1、第41卷第2期 原子能科学技术 V0141，No22007年3B Atomic Energy Science and Technology Mar2007温气 冷堆氦气透平直接循环的Exergy分析曹建华，王捷，杨小勇，于溯源(清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084)摘要：针对100 MW电功率的氦气透平直接循环的设计，对循环各个部件分别进行热力学第一和第二定律分析。给出了各个部件的输入和产出Exergy公式，计算了Exergy损失分布，并与按照传统分析方法获得的分析结果进行了比较。结果表明：一半以上的Exergy损失发生在堆芯部分，而由预冷器、压气机和间冷器组成的压缩系统所占Ex
2、ergy损失比重比按照第一定律计算的能量损失份额小得多；循环Exergy损失主要原因是能量形式的转换和不可逆换热。系统Exergy效率略高于热效率。关键词：热力学分析；Exergy分析；高温气冷堆；布雷登循环；Exergy损失中图分类号：TL333 文献标识码：A 文章编号：10006931(2007)020211一04Exergy Analysis of Gas Turbine Combined 100 MWHigh_ITemperature Gas。Cooled ReactorCAO Jianhua，WANG Jie，YANG Xiaoyong，YU Suyuan(Institute of
3、 Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract：According to the design of 1 00 MW HighTemperature Gas-Cooled Reactorcoupled with gas turbine，the energy and Exergy analysis were carried out for each partof the cycle，and inlet and outlet Exergies of those parts we
4、re calculatedThe Exergyloss distribution and Exergy loss ratio of each subprocess were quantified and comparedwith the results of energy analysisThe results show that more than a half of theExergy loss takes place inside the reactor core，while the compress system composed oflow and high pressure com
5、pressors as well as the intercooler play a much smaller role inthe contribution of Exergy lOSSeS than the results in the energy analysisThe Exergyloss of the cycle is mainly due to the energy conversion and irreversible heat exchangeThe total energy efficiency of the cycle is quite high，and the Exer
6、gy efficiency is higherKey words：thermal analysis；Exergy analysis；hightemperature gascooled reactor；Brayton cycle；Exergy lOSS收稿日期：20050922；修回日期：20060115基金项目：国家“863”计划资助项目(2003AA51lOlO)国家自然科学基金资助项目(90410001)作者简介：曹建华(1981一)，男，山东枣庄人，博士研究生，核科学与技术专业高万方数据212 原子能科学技术 第41卷高温气冷堆(HTGR)采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件，以石墨为慢化剂，氦气
7、为冷却剂n。HTGR可与各种动力转换系统耦合。高温气冷堆直接循环的发电效率最高可达50孵21。国际上正在开展的GTMHR和PBMR以及中国的HTR-10GT设计，均选择了直接气体透平循环方案口。联合热力学第一和第二定律的Exergy分析法，提供了不同质能量的等价换算，近年来发展很快阻引。本工作对氦气透平直接循环啪进行Exergy分析，给出循环各部件的Exergy损失分布，并与按照传统热力学分析方式得出的结论进行对照分析。1 氦气透平直接循环及其热力学分析高温气冷堆氦气透平(HTGRGT)赢接循环是1个实际的布雷登循环，带有回热、预冷和间冷过程，循环流程和温熵分别示于图1、2。直接循环系指高压氦
8、气在高温堆堆芯加热后直接推动气体透平发电机组的1种循环方式，工质是一回路冷却剂氦气。加压氦气经堆芯后被加热至高温，经由堆芯出口4直接进入透平做功；透平带动发电机发电的同时也带动压气机压缩氦气；透平出口5排出的尾气经回热器低压侧出口6将余热传输给高压侧氦气，然后进入预冷器降至低温；低温氦气进人带有中间冷却器(间冷器，2a-2b)的压气机组被压缩成高压氦气；高压氦气经回热器高压侧后由高压出口3排出，此时，氦气温度接近透平的排气温度，然后再进入堆芯，重复被加热过程。热力学分析基于以下假设：1)循环无内泄漏，稳态(暂无旁路阀等功率调节器)，质量守恒自然成立；2)冷却剂氦气在整个循环内接近理想气体7，等
9、熵指数k一1667，绝热因子p一(忌1)k=04，比定压热容C。=5198 kJ(kgK)；3)预冷器进口温度与问冷器进口温度均为35；4)高、低压气机等熵效率相等。Exergy被定义为系统可逆变化到与环境(25 oC，01 MPa)热力平衡时所做的最大功：EG(HToS) (1)式中：E为Exergy，W；G为质量流量，kgs；H为焓，Jkg；To为环境温度，K；S为熵，J(kgK)。o图1 HTGR-GT直接循环流程Fig1 Direct cycle of HTGR-GT图2带有回热过程的布雷登循环温熵图Fig2 T-S diagram of Brayton cycle with recu
10、perator系统输入和Exergy分别用E。和E姐表示。系统Exergy损失为：E x】一E。1一Ex2 (2)Exergy分析法一般通过Exergy损失系数R阮。和损失率d。衡量，定义为：RE州一箦lOO (3)式中：R Ex，；为部件i的Exergy损失E x1；占系统总供给Exergy的比值，这里即为对堆芯吸热量Q。的比值。di一雨2,xl,iz_J= 4l式中：d。为部件i的Exergy损失E“占系统总的Exergy损失E“的比例。针对循环的8个子过程(7个部件)(图1、2)分别进行热力分析。1)堆芯堆芯热功率，即冷流吸热量QRG(H。一万方数据第2期 曹建华等：高温气冷堆氦气透平直
11、接循环的Exergy分析 213H。)。核能属于高级能，可简化认为E，一Q。氦气介质得到的Exergy为：E】【2一GEH。一H。一丁0(S。一S3) (5)2)回热器在高温气冷堆氦气透平直接循环中，压力和温度变化范围决定了可将氦气作为理想气体处理。热介质放热Exergy值为：E。一，(1一-)C-c，dT+GRT。ln石P5一Q一GcpT。ln iT5+GRT。ln P_pA6 (6)式中：C。为比定压热容，J(kgK)；R为气体常数，J(kgK)；Q为吸热量，W。冷介质吸热Exergy值为：E姐一f(1-孚)Gc，dT+GRT01n瓦P3一QzC,cpT。ln瓦T3+GRT。ln象 (7)
12、上 p3)预冷器热介质放热Exergy值为：Exl一c一萼慨dT+GRToln鲁一Q1一GcpT。ln。iT6+GRT。1n署 (8)冷却水吸收热量全部排入环境，E心一0。4)问冷器热介质放热Exergy值为：Exl点T2c，-孕-)C-c，dT+保T0ln荛=Q1一pT。In笋+GRT。In争(9 122 ，22冷却水吸收热量全部排人环境，E地=0。5)透平透平的内功率E姐一NiG(H。一H。)。因机械能为高级能，氦气放出的Exergy值E。1一G(H4一H5一To(S4一S5)。6)低压压缩机压缩机原动力功率为：E。1一N。一G(H21一H1) (10)氦气在压气机内所得到的Exergy值
13、为：Ex2一G(H21一H1一To(S21一S1) (11)7)高压压缩机压缩机原动力功率为：N。一G(HzH22) (12)氦气在压缩机内所得到的Exergy值为：E】【2一G(H2一H2 2一To(S2一S22) (13)2计算结果与讨论将循环参数带入式(5)(13)，可得高温气冷堆氦气透平直接循环Exergy损失分布。计算结果列于表1。从表1可看出：1)堆芯部分所占的Exergy损失超过整个系统其它部件的总和，堆芯裂变材料的核能向冷却剂热能的转换属于高级能向低级能的不可逆转换，从而导致系统Exergy损失；2)回热器部件尽管回热度按95计算，但传热温差的存在和换热不可逆而导致Exergy
14、损失，预冷器和间冷器则因通过不可逆换热将热量直接排出循环而导致Exergy损失，回热器、预冷器和间冷器的Exergy损失占系统Exergy的约3成；3)作为循环中的机械部件，透平和高、低压压气机则分别由于绝热膨胀的不可逆、能量形式的转变以及绝热压缩过程不可逆而导致Exergy损失，它们所占Exergy损失份额在循环中最低。表1 HTGR-GT直接循环7个部件的Exergy损失分布Table 1 Exergy loss distributionsin 7 components of HTGR-GT过程 ExerMgyw则EEx,“d堆芯 9761透平 1154回热器 1339预冷器 1792低压
15、压气机 682间冷器 1050高压压气机 630(16408)注：最后1行括号内的数值为其对应列的总合采用Exergy分析得出的循环Exergy效率为4873，略高于热力学第一定律计算出的热效率4793。基于100 Mw高温气冷堆数据的HTGRGT直接循环的Exergy和能量损失对照示于图3。由图3可知：按照传统能量平衡分析法得到的系统能量损失只发生在冷却部件间冷器和万方数据214 原子能科学技术 第4l卷摹、鞲盎球骚压气机 压气机图3基于100 MW高温气冷堆数据的Exergy和能量损失分布对照Fig3 Comparison between Exergy loss andenergy los
16、s distributions based On dataof 100 MW High-Temperature GasCooled Reacter口Exergy；能量损失预冷器上，与其他部件无关；从按照Exergy分析方法得出的结果可看出，其它部件，特别是堆芯，虽无能量数量上的损失，但因能量形式的高低转换和温度高低的品质降低，导致了大量的Exergy损失，而预冷器和间冷器因处于循环的低温段，能量品质相对较低，它们约占系统Exergy损失的20。可见，Exergy分析法不仅表达了能量数量上的损失，还揭示了系统能量转换和转移过程中的不可逆损失，即能量贬值。3 结论与传统的热力学第一定律的能量分析方
17、法相比，Exergy分析方法不仅考虑了能量数量上的损失，而且区别出了能量的品质。针对100 Mw高温气冷堆参数数据的Exergy分析结果显示，堆芯部分的能量形式转换是系统的最大Exergy损失所在，传热部件，包括回热器因传热温差的存在所导致Exergy损失与预冷器的Exergy损失相当；按照传统分析方法，能量损失很大的间冷器因损失的热能温度低，能量品质差，所损失的Exergy与透平以及高低压压气机一样的小。Exergy分析方法比传统能量分析方法得出的同一循环的效率略高。与传统的热力学分析方法相比，采用基于热力学第二定律的Exergy分析方法更加全面地揭示了系统能量的损失分布，对于改进系统设计和
18、提高系统用能效率指明了研究方向。参考文献：E1王捷高温气冷堆技术背景和发展潜力的初步研究EJ3核科学与工程，2002，22(4)：325330WANG JiePreliminary study on technical baseand future potential of high temperature gascooled reactor E JChinese Journal of NuclearScience and Engineering，2002，22(4)：325330(in Chinese)E2董玉杰，王傲巍高温气冷堆间接联合循环热力学分析EJ3核科学与工程，2004，24(3)
19、：224229DONG Yujie，WANG AoweiThermodynamicanalysis of indirect combined cycle for HTR EJChinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2004，24(3)：224229(in Chinese)33 WANG Jie，GU YihuaParametric studies ondifferent gas turbine cycles for a high temperaturegascooled reactor EJNuclear Engineering a
20、ndDesign，2005，235(16)：1 7611 772E4彭敏俊。核动力装置热力分析EM哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003E53 WILLIAM R D，SCOTT D M，NOAM LExergY analysis of an operating boiling-water-reactornuclear power stationJEnergy Conversion andManagement，1995，36(3)：149159E63 AHMET D，HASBI YExergy analysis of apressurized-water reactor nuclearpowe
21、r plantEJApplied Energy，2001，69(1)：395773居怀明，徐元辉，李怀萱，等载热质物性计算程序及数据手册M3北京：原子能出版社，1990万方数据高温气冷堆氦气透平直接循环的Exergy分析作者： 曹建华， 王捷， 杨小勇， 于溯源， CAO Jian-hua， WANG Jie， YANG Xiao-yong， YUSu-yuan作者单位： 清华大学,核能与新能源技术研究院,北京,100084刊名： 原子能科学技术英文刊名： ATOMIC ENERGY SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)： 2007，41(2)被引用次数： 1次参考文献(7
22、条)1.王捷 高温气冷堆技术背景和发展潜力的初步研究期刊论文-核科学与工程 2002(04)2.董玉杰.王傲巍 高温气冷堆间接联合循环热力学分析期刊论文-核科学与工程 2004(03)3.WANG Jie.GU Yihua Parametric studies on different gas turbine cycles for a high temperature gas-cooled reactor 2005(16)4.彭敏俊 核动力装置热力分析 20035.WILLIAM R D.SCOTT D M.NOAM L Exergy analysis of an operating boil
23、ing-water-reactor nuclear powerstation 1995(03)6.AHMET D.HASBI Y Exergy analysis of a pressurized-water reactor nuclear-power plant 2001(01)7.居怀明.徐元辉.李怀萱 载热质物性计算程序及数据手册 1990相似文献(1条)1.学位论文 黄新 硫磺制酸装置废热回收利用的热力学分析 2006在硫磺制酸过程中，从硫磺燃烧生成二氧化硫、二氧化硫氧化生成三氧化硫到三氧化硫吸收生成硫酸，每一步反应都是放热反应，每生成1mol硫酸总的反应热量约为500kJ。除装置散热、
24、排气外，其余废热量理论上均可回收利用，回收的热量中焚硫和转化部分的高中温废热约60，干吸部分的低温废热约占40。对于硫磺制酸装置，为了获得最佳的操作条件，也必须除去这些热量。因此，回收这部分废热不仅是合理利用能源，而且还是保证硫磺制酸装置正常运行的客观要求。目前，我国硫磺制酸废热回收取得了较大的进展，高中温废热回收系统的吨酸产汽率可达1.2t(蒸汽压力3.82MPa，温度450)，接近世界先进水平。但是低温废热回收方面，与世界先进水平有较大的差距，我国只有少量企业利用低温废热产生热水，低温废热的利用受到很大的局限。国外已成功开发HRS和HEROS等低温废热回收系统对蒸发器的材质要求很高，硫酸浓
25、度只能控制在狭窄的范围内，稍有偏差就会发生严重腐蚀，而且不能用于发烟酸装置；再者进口低温热回收系统投资太高，特别对我国这样的发展中国家，目前还较难接受。鉴于这种情况，应尽量提高高中温废热回收量，减少转化部分中温废热向低温废热转化，另外又尽量将低温废热转化为高中温废热，从而提高整个硫磺制酸装置的废热有效利用率。以“3+1”两转两吸硫磺制酸装置为例，分别采用焓分析法(热力学第一定律分析法)和熵分析法(热力学第二定律或exergy分析法)对硫磺制酸装置废热利用进行了热力学分析，采用焓分析法，确立高中温废热回收量与焚硫炉进口进气量、焚硫炉进口空气温度、第一省媒器出口三氧化硫炉气温度、中间吸收塔出口炉气
26、温度、第二省媒器出口三氧化硫炉气温度等工艺参数的关联式；通过熵分析，确定热力学效率与不同焚硫炉进气量和进口温度的关联式，分析工艺参数对产汽率和热力学效率的影响为：a在相同的工况条件下，产汽率随着转化进口二氧化硫浓度的提高而增加；在常采用的浓度范围内(912)，转化进口二氧化硫浓度每提高一个百分点增加产汽率为0.010.012t/t。b在相同的工况条件下，产汽率随着焚硫炉进口空气温度升高而增加；在常采用的焚硫炉进口空气温度范围内(85115)，温度每提高10产汽率增长为0.230.28t/t；随着进口温度的升高，进口温度由105提高到115时，产汽率增加为0.15t/t。 c在相同的工况条件下，
27、产汽率随着第一省媒器出口炉气温度的提高而下降；在常选用的的第一省媒器出口炉气为180情况下，温度每提高10产汽率下降0.01t/t左右。d在相同的工况条件下，产汽率随着第二省媒器出口炉气温度的提高而下降；在常选用的的第二省媒器出口炉气为160情况下，温度每提高10产汽率下降0.01t/t左右。e产汽率随着中间吸收塔出口炉气温度的升高而增加，温度升高10，产汽率增加0.0050.01t/t，尤其在气浓在9，10时，产汽率增加0.01t/t。f 在相同焚硫炉进口空气温度的条件下，热力学效率随着进气量的减少(转化进口二氧化硫浓度的提高)而提高，热力学效率由浓度每提高1个百分点，热力学效率提高近2；不同焚硫炉进口空气温度对热力学效率有影响，但影响不大。在实际生产过程中，根据上述影响因素，将有关工艺参数进行关联和平衡，使硫磺制酸装置的高中温废热得以有效利用，通过优化提高其热回收效率。引证文献(1条)1.郑平军.安刚 某氦制冷氢液化主体设备的热力学分析期刊论文-低温工程 2010(1)本文链接：http:/
