小型氟盐冷却高温堆耦合布雷顿循环系统分析与研究

刘秀婷; 黄彦平; 汪杨乐; 刘光旭; 卓文彬; 李新宇

doi:10.13832/j.jnpe.2022.05.0020

小型氟盐冷却高温堆耦合布雷顿循环系统分析与研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0020

1.
中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室，成都，610213
2.
西安交通大学能源与动力工程学院，西安，710049

基金项目: 国家重点研发计划（No.2020YFB1902000）

详细信息

作者简介:
刘秀婷（1993—），女，助理研究员，主要从事反应堆热工水力研究，E-mail: liuxt0614@163.com

中图分类号: TL334
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-26
- 修回日期: 2022-01-12
- 刊出日期: 2022-10-12

Analysis and Research of Coupled Brayton Cycle System for Small Fluorine Salt Cooled High Temperature Reactor

1.
CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
2.
School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China

摘要

摘要: 为满足小型氟盐冷却高温堆（FHR）能量转换需求，开发与之匹配的高效、紧凑、无水冷却动力转换系统，本文对比了超临界二氧化碳（SCO₂）、空气、氩气（Ar）、氮气（N₂）、氙气（Xe）5种气体工质在不同布雷顿循环构型中的热电转换效率、㶲效率、㶲损失分布。研究发现，SCO₂布雷顿循环相比其它工质循环具有最高的热电转换效率和㶲效率，且结构更为紧凑，易于小型化和模块化，与小型氟盐冷却高温堆耦合更具优势；进而对SCO₂布雷顿循环进行构型优化，得出匹配小型氟盐冷却高温堆的最佳循环构型方式，构成固有安全模块化小型氟盐冷却高温堆热电转换系统，为西部能源利用提供新研究思路。
- 小型氟盐冷却高温堆（FHR） /
- 布雷顿循环 /
- 超临界二氧化碳（SCO₂） /
- 㶲分析
Abstract: In order to meet the energy conversion requirements of small fluoride cooled high temperature reactor (FHR), an efficient, compact and water-free cooling power conversion system is developed. In this paper, the thermoelectric conversion efficiency, exergy efficiency and exergy loss distribution of supercritical carbon dioxide (SCO₂), air, argon (Ar), nitrogen (N₂) and xenon (Xe) in different Brayton cycle configurations are compared. It is found that SCO₂ Brayton cycle has the highest thermoelectric conversion efficiency and exergy efficiency compared with other working medium cycles, and its structure is more compact, easy to miniaturization and modularization, and has more advantages in coupling with small fluorine salt cooled high temperature reactor; the configuration of SCO₂ Brayton cycle is optimized, and the optimal cycle configuration mode matching the small fluoride cooled high-temperature reactor is obtained, which constitutes an inherently safe modular small fluoride cooled high-temperature reactor thermoelectric conversion system, providing a new research idea for energy utilization in the west.
- Small fluoride salt cooled high temperature reactor (FHR) /
- Brayton cycle /
- Supercritical carbon dioxide(SCO₂) /
- Exergy analysis

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图 1 再压缩布雷顿循环流程图

Figure 1. Flow Chart of Recompression Brayton Cycle

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图 2 再压缩布雷顿循环温熵图

T—温度；S—熵

Figure 2. Temperature-Entropy Diagram of Recompression Brayton Cycle

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图 3 5种工质不同循环构型的热电转换效率

Figure 3. Thermoelectric Conversion Efficiency of Five Working Mediums with Different Cycle Configurations

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图 4 5种工质不同循环构型的㶲效率

Figure 4. Exergy Efficiency of Five Working Mediums with Different Cycle Configurations

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图 5 5种工质定熵线压缩物性变化

Figure 5. Physical Property Changes of Five Working Mediums in Constant Entropy Compression

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图 6 5种工质不同循环构型的热电转换效率

Figure 6. Thermoelectric Conversion Efficiency of Five Working Mediums with Different Cycle Configurations

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图 7 5种工质不同循环构型的㶲效率

Figure 7. Exergy Efficiency of Five Working Mediums with Different Cycle Configurations

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图 8 主压一级间冷再压缩循环流程图

Figure 8. Flow Chart of the Cold Recompression Cycle between Main Compressors

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图 9 再热再压缩一级间冷循环流程图

Figure 9. Flow Chart of the Cold Cycle between Reheating and Recompression

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图 10 SCO₂不同循环构型效率对比

1—简单回热循环；2—再压缩循环；3—主压间冷循环；4—再热再压缩间冷循环

Figure 10. Comparison of the Efficiency of SCO₂ Different Cycle Configurations

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图 11 SCO₂不同循环构型㶲损失分布

Figure 11. Distribution of Exergy Loss in Different Cycle Configurations of SCO₂

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表 1 能量平衡与㶲平衡关系式

Table 1. Energy Balance and Exergy Balance Relationship

部件	能量平衡	㶲损失
堆芯	$ {Q_{{\text{core}}}} = 125{\text{ MW}} $	$ {\dot I _{{\text{core}}}} = {\dot E _{10}} - {\dot E _9} + {\dot E _{{\text{core}}}} $
中间换热器	$ {Q_{{\text{INH}}}} = \left( {{h_8} - {h_1}} \right){m_1} $	$ {\dot I _{{\text{INH}}}} = {\dot E _8} + {\dot E _9} - {\dot E _1} - {\dot E _{10}} $
涡轮机	$ {W_{{\text{TU}}}} = \left( {{h_1} - {h_2}} \right){m_1} $	$ {\dot I _{{\text{TU}}}} = {\dot E _1} - {\dot E _2} - {\dot W _{{\text{TU}}}} $
高温回热器	$ {W_{{\text{HTR}}}} = \left( {{h_2} - {h_3}} \right){m_2} = \left( {{h_{7a}} - {h_8}} \right){m_{7{\text{a}}}} $	$ {\dot I _{{\text{HTR}}}} = {\dot E _{{\text{7a}}}} + {\dot E _2} - {\dot E _3} - {\dot E _8} $
低温回热器	$ {W_{{\text{LTR}}}} = \left( {{h_3} - {h_2}} \right){m_3} = \left( {{h_{{\text{7b}}}} - {h_6}} \right){m_6} $	$ {\dot I _{{\text{LTR}}}} = {\dot E _3} + {\dot E _6} - {\dot E _4} - {\dot E _{7{\text{b}}}} $
主压缩机	$ {W_{{\text{MC}}}} = \left( {{h_6} - {h_5}} \right){m_5} $	$ {\dot I _{{\text{MC}}}} = {\dot E _5} - {\dot E _6} - {\dot W _{{\text{MC}}}} $
再压缩机	$ {W_{{\text{RC}}}} = \left( {{h_7} - {h_4}} \right){m_7} $	$ {\dot I _{{\text{RC}}}} = {\dot E _4} - {\dot E _7} - {\dot W _{{\text{RC}}}} $
冷却器	$ {Q_{{\text{cooler}}}} = \left( {{h_4} - {h_5}} \right){m_5} $	$ {\dot I _{{\text{cooler}}}} = {\dot E _{11}} + {\dot E _4} - {\dot E _{12}} - {\dot E _5} $
注：下标数字对应系统进出口点；下标INH表示中间换热器；HTR表示高温回热器；LTR表示低温回热器；cooler表示冷却器

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表 2 循环参数设置

Table 2. Cycle Parameter Settings

参数	数值
堆芯热功率/MW	125
堆芯入口温度/℃	650
堆芯出口温度/℃	700
循环最高温度/℃	690
环境温度/℃	15
换热器压降/kPa	1%p_in
压气机等熵效率/%	83
涡轮机等熵效率/%	87
换热器端差/℃	10
发电机效率/%	98

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表 3 5种工质在简单回热循环中的㶲损失分布 %

Table 3. Exergy Loss Distribution of Five Working Mediums in a Simple Regenerative Cycle

工质种类	SCO₂	空气	N₂	Ar	Xe
中间换热器	15.78	6.38	6.43	7.32	16.07
涡轮机	25.96	31.16	30.72	29.83	26.13
回热器	33.34	10.02	10.36	11.61	16.07
压缩机	5.60	21.14	21.26	20.72	11.78
冷却器	16.80	29.52	29.47	28.76	27.85
堆芯	2.54	1.79	1.76	1.76	2.11

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表 4 5种工质在再压缩循环中的㶲损失分布 %

Table 4. Exergy Loss Distribution of Five Working Mediums in a Recompression Cycle

工质种类	SCO₂	空气	N₂	Ar	Xe
中间换热器	13.17	6.08	6.76	7.12	9.51
涡轮机	42.32	29.57	29.33	28.82	30.83
高温回热器	11.60	5.24	4.12	5.47	11.81
低温回热器	5.96	5.58	5.11	5.96	7.22
主压缩机	6.27	20.95	20.93	20.2	9.62
再压缩机	8.46	0.68	0.66	0.99	5.90
冷却器	9.09	30.24	31.47	29.81	22.96
堆芯	3.13	1.66	1.62	1.63	2.15

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