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。     

高温气冷堆氦气透平循环发电系统中的立式高速减速箱研究

在高温气冷堆氦气透平和发电机之间布置减速箱,作用是将氦气透平的高转速降低到发电机转子所需要的额定转速。本文介绍了由一对高速齿轮、低速齿轮啮合传动组成的一级圆柱齿轮减速方案。方案的优点是结构简单、制造方便、运行可靠性高;缺点是设备体积大、输出和输入不同心。该减速箱方案避免了在能量转换单元中使用大功率变频器和高速电机,节约了制造成本,但同时在系统中引入了润滑油系统,增加了一定的风险。     

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。     

高温气冷堆燃料球计数器检测线圈参数的优化

由于厚壁不锈钢过球管路的屏蔽作用,高温气冷堆(HTGR)燃料球计数传感器获得的信号微弱,对线圈参数进行优化有利于提高信噪比,降低误检和漏检率。该文基于有限元方法,利用ANSYS软件对检测线圈进行建模和仿真计算,分析了激励频率、线圈匝数及其结构参数对传感器灵敏度的影响规律。在仿真基础上进行了燃料球检测实验,实现了线圈关键参数的优化选择。仿真和实验结果表明,传感器激励频率为4 kHz、线圈匝数为150匝、内外层线圈间距为36 mm时,传感器具有满意的检测性能。     

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。     

高温气冷堆生物屏蔽层温度场分析

高温气冷堆是具有固有安全性的新型反应堆,它的生物屏蔽层是包容体的一部分,由钢筋混凝土材料构成。由于混凝土材料承受的最高温度有一定限值,因此需要对屏蔽层混凝土进行冷却。本研究采用Abaqus6.7商业有限元软件,对屏蔽层在额定工况、设备冷却水系统停止供水事故工况下的温度场进行了计算。结果表明,在额定工况下,屏蔽层的最高温度低于规定的限值;在设备冷却水系统停止供水事故工况下,7d内屏蔽层的最高温度还低于100℃,即屏蔽冷却系统能够保证对生物屏蔽层的冷却。     

高温气冷堆温度反馈的集总参数法模拟

该文研究了模块式高温气冷堆的堆芯热工反馈模型。在三维圆柱几何堆芯中子时空动力学改进准静态方法的基础上,应用集总参数法建立了模块式高温气冷堆堆芯温度反馈的热工模型。将全堆划分为燃料颗粒、等效慢化剂和反射层3个区域,通过热工反馈求解反应性变化。在反应性扰动和冷却剂丧失情况下,模拟了反应性、堆内各区温度、各能群中子平均注量率以及相对功率等物理量随时间的变化。模拟结果与理论分析一致,初步实现了高温气冷堆的物理热工耦合。     

高温气冷堆热工水力计算数据管理系统的分析和设计

以现有高温气冷堆热工系统分析软件THERMIX为基础,针对反应堆工程设计人员和安全分析人员对THERMIX程序的应用要求,提出了基于c/s结构的高温气冷堆热工水力计算数据管理系统(THERMIXCalculatingDataManagementSystem,TCDMS)的设计方案,从功能模块划分、系统的总体设计、数据库设计等方面进行论述,并对其中的关键技术进行了分析和研究,为系统的开发和实施提供切实可行的理论依据和技术指导,以实现系统对THERMIX计算数据的科学化、工程化管理,从而提高反应堆热工设计和安全分析工作的效率。     

基于高温气冷堆的制氢耦合炼钢系统初步设计和能量分析

高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)因其具有固有安全性和反应堆出口温度高的特点,在环境和能源领域拥有广阔的应用前景。HTGR不仅可以用于发电,还可以实现大规模制氢,而氢气可作为钢铁冶炼过程中的直接还原剂,有助于钢铁工业减少碳排放。该文提出了基于HTGR制氢的炼钢系统方案,包括反应堆、反应堆中间回路、制氢、发电和炼钢共5个子模块,并开展了多联产能源系统研究。其中,HTGR为制氢模块和发电模块提供热量,制氢模块产生的氢气作为还原剂和燃料进入竖炉(shaft furnace, SF)直接还原炼铁,制氢模块产生的氧气和发电模块产生的电供给电弧炉(electric arc furnace, EAF)炼钢。该文分析了碘硫循环效率、发电模块和制氢模块的功率比、直接还原铁(direct reduced iron, DRI)比例对系统产能的影响,以及系统的碳排放情况。结果表明：在发电模块与制氢模块功率比为1∶1, EAF直接还原铁占比为90%,碘硫循环制氢效率为37.8%的情况下,系统产钢率为45.6 t/h,每t钢可向电网输出1 381.5 ...     

高温气冷堆核电站计算机化规程流程的建模和验证

为了满足高温气冷堆核电站计算机化规程流程验证的需要,针对高温气冷堆核电站"多个核蒸汽供应系统模块带一台汽轮机"的结构和运行特点,该文利用改进的着色Petri网建模方法,建立了常规规程执行流程模型和有中断的变体规程执行流程模型,并基于模型对计算机化规程执行进行了形式化验证。对一个典型的高温气冷堆核电站异常事件处理规程的案例进行分析,结果表明:基于改进着色Petri网的规程建模和验证方法有效,为高温气冷堆核电站计算机化运行规程系统的研制提供了重要的理论依据。     

高温气冷堆动力转换单元电磁轴承冷却系统的分析

电磁轴承是高温气冷堆动力转换系统氦气透平的重要组件之一,运行时出于设备保护需要对其进行冷却.该文通过GAMBIT对电磁轴承腔体进行建模,并使用三维流场分析软件FLUENT对腔内温度场、流场进行了模拟计算,评估了冷却系统的效果,并对不同氦气流量、温度下的冷却效果进行了比较及分析.分析结果表明,设计的冷却系统可有效地对电磁轴承腔内进行冷却,使用于定位监测的传感器探头等重要部件的温度被控制在允许范围之内,以确保设备安全运行.     

球床式高温气冷堆燃耗测量随机误差的影响分析

球床式高温气冷堆燃料球多次通过堆芯,卸出堆芯的燃料球将由燃耗测量装置测量其燃耗,达到设定阈值的将按乏燃料处理,否则将返回堆芯继续裂变发热。而燃耗测量会具有随机误差,从而可能对燃料循环过程产生影响。该文改进了球床高温气冷堆燃料球运行历史的Monte Carlo模拟程序MCPHS,对燃耗测量的随机误差进行了模拟,对燃料循环过程的影响进行了分析。结果表明卸料燃耗均值、燃料球通过堆芯次数均值、堆芯燃耗分布对于燃耗测量误差并不敏感,而燃料球卸料燃耗分布、卸料燃耗最大值和最小值及燃料球通过堆芯最大值和最小值对于燃耗测量误差很敏感。     

10 MW高温气冷堆乏燃料元件的贮存及其安全分析

10MW高温气冷堆(HTR-10)在设计寿命内共卸出约9万个乏燃料元件,其放射性裂变产物的活度高达1.0×1016Bq,必须妥善处置.HTR-10乏燃料元件卸在密封和屏蔽的容器中,每个容器可以接受2000个乏燃料元件,这些容器固定在反应堆建筑物的最底层的混凝土井内,在贮存库内休取通风冷却.文中对放射性核素释放,临界安全和辐射屏蔽等方面进行了分析,说明上述贮存方案是安全的.     

高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.     

钢带捆扎燃料电池电堆端板尺寸和形状优化

针对捆扎式燃料电池金属双极板电堆端板受集成力作用易发生变形的现象,设计了一种钢带捆扎式燃料电池电堆的新型端板结构,并通过有限元原理和数值仿真分析对其进行结构参数优化.基于Ansys Apdl程序化语言,建立端板的结构力学分析模型.采用尺寸优化方法,以电堆多个钢带间受力均匀度高、端板质量小和单个钢带固定螺栓轴线偏移程度低为目标函数,分析端板各尺寸对上述目标函数影响程度,从而确定出优化后的尺寸和形状,改善钢带受力和电堆各个部件间接触压力的均匀性,并建立了一个11层的燃料电池电堆1/4二维模型,比较了端板优化前、后双极板脊背与膜电极(membrane electrode assembly)间接触压力分布均匀度.     

发掘CO2和大气污染物减排技术潜力——熔态还原炼铁—汽油合成／联合循环发电集成系统

1996年,国务院新闻办公室发表的《中国的环境保护》中指出,要在工业污染防治的指导思想上确立3个转变;在污染防治基本战略上,从侧重污染的末端治理逐步转变为工业生产全过程控制;在污染排放控制上,由重浓度控制转变为浓度与总量相结合;在污染治理方式上,由重分散的点源治理转变为集中控制与分散治理相结合,1998年,联合国环境署发表东京宣言,要求工业发达国家到2010年CO2减排6%,我国是世界煤炭能源消耗的主要国家之一。国际上要求我国减少大气污染物和温室气体排放的呼声越来越强烈,我国的电力工业和钢铁工业是煤炭能源的主要消耗大户,电力工业和钢铁工业降低能耗、减少大气污染物和CO2排放对全国节能降污有举足轻重作用。     

熔盐燃料电池电堆动态特性的建模和分析

根据物质、动量和能量守恒，建立了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的数学模型，给出了模型的边界条件。将MCFC电堆的波状板考虑到模型中，求解模型得到气压以及各部分温度的分布。给出并求解了MCFC的电气特性模型，分析了电堆沿气流方向的特性；电堆在电流密度阶跃变化下的动态响应。与试验数据的比较表明，模型能正确反映电堆真实的内部特性。     

发掘CO_2和大气污染物减排技术潜力——熔态还原炼铁—汽油合成/联合循环发电集成系统

１９９６年 ,国务院新闻办公室发表的《中国的环境保护》中指出 ,要在工业污染防治的指导思想上确立３个转变 :在污染防治基本战略上 ,从侧重污染的末端治理逐步转变为工业生产全过程控制 ;在污染排放控制上 ,由重浓度控制转变为浓度与总量相结合 ;在污染治理方式上 ,由重分散的点源治理转变为集中控制与分散治理相结合。１９９８年 ,联合国环境署发表东京宣言 ,要求工业发达国家到２０１０年ＣＯ ２ 减排６%。我国是世界煤炭能源消耗的主要国家之一 ,国际上要求我国减少大气污染物和温室气体排放的呼声越来越强烈。我国的电力工业和钢铁工…     

青藏高原草甸下垫面上的动力学和热力学参数分析

利用"全球能量水循环之亚洲季风青藏高原实验”1998年加强实验期观测资料,分析研究青藏高原草甸下垫面上的动力学粗糙度Zom、热力学粗糙度Z0h以及热传输附加阻尼kB-1等特征,得到了一些有关青藏高原草甸下垫面上动力学及热力学参数的新认识.