高温气冷堆核电厂余热利用的热力学研究

摘要

高温气冷堆是一种具有固有安全性的堆型，合理的热力循环是保证其实现高效率的前提。在核能闭式 Brayton循环或氦气/蒸汽联合循环中，预冷器中有大量余热可回收利用，且进入此设备的氦气温度约125℃，在此温度范围内，利用水作为工质回收利用余热的效率低，而低温发电技术正好提供了可行的手段。本课题以高温气冷堆闭式 Brayton循环中预冷器处排放的低温余热为研究对象，以热力学第一、第二定律为基础，构建用于回收核能闭式 Brayton循环低温余热的新型热力学循环，以研究高温气冷堆电厂排放余热的深度利用。
　　本文首先构建了核能闭式 Brayton/ORC联合循环，计算结果表明：在最优的ORC情况下，此联合循环的净输出功、热效率分别为3.1×105kW、52.14％，分别比闭式Brayton循环高1.16×104kW、2.45%；其中，本文以Brayton循环中预冷器的入口温度（398.8K）为热源基础，针对 ORC，以三种不同的优化方式进行优化：一，ORC的单目标优化，以蒸发温度及冷凝温度分别变化的情况下，分析了不同目标函数的性能，结果表明：当冷凝温度不变时，热源出口温度、热效率随着蒸发温度的增加而提高，总不可逆损失则相应减少，而除 R227ea外，其余工质的?效率及输出净功则先增加后降低。当蒸发温度不变时，热源出口温度、热效率、?效率、输出净功以及总不可逆损失都随着冷凝温度的增加而减少。二，ORC的多目标优化，论文针对 R245fa等8种工质，以热效率与?效率组成多目标函数，对于多目标优化能更好的协调各性能指标间的关系，在对蒸发温度及冷凝温度同时优化后发现：存在最佳蒸发温度和冷凝温度。三，ORC的技术经济性优化，分析了蒸发压力和冷凝压力对循环性能的影响，更全面的对循环系统进行分析，在研究工质中，R123的综合目标函数值最小，存在最佳蒸发压力和冷凝压力，且发电成本最低，投资回收期最短，为最佳工质。
　　本文还构建了核能闭式 Brayton/Kalina联合循环，并对此联合循环进行了热力学分析。计算结果表明：在最优的 Kalina循环情况下，此联合循环的净输出功率、热效率分别为3.24×105kW、54.53%，分别比闭式 Brayton循环高2.57×104kW、4.84%，其中，本文以Brayton循环中预冷器的入口温度（398.8K）为热源基础，对不同的优化函数进行了性能分析，表明，提高透平入口工质温度或压力，降低冷凝压力或温度以及提高基础溶液的氨浓度都有利于提高循环的净输出功和热效率。

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主要字符表

1绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和内容

2有机朗肯循环的基本原理

2.1 有机朗肯循环理论分析

2.2 热力学模型分析

2.3 工质的选择

2.4 管壳式换热器的设计

3闭式Brayton/ORC联合循环的性能分析及优化

3.1 闭式Brayton循环的性能分析

3.2 ORC的单目标优化分析

3.3 ORC的多目标优化分析

3.4 ORC的技术经济性优化分析

3.5 闭式Brayton与Brayton/ORC联合循环的性能比较

3.6 本章小结

4闭式Brayton/Kalina联合循环的性能分析

4.1 闭式Brayton循环的性能分析

4.2 氨水混合物的物性分析

4.3 数学模型

4.4 Kalina结果及分析

4.5 闭式Brayton循环与闭式Brayton/Kalina联合循环的性能比较

4.6 本章小节

5结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目