CN108257701A - 高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法及装置 - Google Patents

高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高效、安全的高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法和执行该方法的装置，由包含反应性控制棒的高温气冷堆、透平膨胀机、回热器、压气机冷却器、压气机、充装量调节系统、回热器旁路阀组成。充装量调节系统中包含多级压力容器以及各自的充气控制阀门和放气阀门。在闭环控制方案当中，产生指示系统输出功率的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述充装量充气控制阀门和充装量放气控制阀门，使得所述系统输出功率保持在系统输出功率设定值处。与现有功率调节方案相比，该调解装置和调节方法能够在低输出功率工况下保持高循环效率，并且在功率过渡过程中保证系统安全，防止部件运行温度不超过设计值以及压气机喘振的发生。

Description

高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高效安全的高温气冷堆闭式布雷顿循环功率调节方法以及执行该方法的装置，属于热能动力工程技术领域。
背景技术
国家对于清洁能源需求的逐步的提高，常规以燃煤方式推动蒸汽轮机方式进行发电主导的能源结构将发生改变，新型热电循环逐步发展以达到降低污染，更加充分有效利用资源的目标。
随着技术的发展带来的热源温度的不断升高，采用布雷顿循环的发电装置可以获得更高的热电转换效率以及更加紧凑的结构布局。采用开式循环的燃气轮机系统由于工作温度较高，对于燃料的清洁度有着极高的要求，通常选用范围限定于天然气和轻油。而闭式布雷顿循环在继承以上优点的基础上，对于热源的选择则几乎不受限制，能够实现对多种能源的综合有效利用。从目前世界范围内的闭式布雷顿循环应用经验来看，燃料已经覆盖轻油、重燃油、天然气、矿气、焦炉煤气、高炉煤气、烟煤、褐煤、泥煤、废热以及核反应堆，工质涵盖空气、氮气和氦气几种。其中高温气冷堆与闭式布雷顿循环的耦合可以构成直接循环，是第四代核能系统的关键技术。该技术在拓宽闭式布雷顿循环的应用前景的同时，对循环功率调节手段的安全性提出了更高的要求。
以往的高温气冷堆闭式布雷登循环在调节负荷时，采用降低闭式系统内工质密度的方法降低系统输出功率，该方法理论上能维持闭式循环较高的运行效率，但实际上该方法会导致循环内部件偏离设计工况，出现反应堆入口温度超温和压气机喘振风险，危及反应堆和能量转换单元的安全。
发明内容
为了解决现有技术中的充装量调节过程中出现反应堆入口温度超温和压气机喘振风险等技术问题，本发明提供一种高效安全的高温气冷堆闭式布雷顿循环功率调节方法及装置，能够保证调节过程中反应堆和压气机安全的前提下尽可能提高系统热电转换效率。
一种用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法，包括，高温气冷堆，其用于对高压工质进行加热，并且配备有用于调节所述高温气冷堆出口工质温度的反应性控制棒；透平膨胀机，位于所述高温气冷堆出口，其用于使热的气体工质膨胀，从而产生机械功率.膨胀比在1.5-3之间；至少一个压气机冷却器，其用于冷却工质；至少一个压气机，其位于压气机冷却器出口，用于增加工质压强；回热器，其包含高低压两侧，回热器低压侧连接于所述透平膨胀机出口和首级压气机冷却器的入口，用于回收废热,回热度范围在50％-95％之间；回热器高压侧连接于末级压气机的出口和高温气冷堆的入口，用于利用废热对工质进行预加热，所述回热器高压侧配备有回热器旁路阀用来调整其高压侧工质质量流量，改变回热器的回热度；充装量调节系统，其工质入口位于末级压气机出口，其工质出口位于回热器低压侧出口或者预冷器出口；所述充装量调节系统其包含至少两个压力容器以及处于所述压力容器入口的充气控制阀门以及处于所述压力容器出口的放气控制阀门；控制系统，其特征在于，在闭环控制当中，产生指示系统输出功率的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述充装量充气控制阀门和充装量放气控制阀门，使得所述系统输出功率保持在系统输出功率设定值处，通常设定范围为额定输出功率的30％-100％。
充装量调节系统采用分级储气模式：充气时，按照压力容器的序号顺序进行充气：当前压力容器与循环内达到压力平衡后，关闭其入口充气阀门，开启下一序号压力容器的充气阀门，直至系统输出功率调节至设定值后关闭所有充气阀门；所述充装量调节系统向循环排气时，按照压力容器的序号逆序进行排气：当前压力容器与循环内达到压力平衡时，关闭其出口放气阀门，开启上一序号压力容器的放气阀门，直至系统输出功率调节至设定值后关闭所有放气阀门。
在闭环控制当中，产生指示高温气冷堆入口工质温度的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述回热器旁路阀，使得高温气冷堆入口工质温度保持在高温气冷堆入口工质温度限定值处，或者处在所述高温气冷堆入口工质温度限定值之下。
在闭环控制当中，产生指示高温气冷堆出口工质温度的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述反应性控制棒，使得高温气冷堆入口工质温度保持在高温气冷堆出口工质温度设定值处。
高温气冷堆出口工质温度设定值其根据不同系统输出功率设定值通过热工分析计算得到，其为稳态且不开启所述回热器旁路阀前提下，使得所述高温气冷堆入口工质温度恰处于高温气冷堆入口工质温度限定值情况下的所述高温气冷堆出口工质温度的值。通过对反应性和T4的控制可以维持较高的循环发电效率，并提高循环相对的质量流量，达到增大压气机的喘振裕度和降低回热器旁路阀流量的要求。
除了该方法之外，执行该方法的高温气冷堆闭式布雷登循环功率调节装置也是本公开的目标。高温气冷堆闭式布雷顿循环功率调节装置，由高温气冷堆闭式布雷顿循环、充装量调节系统、回热器旁路阀和控制器组成。在高温气冷堆闭式布雷顿循环当中，工质顺次流经压气机冷却器、压气机、回热器高压侧、高温气冷堆、透平膨胀机和回热器低压侧构成闭式循环。其中工质至少经过一级压缩，每级压缩所涉及的装置由一个压气机冷却器和其出口的压气机组成。高温气冷堆在反应性控制棒调节下可以改变高温气冷堆出口的工质温度。充装量调节系统用来在部分负载下临时储存原处于循环中的工质，从而降低循环内各位置的压力和做功，由多级储气容器和各自的充放气阀门组成，进入充装量调节系统的工质入口连接在末级压气机出口，工质出口连接在首级压气机的入口或者出口。回热器旁路阀可以旁路部分通过回热器高压侧的工质，用来动态调节回热器的回热度，防止反应堆入口温度超过材料限制温度。控制器用来采集反应堆入口温度、反应堆出口温度和系统的输出功率产生控制量，控制高温气冷堆反应性控制棒的动作、回热器旁路阀以及充装量调节系统中的调节阀门开度。
附图说明
图1是本发明一种用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节装置示意图。
图2是应用本发明进行额定工况向30％系统输出功率调节过程的系统动态特性：(a)反应堆入口温度T3和反应堆出口温度T4随时间变化过程；(b)回热度和循环效率随时间裱花过程；(c)高压压气机和低压压气机喘振裕度随时间变化过程。
部件列表
1，1’-压气机冷却器
2，2’-压气机
3-回热器
4-高温气冷堆
5-透平膨胀机
6-发电机
7-高温气冷堆入口温度传感器
8-高温气冷堆出口温度传感器
9-功率计
10，10’,10”-压力容器
11-控制器
12-反应性控制棒
13，13’，13”-充气阀门
14，14’，14”-排气阀门
15-控制器输入
16-充装量调节系统
17-回热器旁路阀
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，但本发明的实施方式仅为示例，本发明并不局限于此，可以以各种方式和类型进行组合和修改。
以图1所示典型的10MW高温气冷堆闭式布雷登循环为例，包括额定工况下可以将工质温度从278.3摄氏度降低至35摄氏度的第一级压气机冷却器1；连接至预冷器1出口的第一级压气机2，可以将工质压力提高1.58倍；连接至第一级压气机2出口的第二级压气机冷却器1’，可以将工质温度从108.3摄氏度降低至35摄氏度；连接至第二级压气机冷却器1’出口的第二级压气机2’,可以将工质压力进一步提高1.58倍；回热器3的高压侧入口连接至第二级压气机2’出口,回热度为0.575，可以利用废热将工质温度提高至330摄氏度；额定热功率为10MW的高温气冷堆4的入口连接至回热器3高压侧出口；经过加热的氦气推动透平膨胀机5做功，产生的轴功用于驱动压气机2,2’以及通过发电机6将轴功转化为电功率。高温气冷堆闭式布雷登循环功率调节装置具有闭环控制器 11，闭环控制器11调节充装量调节系统充气阀门13，13’，13”和放气阀门14， 14’，14”，使得循环的输出功率Pout保持为期望设定值Pout,t。在要求某部分负载运行时,以30％部分工况为例，对应比例的工质需要通过充装量调节系统16 储气容器充气阀门13，13’，13”暂存至储气容器10，10’,10”当中。多个储气容器采用分级存储模式，按照顺序顺次充入各储气容器，最低部分负载稳态运行工况下，容器内压力等倍数递增。恢复额定工况运行时，储气容器按照序号逆序依次通过排气阀门14，14’，14”向循环排出工质。
功率调节的目的是使由功率计9测量的系统输出电功率达到输出功率设定值Pout,t，并维持反应堆和设备运行参数不超过限值。
循环向充装量调节系统(16)充气时，根据压力容器与末级压气机(2’)出口压力的压差，依次打开充气控制阀门(13,13’,13”)对压力容器(10,10’,10”) 进行顺序充气，降低循环的充装量和功率。排气时，根据压力容器与首级压气机入口压力的压差，依次打开放气控制阀门(14,14’,14”)进行顺序放气，提升循环的充装量和功率。
循环向充装量调节系统排气时，关闭出口的放气控制阀门(14,14’,14”)，按照压力容器的水平从高到低进行充气。首先打开高压容器(10)的入口充气阀门(13)，并维持其他压力容器的充气阀门(13’,13”)关闭，循环从末级压气机出口(2’)向高压容器(10)放气；在该过程中，高压容器的工质充装量增加、压力升高，循环的充装量减小、压力降低；当高压容器(10)与循环内达到压力平衡后，关闭其入口充气阀门(13)；然后开启中压容器(10’)的充气阀门(13’)，循环继续从压气机出口(2’)向中压容器(10’)放气，降低循环充值量和压力，当中压容器(10’)与循环内达到压力平衡后，关闭其入口充气阀门 (13’)；开启低压容器(10”)的充气阀门(13”)，循环向低压容器(10”)放气…。按照该顺序，循环依次分级向充值量调节系统排气，降低循环充装量和功率，直至循环输出功率Pout调节至输出功率设定值Pout,t后关闭所有充气阀门，完成循环降充装量、降功率调节。
充装量调节系统向循环排气时，关闭入口的充气控制阀门(13,13’,13”), 按照压力容器的压力水平从低到高进行排气。首先打开低压容器(10”)的出口放气阀门(14”)，并维持其他压力容器的放气阀门(14,14’)关闭，低压容器向循环的回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口排气；在该过程中，低压容器的充装量减少、压力降低，循环的充装量增加、压力升高；当低压容器(10”)与循环内达到压力平衡后，关闭其出口放气阀门(14”)；然后开启中压容器(10’)的放气阀门(14’)，继续向循环的回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口放气，提高循环充值量和压力，当中压容器(10’) 与循环内达到压力平衡后，关闭其出口放气阀门(14’)；开启高压容器(10)的放气阀门(14)，高压容器(10)向循环放气…。按照该顺序，充值量调节系统依次分级向循环排气，提高循环充装量和功率，直至循环输出功率Pout调节至新的设定值Pout,t后关闭所有放气阀门。
当循环充装量降低时，循环内的工质质量流量降低，会导致回热器的回热度升高，进而造成由高温气冷堆入口温度传感器7测量的反应堆入口温度T3超过设计温度T3,t。调节过程中通过高温气冷堆入口温度闭环控制调节回热器旁路阀17的开度，维持反应堆入口温度在设计温度T3,t以下。当循环从额定充装量和功率逐步降低充装量和功率时，回热器旁路阀开启并逐渐增加开度，将部分回热器高压侧入口的工质旁路至回热器高压侧出口，从而维持高温气冷堆入口工质温度T3不超过限定值T3，t；当循环从低充装量和低功率逐渐提升充装量和功率时，回热器旁路阀开度逐渐减小至关闭，减小从回热器高压侧入口旁路至回热器高压侧出口的工质，从而维持高温气冷堆入口工质温度T3不超过限定值T3，t。
通过闭环控制高温气冷堆控制棒12使由高温气冷堆出口温度传感器8测量的高温气冷堆出口温度T4达到该设定值T4,t。根据系统输出功率设定值Pout,t 通过稳态热工分析计算得到高温气冷堆出口工质温度设定值T4，t：计算当中假设回热器旁路阀(17)关闭，系统输出功率为Pout,t，且反应堆入口温度T3等于该位置材料限制温度T3，t。通过对反应性和T4的控制可以维持较高的循环发电效率，并提高循环相对的质量流量，达到增大压气机的喘振裕度和降低回热器旁路阀流量的要求。
在典型的10MW高温气冷堆闭式布雷登循环中，工质温度设定值T4，t与系统输出功率设定值Pout,t的对应关系如下：
表一
如图2所示，从额定工况过渡到30％部分负载稳态的过程中系统各关键参数的动态过程：除了系统输出电功率Pout逐渐逼近其设定值Pout,t之外，根据表一中30％相对输出功率对应的反应堆出口设定温度T4，t为目标通过反应性控制棒 12调节反应堆出口温度T4，回热器回热度受控持续上升，调节过程中保证反应堆入口温度稳定在T3，t及以下，且在最终达到稳态后回热器旁路阀完全关闭；循环热电转换效率基本在稳态基本维持额定值，且在过渡过程中有所上升；喘振裕度始终维持在12％以上。
优点：
在高温气冷堆闭式布雷登循环运行期间，可将系统输出功率调整为期望值，同时循环各处的温度基本保持不变，循环回路中的工质质量流量与系统内的压力水平成正比变化，即充装量调节过程中实际改变的是工质的密度，体积流量和流速保持不变。对于定转速的压气机和透平膨胀机而言，速度三角形保持不变，因而压比、膨胀比以及等熵效率亦能够在相似准则的保持之下保持不变，因此即使在部分工况，循环依然能够保持较高的发电效率。
回热器旁路阀的闭环控制可以抵消掉工况改变造成的回热器回热度的增加，时循环各位置温度更加贴近设计值，保证了反应堆入口温度不超过限值，不过度消耗材料寿命，提高了核反应堆系统的运行安全。
通过高温气冷堆反应性控制棒引入负反应性，在长时间低工况运行时降低高温气冷堆的出口工质温度可以进一步提高循环的热电转换效率，并且使循环运行在相对工质质量流量高于相对输出功率的模式下，可以增加压气机的喘振裕度，维护流体机械系统的安全稳定运行。

Claims (9)

1.一种用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节装置，其特征在于，该功率调节装置包括高温气冷堆(4)和透平膨胀机(5)，高温气冷堆(4)的出口连接透平膨胀机(5)入口；还包括压气机冷却器(1)，首级压气机冷却器(1)入口连接至回热器(3)低压侧出口，出口连接至压气机(2)入口；还包括充装量调节系统(16)和控制系统(11)。
2.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节装置，其特征在于，
高温气冷堆(4)，其用于对高压工质进行加热，并且配备有用于调节所述高温气冷堆(4)出口工质温度(8)的反应性控制棒(12)；
透平膨胀机(5)，其入口连接至所述高温气冷堆(4)出口，其出口连接回热器低压侧入口；
至少一个压气机冷却器(1,1’)，作为循环热阱并降低压缩耗功；首级压气机冷却器(1)入口连接至回热器(3)低压侧出口，出口连接至压气机入口(2)；其他级压气机冷却器(1’)入口连接至上级压气机(2)出口，出口连接至下一级压气机入口或者回热器(3)高压侧入口；
至少一个压气机(2,2’)，其入口连接至同级压气机冷却器(1,1’)出口；
回热器(3)，其包含高低压两侧，回热器低压侧连接在所述透平膨胀机出口和首级压气机冷却器(1)的入口之间；回热器高压侧连接在末级压气机(2’)的出口和高温气冷堆(4)的入口之间，所述回热器高压侧配备有回热器旁路阀(17)用来调整其高压侧工质质量流量，改变回热器的回热度；回热度ε是表征回热器实际换热量和理论最大可能换热量比值的常用热力学参数，其表达式为：
式中T2表示末级压气机(2’)的出口温度，T3表示反应堆(4)入口温度，T5表示透平膨胀机(5)出口温度；
充装量调节系统(16)包含至少两个不同压力水平的压力容器(10,10’,10”)，各压力容器为并联关系，分别由所述压力容器入口的充气控制阀门(13,13’,13”)进行充气控制，由处于所述压力容器出口的放气控制阀门(14,14’,14”)进行放气控制；充装量调节系统工质流入和流出位置不同：充气过程中的工质由连接至压气机出口的管路流入不同的压力容器，放气过程中工质由压力容器连接至回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口的管路流出；
控制系统(11)，在闭环控制当中，产生指示系统输出功率Pout的控制变量，所述控制系统(11)可根据所述控制变量来控制所述充装量充气控制阀门(13,13’,13”)和所述充装量放气控制阀门(14,14’,14”)，使得所述系统输出功率Pout与系统输出功率设定值Pout,t相同，并且在功率过渡过程当中系统满足温度和喘振裕度等安全相关限制条件。
3.根据权利要求1或2所述的用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节装置，其特征在于，所述系统输出功率的调节范围为系统额定输出功率的30％-100％。
4.一种用于高温气冷堆耦合闭式布雷登循环的功率调节方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-3所述的功率调节装置，包括以下步骤：
工质由高温气冷堆(4)作为热源加热，并且配备有用于调节所述高温气冷堆(4)出口工质温度(8)的反应性控制棒(12)；随后工质顺次流经透平膨胀机(5)，回热器(3)低压侧，首级压气机冷却器(1)和首级压气机(2)，以及其他级压气机冷却器(1’)和对应级的压气机(2’),再流经回热器(3)高压侧，最终返回高温气冷堆(4)形成热力循环；
充装量调节系统(16)包含至少两个不同压力水平的压力容器，分别为高压容器(10)、中压容器(10’)和低压容器(10”)，其中P10>P10’>P10”，各压力容器为并联关系，分别由所述压力容器入口的充气控制阀门(13,13’,13”)进行充气控制，由处于所述压力容器出口的放气控制阀门(14,14’,14”)进行放气控制；充装量调节系统工质流入和流出位置不同：充气过程中的工质由连接至压气机(2)出口的管路流入不同的压力容器，放气过程中工质由压力容器连接至回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口的管路流出；
在闭环控制当中，控制系统(11)产生指示系统输出功率Pout的控制变量，所述控制系统(11)可根据所述控制变量来控制所述充装量充气控制阀门(13,13’,13”)和所述充装量放气控制阀门(14,14’,14”)，使得所述系统输出功率Pout与系统输出功率设定值Pout,t相同，并且在功率过渡过程当中系统满足温度和喘振裕度的相关安全限制条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于,所述系统输出功率的调节范围为系统额定输出功率的30％ˉ100％。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，向所述充装量调节系统(16)充气时，根据压力容器与末级压气机出口压力的压差，依次打开充气控制阀门(13,13’,13”)对压力容器(10,10’,10”)进行顺序充气，降低循环的充装量和功率；排气时，根据压力容器与首级压气机入口压力的压差，依次打开放气控制阀门(14,14’,14”)进行顺序放气，提升循环的充装量和功率；
循环向充装量调节系统排气时，关闭出口的放气控制阀门(14,14’,14”)，按照压力容器的水平从高到低进行充气；首先打开高压容器(10)的入口充气阀门(13)，并维持其他压力容器的充气阀门(13’,13”)关闭，循环从压气机出口(2’)向高压容器(10)放气；在该过程中，高压容器的工质充装量增加、压力升高，循环的充装量减小、压力降低；当高压容器(10)与循环内达到压力平衡后，关闭其入口充气阀门(13)；然后开启中压容器(10’)的充气阀门(13’)，循环继续从压气机出口(2’)向中压容器(10’)放气，降低循环充值量和压力，当中压容器(10’)与循环内达到压力平衡后，关闭其入口充气阀门(13’)；开启低压容器(10”)的充气阀门(13”)，循环向低压容器(10”)放气。循环依次分级向充值量调节系统排气，降低循环充装量和功率，直至循环输出功率Pout调节至输出功率设定值Pout,t后关闭所有充气阀门，完成循环降充装量、降功率调节；
充装量调节系统向循环排气时，关闭入口的充气控制阀门(13,13’,13”),按照压力容器的压力水平从低到高进行排气；首先打开低压容器(10”)的出口放气阀门(14”)，并维持其他压力容器的放气阀门(14,14’)关闭，低压容器向循环的回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口排气；在该过程中，低压容器的充装量减少、压力降低，循环的充装量增加、压力升高；当低压容器(10”)与循环内达到压力平衡后，关闭其出口放气阀门(14”)；然后开启中压容器(10’)的放气阀门(14’)，继续向循环的回热器(3)低压侧出口或者首级压气机冷却器(1)出口放气，提高循环充值量和压力，当中压容器(10’)与循环内达到压力平衡后，关闭出口放气阀门(14’)；开启高压容器(10)的放气阀门(14)，高压容器(10)向循环放气；充值量调节系统依次分级向循环排气，直至循环输出功率Pout调节至新的设定值Pout,t后关闭所有放气阀门；
充气和放气过程无需耗能设备辅助，在自然压差驱动下完成。
7.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于,采用闭环控制，产生指示高温气冷堆出口工质温度T4的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述反应性控制棒12，使得高温气冷堆入口工质温度T4保持在高温气冷堆出口工质温度设定值T4，t处。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在闭环控制当中，产生指示高温气冷堆入口工质温度T3的控制变量，并且根据所述控制变量来控制所述回热器旁路阀(17)，使得高温气冷堆入口工质温度T3保持在高温气冷堆入口工质温度限定值T3，t处，或者处在所述高温气冷堆入口工质温度限定值T3，t之下；当无回热器旁路阀(17)或回热器旁路阀(17)关闭时，降低循环的充装量会导致高温气冷堆入口工质温度T3超过限定值T3，t，危及反应堆安全；当循环从额定充装量和功率逐步降低充装量和功率时，回热器旁路阀开启并逐渐增加开度，将部分回热器高压侧入口的工质旁路至回热器高压侧出口，从而维持高温气冷堆入口工质温度T3不超过限定值T3，t；当循环从低充装量和低功率逐渐提升充装量和功率时，回热器旁路阀开度逐渐减小至关闭，减小从回热器高压侧入口旁路至回热器高压侧出口的工质，从而维持高温气冷堆入口工质温度T3不超过限定值T3，t。
9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据不同系统输出功率设定值Pout,t通过稳态热工分析计算得到高温气冷堆出口工质温度设定值T4，t；T4,s满足回热器旁路阀(17)关闭情况下，系统输出功率达到设定值Pout,t，且反应堆入口温度T3等于该位置材料限制温度T3，t。
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