核能闭式Brayton/ORC联合循环的热力学研究

High temperature gas-cooled reactor is a promising reactor type because of its inherent safety. In order to ensure the high efficiency of power plant, suitable thermodynamic cycle should be adopted. This project aims at the waste heat discharged from the intercooler and precooler in Brayton closed-cycle, and constructs the new thermodynamic cycle to recover and utilize this type of energy based on the first and second laws of thermodynamics. Several steps will be taken to finish this project. Firstly, the Brayton closed-cycle/ORC combined cycle is to be proposed. The organic Rankine cycle (ORC), which is embedded in the Brayton closed-cycle, is used to recover the waste heat rejected by the intercooler and precooler in Brayton closed-cycle. Secondly, according to the screening criteria of the working fluid, such as low toxicity, good material compatibility, fluid stability limits, maximum net power output, maximum thermal efficiency, and maximum exergy efficiency and so on, the working fluids used for the Brayton closed-cycle/ORC combined cycle will be selected. On the basis of the research of the pure organic fluids, the thermal properties of organic mixture will be calculated by using the existing mixing rules and the suitable mixture will be recommended. Thirdly, the optimization objective function, in which the net power output, thermal efficiency, exergy efficiency and investment will be taken into account, will be proposed to achieve the system optimization. Fourthly, an experiment will be conducted to confirm the validity of using ORC for recovering the waste heat. This project is meaningful to increase the efficiency of the nuclear power plant, save the nuclear fuel, and reduce the thermal pollution.

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。本项目以高温气冷堆闭式Brayton循环中预冷器和间冷器中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。研究内容包括：通过构建核能闭式Brayton/ORC联合循环，拓展各种先进热力学循环在核能热力循环中的应用；根据工质的筛选原则，推荐适用于联合循环的有机工质，并探索适用于联合循环混合工质；通过合理调控热力学不可逆性在系统部件间的分布，为实现经济运行和节能降耗奠定理论基础，并建立了综合考虑余热利用效率、投资成本等多准则的系统优化目标，拓展热经济性的应用；通过搭建ORC利用余热的实验测试装置，验证利用ORC回收余热的可能性。本项目对于提高核电厂效率并节约核燃料的消耗，减少热污染，具有非常重要的工程意义。

发展核电不仅可以优化能源结构，而且可以减少化石能源大量消费带来的环境污染。高温气冷堆是一种具有固有安全性的堆型，但在高温气冷堆核电厂中预冷器中有大量低温（＜150℃）余热可回收利用，本项目将ORC或Goswami循环与闭式Brayton循环组成联合循环，可以提高电厂效率并节约核燃料的消耗。本项目首先以高温气冷堆闭式Brayton循环中预冷器处排放的低温余热为研究对象，构建Brayton/ORC联合循环，联合循环净输出功和热效率相对闭式Brayton循环都有不同程度的提高，优化工况下，Brayton/ORC联合循环的最高热效率52.14%，相对于闭式Brayton循环提高3.4%。由于超临界有机朗肯循环减少了系统的不可逆性，因此会有较高的效率，本项目在研究了超临界ORC的基础上，在超临界ORC中引入了引射器，证实了引入引射器可以降低超临界ORC系统的泵功，提高系统的效率，而且可以降低系统的不可逆性。其次，本项目编写了氨水混合物的热物性计算程序包，该程序包可计算液相、气相及气液两相氨水混合物的热物性，且精确度较高。接下来，在相同热源背景和外界温度条件下，对Kalina循环及Goswami循环进行了对比分析，从热力学性能、经济性能两个角度出发分析了两个循环的差异，并进行了参数分析和多目标优化。参数分析结果表明：相同热源背景条件及环境条件下，Kalina循环系统输出功率高于Goswami循环，但是系统热效率Goswami循环明显要高于Kalina循环；Kalina循环的系统LEC和系统投资回收周期低于 Goswami循环；如果热源温度高于380K，选用Kalina循环更为合适，但如果电厂中有冷量需求，且热源温度低于380K，则可以考虑使用Goswami循环。最后，本项目构建了核能闭式Brayton/Goswami联合循环，并从热力学性能、经济性能的角度对联合循环进行了参数分析、单目标优化及多目标优化。以系统最大净输出功率为单目标进行优化，获得的系统最大输出功率为284.39MW，比闭式Brayton循环提升了2.70%；以系统最大热效率为单目标进行优化，获得的系统最大热效率为47.91%，比闭式Brayton循环提高了2.81%。闭式Brayton/Goswami联合循环的LEC比闭式Brayton循环降低0.71%，投资回收年限比闭式Brayton循环降低0.3%。