进行模块化建模和动态分析。

首先比较了氦气、氮气和二氧化碳三种工质及它们以不同比例混合的工质的热物性，进而对它们在高温气冷堆闭式布雷顿循环中的传热性能、压力损失等进行分析。

之后应用发动机热力计算方法导出循环有效效率表达式和最佳增压比解析式，然后对高温气冷堆氦气轮机循环的热力过程进行分析，揭示了各参数之间的关系。

另外，还对回热器、中冷器进行了简要分析并进一步优化。

之后对反应堆和氦气轮机进行了模块化建模并进行启动分析和动态分析。

本文所做的工作为300MW的循环性能分析提供了一定的参考，并且为以后进行高温气冷堆氦气轮机动态性能研究提供了一些参考。

关键词:

氦气轮机；闭式循环；性能优化；模块化建模；动态仿真

Abstract

High-temperaturegas-cooledreactorheliumturbineiswillheliumturbineandhigh-temperaturegas-cooledreactormoduletype,combinedwithhigh-temperaturegas-cooledreactorgeneratedbyhightemperatureheliumdirectlypromoteturbinegeneratingefficiently.Atpresent,high-temperaturegas-cooledreactor℃hightemperaturecanprovide900℃,andstillcancontinuetoimprovethereactorcore,butsteamcycleoutlettemperatureoftemperatureishardtoimprove,socirculationefficiencynotimprove.Thus,high-temperaturegas-cooledreactorheliumturbineintoisthemaindirectionoffuturedevelopment.High-temperaturegas-cooledreactorandheliumgasturbinerespectivelyrepresentintoday'sworldnuclearandconventionalpowerofadvancedtechnology.Itisanewconcept,thefieldofnuclearpoweristhefourthgeneration,oneofthemainDuiXingreactorforimprovingnuclearsecurityandeconomicperformanceprovidesnewideas.

Basedontheregenerator,withtanks,orthedeviceinter-cooledhigh-temperaturegas-cooledreactornitrogengasturbinecirculationastheresearchobject,thehigh-temperaturegas-cooledreactorbasicpropertiesoftheheliumturbinecycle;Andthehigh-temperaturegas-cooledreactorheliumturbineformodularmodelinganddynamicanalysis.

Firstwecomparethehelium,nitrogenandcarbondioxidethreekindsofmediumandtheirmixedwithdifferentproportionofthethermalphysicalemphasizesonthem,andthenclosedinhigh-temperaturegas-cooledreactorbrettoncycleofheattransferperformance,suchaslossofpressureisanalyzed.Thermalcalculationmethodappliedengineaftercirculatingeffectiveefficiencyderivedexpressionandbestpressurizationhalf-theory,thenthanforhigh-temperaturegas-cooledreactorheliumturbinecycleofthermalprocessanalysis,revealstherelationshipbetweentheparameters.Inaddition,alsoontheregenerator,inter-cooleddevicearebrieflyanalyzedandoptimized.Thereactorandheliumgasturbinesaftermodularizationmodelingandinitiateanalysisandthedynamicanalysis.

Thispaperworkdonefor300MWcirculationperformanceanalysis,whichprovidesacertainreferenceforthefuture,andhigh-temperaturegas-cooledreactorheliumturbinesonthedynamicperformancestudyprovidessomereference.

Keywords:

';heliumturbine;closedcycle;ModularModeling,DynamicSimulation

第1章绪论1

1.1研究的目的和意义1

1.2国外方面3

1.2.1德国的成果3

1.2.2美国MIT所做的氦气轮机循环研究4

1.2.3南非的PBMR4

1.2.4美俄合作的GT-MHR5

1.3国内方面的发展现状5

1.4环境的影响7

1.4.1优点分析7

1.4.2防止扩散8

1.5本文的主要工作内容9

第2章透平循环的不同工质特性分析10

2.1引言10

2.1工质的热物性10

2.1.1.氦气与其他工质热物性的比较10

2.1.2氦气的物性11

2.3工质各特性的计算方法11

2.3.1工质的热物性11

2.3.2高温气冷堆气体透平循环中的传热系数11

2.3.3高温气冷堆气体透平循环中的压损12

2.3.4透平机械的载荷系数13

2.4工质各特性的比较14

2.4.1工质热物性比较结果14

2.4.2传热系数、压损和透平机械所需级数的比较18

2.5本章小结20

第3章高温气冷堆氦气轮机循环的特性研究21

3.1循环分析21

3.1.1循环过程21

3.1.2循环优缺点21

3.1.3理想布雷登（Brayton）循环22

3.1.4实际的间冷回热循环23

3.2循环部件分析24

3.2.1进行循环分析和计算前，先确定本文中所用符号的含义:

24

3.2.2涡轮膨胀过程25

3.2.3压气机的压缩过程26

3.2.4回热器27

3.3循环效率计算和优化28

3.3.1氦气轮机效率28

3.3.2优化循环参数28

3.4中间冷却器分析30

3.5高温气冷堆氦气轮机循环的最佳压比31

3.6本章小结32

第4章动态分析35

4.1压气机特性线分析35

4.1.1分析方法选择35

4.1.1.1压气机特性线描述35

4.1.1.2现有方法概述36

4.1.2压气机的通用特性曲线37

4.1.3涡轮特性线分析38

4.1.4共同工作点计算过程39

4.1.5改变40

4.2模块化建模40

4.2.1把研究对象的模块化分析分两个方面42

4.2.2堆芯底部空腔模块42

4.2.3侧反射层氦冷却剂流道模块43

4.2.4球床堆芯气室模块44

4.2.5球床反射层模块46

4.2.6氦气出口联箱模块47

4.2.7点中子反应堆模块48

4.2.8纯阻性环节模块49

4.2.9压气机模块50

4.2.10换热器模块51

4.2.11涡轮模块52

4.3系统仿真模型的建立53

4.4氦气轮机启动过程分析53

4.4.1第1阶段（手动控制阶段）53

4.4.2第2阶段55

4.5动态仿真56

4.5.1流量突然变化57

4.5.2进口温度突然变化61

4.6本章小结62

结论66

参考文献67

致谢70

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

当前世界上的取暖、发电、交通和工业生产所消耗能源的85%来自煤、石油、天然气等化石燃料。

化石燃料通过燃烧产生能量，因此给环境带来了很大的压力。

例如，二氧化碳引起温室效应，二氧化硫会形成酸雨，NOx会形成烟雾，燃烧颗粒会损害人们的呼吸系统，其中特别是二氧化碳会引起地球的温室效应。

随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，能源需求量会越来越大。

对于我国来说，预计到2050年能源的消耗量为35.6——41.2亿吨标煤，而供应量预计为32.4亿吨标煤，缺口达3.2——8.8亿吨标煤，而且化石燃料对环境影响很大，所以形势十分严峻。

核能是20世纪中期发展起来的一种高效、清洁的新型能源，与传统的煤炭相比不仅效率高、清洁，而且可以减少碳的排放，以实现现在社会要求的低碳，是可以大规模利用的替代能源之一。

从我国能源供求情况来看，核能在21世纪中将在我国能源体系中发挥重要作用。

为解决我国未来能源供应短缺，改善能源结构，减轻环境污染做出贡献。

在传统的核能反应堆（前三代）中，他们的能量的转换系统都是采用Rankine蒸汽循环，由于反应堆只能提供320℃左右的饱和蒸汽，无法提供更高温度的过热蒸汽用以满足Rankine循环提高效率的需要，所以效率比较低。

而作为第四代反应堆的高温气冷堆气体透平循环是将气体透平与模块化高温气冷堆相结合，利用高温气冷堆产生的高温气体直接进入气轮机进行高效发电，能够突破蒸汽循环的温度限制，并采用中间冷却和回热等技术提高效率，从而成为研究高温气冷堆高效率发电的一个重要方向。

高温气冷堆采用耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料元件，以热工性能良好和化学惰性的氦气作为冷却剂，以耐高温的石墨材料作为慢化剂和堆芯材料燃料元件，设计温度现在已达到1600℃，即使在反应堆冷却剂全部丧失的情况下这种燃料也不会破损而造成泄漏，因为堆芯余热能够通过自然对流、热辐射和热传导等有效地向外传出，使得反应堆堆芯在发生任何事故的情况下都不至于被熔化。

除此之外，高温气冷堆还具有建设周期短、规模小、成本低、模块化生成等传统核反应堆所不具有的优点。

因此，高温气冷堆不仅具有固有安全性，而且还具有良好的潜在经济性。

高温气冷堆氦气轮机是将氦气轮机与模块式高温气冷堆相结合，利用高温堆产生的高温氦气直接推动气轮机做功进行高效率发电。

与目前的蒸汽轮机相比较氦气轮机发电系统结构紧凑，他们都安装在一回路压力边界内，采用中间冷却和回热等技术后热效率高。

由于氦气的比热容大，所以循环比功也大。

随着近年来堆芯出口温度不断提高，蒸汽循环难以充分发挥高温的优势，循环效率得不到提高。

氦气轮机循环可以突破蒸汽动力循环的温度限制，从而成为研究高温气冷堆高效率发电的一个重要方向。

高温堆气冷堆氦气轮机具有以下优点

1.能直接利用反应堆出口温度，使工质氦气具有较高的温度这使高温堆氦气轮机的热效率明显大于轻水堆和重水堆蒸汽机的热效率。

2.氦气轮机的工作压力低于蒸汽轮机的工作压力。

3.氦气具有良好的热物理性质，它的比热容约是水蒸气的2.4倍，空气的4.7倍，它的导热系数约为空气的5.6倍，而且氦气的运动粘性系数小。

因此可以设计出温度差小，压力损失小的回热器和中间冷却器。

4.高温气冷堆氦气轮机采用闭式循环，整个机组可在保持工质的工作温度不变的情况下，通过改变涡轮前工质压力的方法来调整负荷。

当负荷变化范围很大时，机组可以始终保持在高的热效率下运行。

所以机组不仅可以在基本负荷下运行有较高的热效率，而且在负荷发生急剧变化时机组仍具有较好的经济性。

因此，高温气冷堆氦气轮机作为国际原子能机构认定的第四代反应堆成为发展的主要方向。

高温气冷堆和氦气透平分别代表着当今核能和常规发电的先进技术。

它是核电领域中的全新概念，为提高核电安全性和经济性能提供了新思路，有很强的竞争优势。

被认为是将来核能发电领域中最有潜力的方案之一。

1.2国外方面

1.2.1德国的成果

上世纪70年代末和80年代初，德国的Siemens/Interatom首先提出了模块式高温气冷堆的概念，而且受到了核能领域广泛的重视。

进入90年代许多国家都投入相当大的人力和物力开展研究，其中最重要的是德国的HHT（HTRwithHelium-Turbine）研究计划。

另外，在高温气冷堆的工艺热应用（PNP）计划中，也对氦一氦热交换器、氦气净化、热气导管等做了大量研究，如在德国的KVK部件实验回路、EVA-II氦净化实验装置、HENDEL氦气工程示范回路上的一些实验研究。

在1968年至1981年间，德国与美国和瑞士合作，并在一些电力公司的支持下，完成了针对氦气透平动力转换系统的HHT实验计划。

该计划的目的是研究用氦气透平实现高温气冷堆发电的技术，包括涡轮、压气机、热气导管、所用的材料、换热器以及其他部件技术。

在该计划的框架内，建造并运行了两个大型实验堆。

第一个是位于德国Oberhausen的“氦气透平热电联产实验装置（EVO）”。

它是由燃气加热器、氦气轮机、压气机以及相关设备组成。

1975年投入运行。

为了使实验结果对今后高温气冷堆氦气轮机循环系统的设计更有参考价值，设计时尽可能提高氦气的压力和温度参数并且选择了当时最好的材料和部件，特别是轴密封和氦气净化系统，完全是为高温气冷堆氦气轮机循环发电的要求而设计。

第二个是位于德国KFA的“高温氦气实验装置（HHV）”。

其目的是实验各种大尺寸部件，以便能用于、在高温气冷堆氦气轮机直接循环系统中。

它的热源来自于电机驱动的氦气压气机，设计参数为:

氦气流量200kg/s,反应堆出口温度在850℃左右（可短时间达到1000℃），出口压力为5MPa，1981年完成了850℃条件下的60小时试验。

三国利用这两套设备，在正反两方面都取得了许多宝贵的经验。

EVO设备的初始试车遇到了许多困难，特别是没有达到设计的509W电功率水平。

出现这些问题的原因后来都被研究明白了，问题也得到了很好的解决。

实验结果表明，氦气轮机能够连续可靠地运行。

HHV设备在开始时也遇到了问题，如油进入主氦气回路、氦气泄漏率过大等等，但都被很好地解决了。

在两套设备上所做的研究开发工作是非常成功的，其结果对高温气冷堆氦气轮机直接循环的可行性是一个强有力的支持。

虽然HHT计划后来中止了，实验设备也关闭了，但该计划己给出了一个重要的结论——在透平机械实验设备中未发现无法解决的技术问题。

1.2.2美国MIT所做的氦气轮机循环研究

20世纪90年代初，在美国能源部的资助下，MIT开展了模块化高温气冷堆（MGR）氦气透平循环电站的研究工作，提出了两种技术方案，包括直接氦气透平循环方案（MGR-GT）和间接氦气透平循环方案（MGR-GTI）。

两种方案都是基于当时已有的材料和技术水平设计的。

按照他们设计实验的结果，两种方案的发电效率都能达到45%以上，最高可达到50%，而且费用要明显低于高温气冷堆蒸汽电厂或化石燃料电厂。

研究结果表明，燃料和结构材料的进步将会使MGR-GT直接循环更具优势，而MGR-GTI间接循环则在当时更容易获得运行执照。

1.2.3南非的PBMR

南非有两座轻水堆，占其总发电量的5%。

综合考虑经济、效率等因素以后，南非决定发展高温气冷堆。

PBMR就是在德国等多国的协助下设计并计划建造的高温气冷堆。

该项目开始于1993年，为双区球床型高温气冷堆，其能量转换系统的主要特点是采用多轴布局。

PBMR采用的是标准的布雷登循环，而且带有闭式水冷的预冷器和间冷器。

循环过程为:

氦气经过两级压气机压缩后进入反应堆堆芯被加热至900℃，这一高温高压氦气直接进入氦气透平，冲击氦气透平做功，氦气透平带动发电机发电同时也带动压气机压缩氦气。

气体透平的尾气仍然具有较高温度（>500℃），经过回热器低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器降至低温。

低温氦气进入带有间冷器的压气机组，然后被压缩成高压氦气。

高压氦气经回热器高压侧后被加热至接近气体透平的排气温度，然后再进入反应堆堆芯重复被加热。

1.2.4美俄合作的GT-MHR

GT-MHR（GasTurbine-ModularHeliumReactor），是在原有的MHGTP基础上结合闭式布雷顿循环能量转换系统而形成的，设计的热功率600MW，反应堆为柱状。

概念设计主要由美国GA公司和俄罗斯OKBM研究院合作完成，另外参与设计的还有法国的法玛通和日本富士电力等。

美国能源部将GT-MHR作为防止武器级怀扩散的反应堆加以支持。

GT-MHR的概念性设计于1997年完成，目前由俄罗斯OKBM进行详细设计。

在结构布置上采用的是单轴布局，即发电机、涡轮、高、低压压气机都处于同一轴线上，结构紧凑，运行、控制、调节和装卸简单。

1.3国内方面的发展现状

HTR-10（lOMWHighTemperatureGas-cooledReactorTestModule）是中国清华大学核能技术设计研究院主持设计并建造的高温气冷实验堆。

于2000年达到临界，并于2003年实现满功率运行，它的发电循环采用的是蒸汽透平循环。

建成后将用于验证模块化高温堆的技术及安全特性，为核能供热及氦气透平循环发电建立实验基础。

目前，我国在高温气冷堆领域的技术开发已经取得了突破性进展，并于2010年在山东威海荣成市石岛湾建成首座20万千瓦级商用示范核电站，并规划投入400亿，建成400万千瓦规模的核电群基地。

10兆瓦高温气冷实验堆的设计是吸收了国际上成功运行的高温气冷堆的经验和模块式高温堆的先进概念，采用了肩并肩式的紧凑布局，包覆颗粒球型燃料元件，燃料连续装卸运行方式，全微机化保护系统和纵深防御原则，可以在事故条件下自动停堆、非能动排出余热等一系列先进技术特点。

主要技术特点如下:

（1）整个堆芯由石墨组成，没有金属组件。

（2）不需要能动的堆芯冷却系统，余热靠非能动的传热机理排出。

（3）反应堆和蒸汽循环的组件分别位于不同的压力容器内。

（4）确保在任何事故情况下堆芯温度不超过1600℃。

（5）球床堆，使用包覆式燃料球。

（6）燃料球多次通过堆芯使用，获得更大的燃耗（反应堆运行期间，由核变换引起的核元素浓度的减小一燃料释放的能量），也就是深燃耗。

关键技术的选择主要有以下3个方面:

（1）热力循环方案：

高温气冷堆氦气轮机直接循环是一个以高温堆为热源的布雷登循环，包括预冷、间冷和回热过程。

（2）单轴或多轴结构方案：

他们各有千秋。

对于该项目来说，由于指导思想是尽可能地利用原有的HTR-10蒸发器压力壳，所以选择的是单轴结构。

（3）透平发电机组转速：

因为HTR-10的功率非常小，所以氦气体积流量也非常小。

若要将透平发电机组设计成为3000rpm，一种方法是增大叶轮直径，此时叶轮可以直径达2m左右，但由于氦气体积流量很小，叶片太短根本无法加工;另一方法是增大叶片级数，涡轮、高压压气机和低压压气机各自的级数都达几十级，但是由此而产生的转子动力学困难当今还无法克服，所需的超长竖直压力壳也是不现实的。

因此HTR-10透平发电机组的设计只能采用高转速15000rpm，发电机发出的高频电能通过变频器转换成50Hz电能后再上电网。

尽管HTR-10在以上方面与商用堆电厂不同，但是在HTR-10的基础上完全能够对高温堆氦气透平直接循环发电技术进行更深入的研究，为将来商用堆电厂的研发奠定扎实的技术基础。

1.4环境的影响

1.4.1优点分析

GT—MHR比轻水堆核电站对环境的影响更小。

在GT—MHR电站和大型压水堆电站之间的资源要求和环境影响的比较如表1.1所示。

由于GT—MHR具有更高的热效率，所以GT—MHR排出的热量明显地低于压水堆核电站。

另一方面，由于其废热大大减少，GT—MHR的废热可以利用空气冷却排热系统直接向大气放，所以不需要大量的水。

由于GT—MHR具有这个能力，所以可以在干旱地区应用。

由于GT—MHR具有高热效率和高燃耗，使其每台机组产生的重金属放射性废物较少。

同样，GT—MHR每台机组只产生较少量的总钚和钚—239（防止扩散所关注的材料）。

TRISO颗粒燃料的深燃耗能力和包容放射性核素包壳的高完整性使得核乏燃料的管理得到很好的改进。

通过深燃耗能力可以实现钚以及其他长寿命的裂变超铀元素的高度贫化。

MHR深燃耗概念的核设计分析表明燃料一次通过反应堆，实际上就可以完全去除武器级材料（钚一239）,以及去除将近90％的所有超铀废物、包括几乎全部去除镎—237和其初级粒子镅一241。

相关的颗粒包括显著减少了的长寿命放射性核素和非常贫化的裂变材