高温气冷堆超临界蒸汽动力循环电站研究

模块化高温气冷核反应堆是一种安全性好、可用于高效发电和提供高温工艺用热的先进核反应堆,是国际核能领域第4代核能系统中6种备选堆型之一。将模块化高温气冷堆技术与目前已经成熟的超临界蒸汽动力循环技术耦合,发电效率将达到45%以上,比目前在役的压水堆核电站效率(33%左右)高出30%以上。我国已经掌握了模块化高温气冷堆技术;通过引进、消化、吸收,也已经掌握了超临界蒸汽动力循环技术;具备条件研究建造高温气冷堆超临界蒸汽动力循环电站,使其成为世界上最早实现的超临界核电站。     

商用高温气冷堆氦气透平循环发电热力学参数分析和优化

随着反应堆出口温度的提高,高效的动力转换技术已经成为(超)高温气冷堆的一个趋势。该文在HTR-10、HTR-10GT和HTR-PM研究的基础上,针对更高的堆芯出口温度,对高温气冷堆氦气透平循环的热力学参数进行分析、优化和设计。通过建立高温气冷堆的数学模型和优化模型,结合更符合工程经验的约束条件,确定了高温气冷堆氦气透平循环的2个设计工况点:1)接近目前工程经验的工况点,堆芯出口温度为850℃,继承HTR-10GT氦气压气机和透平的设计经验,循环压比为2.47,循环效率为47.60%;2)略带前瞻性的工况点,堆芯出口温度为900℃,堆芯入口温度为550℃,压气机压比为2.75,此时循环效率为48.92%。该文还基于这2个工况点对高温气冷堆氦气透平循环参数进行设计,将会对未来开发高温气冷堆闭式Brayton循环提供帮助。     

高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展

具有固有安全特性的模块式高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)具有反应堆出口温度高的特点,可与闭式Brayton循环或Rankine循环耦合,实现高效率的发电。氦气透平压气机和主氦风机分别是与这2种循环耦合的高温气冷堆系统中的关键动力部件,该文针对氦气闭式Brayton循环,分别从稳态与动态特性2个方面揭示其内部循环机理;同时针对循环内核心部件氦气透平压气机,开展2.2 MW样机研制与120 MW商用氦气透平压气机设计。在主氦风机研制方面,顺利完成了10 MW高温气冷堆(HTR-10)主氦风机研制与高温气冷堆示范电站(HTR-PM)主氦风机研制,获得了主氦风机完整的性能数据。为进一步确保HTR-PM项目的顺利推进,搭建了主氦风机综合试验平台,同时测试了2种主氦风机(电磁轴承主氦风机和干气密封主氦风机)的性能。取得的研究成果体现了清华大学核能与新能源技术研究院在自主研发先进核能核心装备技术上取得了重大突破。     

间接氦气循环高温堆透平回路的温度和压力响应

通过对间接氦气循环高温气冷堆透平发电装置透平回路的数学建模,初步建立了一套透平回路的动态分析工具。通过中间换热器一次侧入口温度增长的扰动,说明根据现有的设计,预冷器和间冷器二次侧的冷却水对透平回路具有良好的冷却能力。通过对透平回路压力响应的分析,可见透平、低压压气机、高压压气机3个设备将全回路明显地分为3个具有不同压力变化幅度的区间。     

球床高温气冷堆闭式循环特性

从提高天然铀利用率和改进废物管理方面考虑,研究球床高温气冷堆乏燃料中铀钚的再利用和不同闭式燃料循环的特性。在250MW热功率球床模块式高温气冷堆示范电站铀钚循环的乏燃料中提取铀和钚为核燃料,设计了PuO2和混合氧化物(MOX)燃料元件,将新设计的燃料元件重新装入与示范电站有同样结构和尺寸的堆芯,分别形成纯钚燃料循环和MOX燃料循环。还研究了基于轻水堆级钚的燃料循环。采用了高温气冷堆物理设计程序VSOP,研究了高温气冷堆不同闭式循环的燃料利用和超铀元素焚烧特性。不同闭式循环钚消耗率分别为50%、46%和71%,天然铀的电利用率分别提高了6%、8%和20%。结果表明:高温气冷堆闭式燃料循环能有效焚烧钚同位素,适度提高天然铀的利用率。     

气体透平直接循环高温气冷堆安全分析方法及应用

介绍了当前气体透平直接循环高温气冷堆的系统安全方法及其在2种不同堆型(球床堆和柱状堆)中的应用,并给出了柱状堆的一些瞬态计算结果。     

新型核能系统S-CO2布雷顿循环特性研究

根据中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)概念设计,完成了CiADS与超临界二氧化碳(SCO_2)布雷顿循环的设计分析.分析了再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环关键参数对S-CO_2布雷顿循环系统热力学性质的影响.计算结果表明,汽轮机入口温度、系统循环压比、冷凝器热端出口温度、高低温回热器端差等循环参数对循环热效率有显著影响.利用遗传算法优化计算CiADS与S-CO_2结合最高效率为35.932%,与其他采用超临界二氧化碳布雷顿循环的核电站相比,加速器驱动嬗变研究装置的热效率不是最高的,但其热效率随着反应堆出口温度的升高而提高.证明了CiADS与S-CO_2结合进行发电是一种可行的设计.     

海洋温差能发电系统新型热力循环理论分析

 海洋温差能发电系统新型热力循环在Kalina循环基础上增加贫氨溶液回热支路和抽气回热支路以提高热力循环效率。应用能量守恒原理和热平衡方程对新型热力循环--国海循环进行理论研究,计算了不同的透平入口蒸汽压力、氨水混合工质浓度、温海水温度和冷海水温度条件下的循环效率。理论计算结果表明,氨水混合工质浓度对国海循环效率影响显著,冷热源温度确定的条件下存在最优的氨水混合工质浓度使得循环效率最高,当温、冷海水温度分别为26、5℃,氨水工质浓度为92%时,系统效率最大达到4.56%;当氨水混合物浓度不变时,循环效率随透平入口蒸汽压力的升高先升高后降低,存在极大值;冷海水入口温度对循环效率影响很明显,而温海水温度对循环效率影响较小。     

以液化天然气为冷源的超临界CO_2-跨临界CO_2冷电联供系统

为了提高超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)的低温余热回收效率,采用跨临界CO2循环(TCO2循环)作为底循环对再压缩式SCO2循环进行余热回收,并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝,建立了以LNG为冷源的再压缩式SCO2-TCO2冷电联供系统,以同时输出电量和制冷量。对系统进行火用分析比较,并研究了关键热力参数对系统净输出功率、制冷量、系统热效率和系统火用效率的影响。结果显示:使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环的冷凝温度,提高了低温回收热效率,系统的热效率(动力)在给定的条件下达到54.47%;提高LNG的入口温度,可以减小系统火用损;高温回热器换热效率增加,系统热效率和火用效率均增加;SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但火用效率增加;TCO2透平进口压力升高,系统热效率和火用效率均呈现先减小再升高后减小的变化趋势;随着冷凝温度升高,系统热效率降低,但火用效率先减小后增加。     

具有喷射制冷的SOFC/TRCC电冷联供系统4E分析

提出了一种通过跨临界CO₂循环(TRCC)和喷射制冷循环(ERC)回收固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)余热的新型电冷联供系统.在工程求解器(EES)软件环境下建立了系统的数学模型，从能量、■、环境和经济(4E)的角度对系统进行研究，分析了关键参数变化对系统性能的影响.结果表明：联供系统在设计工况下净输出功率为272.874 kW,可向用户提供15.785 kW冷负荷，系统总成本为0.288 8元/(kW·h);系统总发电效率、总■效率和能源综合利用效率分别为68.12%、66.60%和72.06%;增加燃料利用率或提高SOFC入口温度和增大TRCC透平入口压力都可提高联供系统的■效率，当空燃比达到10.88时，系统■效率达到最大值66.94%;增大燃料利用率和SOFC入口温度或降低TRCC透平入口压力可降低系统总成本，在空燃比为10.57时达到最小值0.280 8元/(kW·h).     

高温气冷堆耦合高温电解规模化制氢系统仿真

随着能源体系变革，氢能在能源系统中发挥着越来越重要的作用，绿色化、低碳化制氢技术日益受到关注。高温气冷堆耦合高温电解制氢技术是一种具有潜力的零碳排大规模绿氢制备技术。该文提出了热功率为250MW,氦气出口温度分别为750和950℃的高温气冷堆与高温电解制氢系统的耦合策略，建立了全流程ASPEN仿真模型，并分析了系统热电比对制氢产能和能耗的影响规律，据此评估并探讨了制氢成本及成本降低策略。结果表明：750和950℃制氢系统的最大氢产能分别为28108和35160m³/h。在最大氢产能下，750℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.73和0.49kW·h/m³,总能量转化效率为40.1%;950℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.11和0.56kW·h/m³,总能量转化效率为50.2%。提升电解制氢模块的电流密度可显著降低制氢成本，电解模块阳极耦合制备油品等高附加值化工品一方面可以分摊制氢成本，另一方面可以拓展核能高温电解应用场景。     

Allam循环-跨临界CO_2循环冷电联产系统的热力学分析

为了实现碳中和目标和液化天然气冷能的充分利用,提出了一种由Allam循环-跨临界CO_2循环所组成的冷电联产系统。对联产系统中所涉及的热力设备进行了详细建模,并对系统进行了热力学分析和参数敏感性分析。仿真结果表明,在设计工况下,冷电联产系统的净输出功率比单独的Allam循环提高了9.54%,而且可以输出5.15 MW制冷量。参数分析的结果表明,联合循环的净输出功率随顶循环透平入口温度和透平出口压力的增高先增大后减小,即存在最佳的顶循环透平入口温度和透平出口压力使得联合循环净输出功率最大;当底循环透平出口压力增高时,系统的输出功率和制冷量都明显减小。本文所提出的联产系统具有模块化设计的特点,可以灵活调节容量参数以适应不同的设计条件,且可以实现碳捕集,具有良好的工程前景。     

CO_2微通道气体冷却器压降与传热特性研究

在微通道平行流式气冷器内进行了CO2的压降和换热特性实验研究,探讨了跨临界CO2循环换热过程中制冷剂质量流量、系统压力对气冷器换热性能、进出口压降的影响.实验结果表明:在接近临界温度时,CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7～9倍;随着CO2质量流量的提高,微通道管内流体Re相应提高,而较高的Re又使得湍流扩散率、管内温度梯度增大,同时在制冷剂入口附近的微通道换热器高温区域面积增大,表明当系统压力相同时,制冷剂入口温度随CO2质量流量的增加而增大.在一定的质量流量或压力下,存在着一个最佳的压力或质量流量,使得气冷器进出口压降达到最小.随着Re增加,气冷器的CO2压降关联式的预测精度均有所提高,为此提出了新的换热关联式和压降关联式.     

在煤富氧燃烧下的超临界CO_2再压缩循环的热力学分析

为了降低发电系统碳捕集的能耗以及提高电站整体供电效率,提出了一种基于煤富氧燃烧的超临界CO_2再压缩循环复合发电系统,并对系统进行了热力学分析与参数敏感性分析。结果表明,通过空分装置与热力系统集成可以使系统供电效率提高到43.75%,比无集成系统提高1.93%。锅炉损占总损的比例(82.29%)最大,回热器损占总损的比例(8.85%)次之。通过参数敏感性分析可以得到最佳透平出口压力是由循环最低温度所决定的,最佳透平出口压力曲线与CO_2饱和压力曲线基本重合;透平出口压力处于最佳值时,压比越大,供电效率越高。利用遗传算法对系统进行优化并与采用冷端优化后的超超临界燃煤机组进行对比,结果表明,在平均冷却水温度低于27℃的区域,该系统具有更高的供电效率以及更好的热经济性。     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

深冷液化空气储能系统的关键因素影响规律

立足于提高深冷液化空气储能系统能量转换效率,建立了深冷液化空气储能系统的热力学模型,借助Aspen Plus商用软件建立了热力计算的稳态仿真模型。模型验证工作说明了仿真模型的计算准确性。开展了设计工况下系统热力学分析研究,结合系统性能参数,分析了系统效率较低的原因并指出了优化方向;研究了压缩机级数、压缩机级间冷却方案和膨胀机级数等系统关键运行参数对系统及部件性能的影响规律。结果表明:系统采用原始设计方案时,压缩热利用率仅有38.42%,导致系统效率较低,仅为31.11%,可通过改善系统压缩热利用情况显著提升系统效率;当压缩机级数减少、采用无级间冷却方案时,膨胀机入口再热温度显著增加,使得系统效率大幅提升;随着膨胀机级数的增多,膨胀环节压缩热利用总量越多,系统效率越高。在此基础上,进一步探究了系统内部耦合提效方法,提出了一种系统优化设计方案,相较于原始设计方案,压缩热利用率提高至64.12%,系统效率提升至41.82%.研究结果可为深冷液化空气储能系统优化及其工程应用提供理论参考。     

HTR-10GT旁路阀调节中的回热器芯部响应特性

为准确计算高温气冷堆(HTGR)氦气透平循环装置HTR-10GT的回热器芯部在旁路阀调节时的响应特性,提出了适用于回热器的、基于双曲型守恒律方程和Warming-beam线性化方法的分布式求解方法。该方法考虑了工质热物性随温度的连续变化。对其他换热部件、叶轮机械及空腔的特性进行了简化建模,得出了旁路阀调节时回热器进口流量和温度的变化,在此基础上比较和分析了旁路阀在不同位置时回热器芯部所受的温度冲击。计算结果表明:把高压压气机出口到回热器高温侧入口和出口的旁路阀同时打开、在保持调节效果不变的前提下,回热器芯部受到的温度冲击得以减轻。     

串并联双压力蒸发卡林纳循环的性能分析

在卡林纳循环和串联的双压力蒸发卡林纳循环(DPV-KC)的基础上提出了一种串并联双压力蒸发卡林纳循环(DPV-KC2).通过设置压力相对较低的第二蒸发器,与第一蒸发器的液体加热段并联,第二蒸发器出口蒸气进入透平低压级段膨胀作功,使热源得到梯级利用,从而可以提高热源的动力回收效率.在外界冷热源温度相同的条件下,通过热力学原理对DPV-KC2、DPV-KC和基本型卡林纳循环的性能进行了分析.结果表明,在热源温度和冷却水温度分别为400和25℃、工作浓度和基本浓度分别为0.5和0.314、第一蒸发器露点温度和工质入口过冷度分别为290℃和15 K、第二蒸发器工质出口过热度为60 K时,DPV-KC2系统的动力回收效率达到26.34%,比单蒸发压力卡林纳循环提高了17.3%,比串联布置蒸发器的DPV-KC提高了3.58%.     

天然气CO2转化化学回热热力循环

提出了一种由天然气CO2转化化学回热动力循环和氨吸收制冷循环构成的新型O2/CO2热力循环系统.其中,采用天然气CO2转化化学回热回收较高温度的燃气透平排气热量,采用氨吸收制冷循环回收较低温度的排气热量,并利用制冷循环产生冷量作CO2循环压气机进气冷却.研究了该循环的热力学性能及其影响参数,考察了循环压比和进气冷却温度对系统循环的影响规律.新循环的系统模拟结果表明,基于1 kg/s的CH4进料流量及透平初温1 573.15 K条件,系统产功24.799 MW,发电效率达到49.6%,并可输出冷量0.609 MW.系统综合火用效率达到47.9%.同时,可回收2.246 kg/s的水,捕集2.743 kg/s液态形式的CO2,实现了循环系统的CO2和NOx准零排放.