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高温气冷堆气体透平循环分析及堆芯动态仿真研究

作　者: 张剑城
导　师: 张会生
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 高温气冷堆气体透平循环性能分析模块化建模动态仿真
分类号: TL424
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高温气冷堆作为第四代核反应堆六种先进堆型之一,是一种技术先进、安全性好、用途广泛、有发展前景的反应堆,将其与气体透平相结合,构成高温气冷堆气体透平循环,利用高温气冷堆产生的750-950℃的高温气体直接进入透平进行清洁高效发电,能够突破蒸汽循环的温度限制,并采用中间冷却和回热等技术提高效率,从而成为研究高温气冷堆高效率发电的一个重要方向。本文主要做了以下几方面的工作:对氦气、氮气和二氧化碳三种工质及它们以不同比例混合的工质热物性作了比较,进而对其在高温气冷堆闭式布雷顿循环中的传热性能、压力损失和透平机械所需级数进行分析。以带有回热器、中间冷却器和预冷器的高温气冷堆直接气体透平循环为研究对象,比较了高温气冷堆气体透平循环在采用氦气、氮气和二氧化碳及不同比例混合物作为工质时的循环效率,并对不同参数(如透平进口温度、压损率、回热度等)变化对循环效率的影响进行了研究。在对高温气冷堆气体透平循环理论分析的基础上,为了研究高温气冷堆的动态特性,建立了高温气冷堆集总参数的数学模型;根据高温气冷堆的工作流程,运用模块化建模方法,在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了高温气冷堆的模块化动态仿真模型;针对典型动态阶跃变化,进行了高温气冷堆各主要运行参数的动态响应特性的仿真分析。本文所作的工作为高温气冷堆气体透平循环在工质选择方面提供了一定的参考,对高温气冷堆的动态特性进行了初步预测,为高温气冷堆的设计和控制系统的研究奠定了基础,并且为以后进行高温气冷堆气体透平循环动态性能研究打下了基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-19
  1.1 研究背景和意义  12
  1.2 高温气冷堆的特点  12-13
  1.3 国内外的研究现状  13-17
    1.3.1 国外高温气冷堆的研究现状  13-15
    1.3.2 国内高温气冷堆的研究现状  15-16
    1.3.3 国内外关于高温气冷堆气体透平循环的工质选择的研究现状  16-17
    1.3.4 国内外关于高温气冷堆动态模型的研究现状  17
  1.4 本文的主要工作和内容  17-19
第二章高温气冷堆气体透平循环的不同工质特性分析  19-29
  2.1 引言  19
  2.2 工质各特性的计算方法  19-22
    2.2.1 工质的热物性  19
    2.2.2 高温气冷堆气体透平循环中的传热系数  19-20
    2.2.3 高温气冷堆气体透平循环中的压损  20-21
    2.2.4 载荷系数  21-22
  2.3 工质各特性的比较  22-27
    2.3.1 工质热物性比较结果  22-25
    2.3.2 传热系数、压损和透平机械所需级数的比较结果  25-27
  2.4 本章小结  27-29
第三章高温气冷堆气体透平循环性能分析  29-49
  3.1 引言  29
  3.2 高温气冷堆气体透平循环的分类  29-31
    3.2.1 高温气冷堆气体直接透平循环  29-31
    3.2.2 高温气冷堆气体间接透平循环  31
  3.3 布雷顿循环分析  31-33
    3.3.1 理想布雷顿循环  31-33
    3.3.2 实际循环  33
  3.4 循环部件分析  33-36
    3.4.1 压缩机压缩过程  33-34
    3.4.2 透平膨胀过程  34-35
    3.4.3 回热过程  35
    3.4.4 循环效率计算  35-36
  3.5 变比热计算  36-37
  3.6 高温气冷堆气体透平循环的影响因素  37-47
    3.6.1 工质种类对透平循环性能的影响  37-42
    3.6.2 透平进口温度对透平循环性能的影响  42-43
    3.6.3 循环压损率对透平循环性能的影响  43
    3.6.4 透平效率和压气机效率对透平循环性能的影响  43-44
    3.6.5 回热器回热度对透平循环性能的影响  44
    3.6.6 回热器高压侧出口温度对循环性能的影响  44-47
  3.7 本章小结  47-49
第四章高温气冷堆动态建模  49-68
  4.1 引言  49
  4.2 HTR-10 结构和设计参数  49-52
  4.3 高温气冷堆系统仿真模块库  52-63
    4.3.1 模块化建模  53-54
    4.3.2 堆芯底部空腔模块  54-55
    4.3.3 侧反射层氦冷却剂流道模块  55-56
    4.3.4 顶部氦气联箱模块  56-57
    4.3.5 球床堆芯气室模块  57-58
    4.3.6 球床燃料区模块  58-59
    4.3.7 球床反射层模块  59-60
    4.3.8 氦气出口联箱模块  60-61
    4.3.9 点中子反应堆模块  61-62
    4.3.10 纯阻性环节模块  62-63
  4.4 模型参数和计算公式  63-66
    4.4.1 球形燃料元件表面换热系数  63-64
    4.4.2 球床堆芯的阻力损失  64
    4.4.3 侧反射层冷却剂流道的换热系数  64-65
    4.4.4 氦气热物理特性  65
    4.4.5 球床的平均热导率和定容比热  65-66
    4.4.6 反射层的平均热导率和定容比热  66
  4.5 高温气冷堆的动态仿真模型  66-67
  4.6 本章小结  67-68
第五章高温气冷堆动态特性分析  68-80
  5.1 引言  68
  5.2 稳态仿真  68
  5.3 动态仿真  68-79
    5.3.1 氦气进口流量上升 5%的动态特性  69-73
    5.3.2 氦气进口温度上升 5%的动态特性  73-76
    5.3.3 控制棒反应性输入增加0.05 dollar 的动态特性  76-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章结论和展望  80-82
  6.1 结论  80-81
  6.2 展望  81-82
参考文献  82-86
致谢  86-87
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高温气冷堆气体透平循环分析及堆芯动态仿真研究

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