直接循環動力堆

模組式高溫氣冷堆是基於氣冷堆30多年發展經驗而研究設計出的新一代先進堆型,該堆使用氦氣作為冷卻劑、石墨為慢化劑、陶瓷包覆顆粒為燃料,具有安全性好、冷卻劑出口溫度高等特點。這些特點使高溫氣冷堆不僅可以用來發電,也可以用來提供高溫工藝熱。模組式高溫氣冷堆具有很好的固有安全性,即在喪失冷卻劑情況下,反應堆剩餘發熱均能籍助導熱、自然對流和輻射安全傳至外部環境,堆芯熔化事故被排除。隨著氣體透平技術的發展和磁懸浮軸承在透平中的套用,使得模組式高溫氣冷堆利用氦氣透平直接循環發電成為可能。由於其具有很高效率(接近50%),在經濟上具有競爭力。

OberhausenⅡ50MW氣體透平動力廠;該氦氣透平機的入口溫度已經達到750℃,德國人用它來發電和供熱。由於該透平機系統壓力相對較低,使其未發揮出應有的效率,按現在的設計水平,其尺寸相當於200MW電廠的氦氣透平機,但功率卻小的多。另一個高溫試驗設備是HHV,該透平機由2級透平機(45MW)和8級壓縮機(90MW)組成,其尺寸和GT2MHR(600MW)相當。

世界上第一個氦氣透平機組由美國設計和建造,並在1962年開始運行。該透平機的入口溫度為650℃,其輸出功被用來運行一個低溫

在高溫堆動力廠中,直接循環發電系統使用反應堆冷卻劑氦氣推動透平機發電。由於氦氣良好的熱物性(比熱較高),可以使透平機尺寸大為減小、功率大為增加。而且氦氣透平機結構緊湊,適宜在高壓環境下運行。氦氣透平和傳統的燃氣透平在熱動力循環、動力廠行為、透平機械、回熱器存在差別。

影響氣體透平機效率的一個主要因素是使用石墨堆芯的核熱源和直接循環氦氣透平機入口的溫度。在燃氣透平機封閉循環情況下,氣體溫度受到加熱器材料和葉片冷卻等的限制。

傳統的發電機用空氣或氮氣進行冷卻,氦氣透平動力廠發電機定子和間隙使用氦氣冷卻。由於氦氣的介電常數比空氣和氮氣小,所以發電機的設計要作許多方面的改進,其中包括管道直徑、軸流式風扇推進器、氦氣和水熱交換器的結構和尺寸以及流阻損失的修正等。

直接將閉合的布雷登循環透平和具有被動安全性的模組式高溫氣冷堆結合在一起發電的設計概念掀開了清潔、高效發電技術的新篇章,但是隨之也帶來了許多設計和技術難題.

現以GT2MHR為例,著重討論氦氣密封、轉子動力學、不同熱膨脹和動力轉換系統的可維護性問題。

1氦氣密封問題

由於動力轉換系統被集成在大的壓力容器中,減少了一迴路冷卻劑的壓力邊界,但不可避免地引起冷卻劑管道很複雜,故需要一定的塑性,以允許由於熱膨脹造成的位移。同時材料要有足夠的強度,保證各種材料由於壓力不同而造成的畸變不會超過限值。設計的另一個要求是發電機和透平機械能夠移動和替換。

2轉子動力學問題

GT2MHR的透平發電機組由發電機、透平機和壓縮機組成,它們連線在同一軸上。由於透平機、壓縮機級數較多,軸細而長,所以機組的轉子動力學問題成為氦氣透平機發電的一個關鍵問題。美國專家對這一問題進行了初步分析,分析結果表明,假設使用磁力軸承,支撐剛度為105000N/mm或更小,轉子系統必須經過4個或更多的危險速度區(臨界速度),才能達到3600rpm的額定轉速。按照理論需增加剛度,才能使轉子系統能在啟動和停機時渡過臨界轉速,防止共振。為了發展令人滿意的軸承2轉子系統,需要對轉子動態模型進行進一步研究,不僅要考慮軸的剛度,還要考慮選擇軸承數量和剛度。

3不同的熱膨脹

由於流道溫度的不同及流道的複雜性,流道不同位置處有不同的熱膨脹,其中,透平機轉子和定子之間的軸向不同熱膨脹、壓縮機靜態結構和容器機構冗餘間不同的軸向熱膨脹、

回熱器的熱膨脹和扭曲是三種危險的熱膨脹。這些可能使管道或器件熱應力超過材料的許用熱應力值。

除不同熱膨脹帶來的影響有幾種可以考慮的方法:最滿意的方法是取消透平機入口的軸承,但這有待進行進一步的研究和評價;另外可以採用耐高溫軸承材料和(或)不同的冷卻方式。