錢勇 侯明軍 倪劍 周勇 田瑞青 覃小文

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

熱管是20世紀(jì)60年代美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)發(fā)明的一種傳熱元件[1]，通過管內(nèi)工質(zhì)的相變，利用工質(zhì)汽化和冷凝的高潛熱及毛細(xì)抽吸原理，無需外界動(dòng)力就可以實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。熱管冷卻反應(yīng)堆是采用熱管將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至二回路系統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)堆，熱管由蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)組成，熱管傳熱的優(yōu)勢有[2]：1)非能動(dòng)性，不需要用泵驅(qū)動(dòng)；2)傳熱能力強(qiáng)；3)蒸發(fā)和冷凝在通道內(nèi)分開，可以通過單獨(dú)改變換熱面積增減熱流密度；4)傳熱過程壓降、溫降??；5)傳熱系統(tǒng)可靠性高。

2012年，LANL與美國國家航天局的格倫研究中心(GRC)成功開展了熱管冷卻反應(yīng)堆的帶核試驗(yàn)，采用斯特林電機(jī)與熱管冷卻反應(yīng)堆芯實(shí)現(xiàn)帶核發(fā)電，并進(jìn)一步開展了千瓦級(jí)熱管冷卻反應(yīng)堆的運(yùn)行特性研究，證實(shí)了反應(yīng)堆運(yùn)行特性符合預(yù)期[3]。我國在小型核動(dòng)力系統(tǒng)方面的研究起步較晚，目前我國幾家科研單位正在積極開展熱管冷卻反應(yīng)堆的概念設(shè)計(jì)及地面原理樣機(jī)試驗(yàn)研究。熱管冷卻反應(yīng)堆運(yùn)行特性簡單，體積小，重量輕，可長時(shí)間提供可觀的功率，在深空探測與推進(jìn)、深海航行器、陸基核電源等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

1 熱管冷卻反應(yīng)堆熱電轉(zhuǎn)換方式

熱管將反應(yīng)堆的熱量傳遞給二回路后還需要配置相應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。目前常用的有兩種熱電轉(zhuǎn)換方式：

(1)直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，是一種靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式，常見的靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式有溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換、磁流體發(fā)電等。

(2)二回路動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，是一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式，常用的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式包括布雷頓循環(huán)，朗肯循環(huán)和斯特林循環(huán)，二回路動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案是本文討論的重點(diǎn)。不同熱電轉(zhuǎn)換方式性能對(duì)比見表1。

表1 不同熱電轉(zhuǎn)換方式性能對(duì)比(核反應(yīng)堆用)[4～9]Table 1 Property comparison of different heat-electricity conversion modes (used for nuclear reactor)

2 斯特林循環(huán)動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又稱為熱氣機(jī)，是一種外部加熱的封閉式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，具有適用熱源范圍廣、效率高、超發(fā)能力強(qiáng)、噪音低、維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能光熱、原子能、化學(xué)能、生物質(zhì)能等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在熱管冷卻反應(yīng)堆上應(yīng)用時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案如圖1所示。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)依靠外部熱源對(duì)熱膨脹氣缸中的工質(zhì)持續(xù)加熱，使其升溫升壓，推動(dòng)活塞做功。在太陽能光熱應(yīng)用領(lǐng)域，3～30 kW功率等級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已被成功地應(yīng)用于小規(guī)模商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站，其熱電轉(zhuǎn)換效率超過30%；在常規(guī)潛艇上，100 kW功率等級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有相應(yīng)應(yīng)用；在空間核反應(yīng)堆電源應(yīng)用領(lǐng)域，美國LANL研發(fā)的kilopower核電源(見圖2)采用鈉熱管進(jìn)行堆芯冷卻，動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率為25%，輸出電功率為1 kW[10]。從資料看，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成熟可靠，效率較高，但目前使用的功率等級(jí)相對(duì)較小，基本小于100 kW。

圖1 熱管冷卻反應(yīng)堆斯特林動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Figure 1 Stirling power conversion system of heat pipe cooled reactor

圖2 kilopower核電源示意圖Figure 2 Kilopower nuclear power

3 布雷頓動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

布雷頓循環(huán)是一種使用氣體作為工作介質(zhì)的熱力學(xué)循環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備體積小、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行成本低等。由于循環(huán)過程無相變，系統(tǒng)無冷凝器及水處理設(shè)備，輔助系統(tǒng)少。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可采用閉式循環(huán)或開式循環(huán)，廣泛應(yīng)運(yùn)用于核能發(fā)電、艦船發(fā)電系統(tǒng)、余熱利用、化石燃料電廠、太陽能熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、高溫燃料電池、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)等多個(gè)領(lǐng)域。

3.1 閉式布雷頓動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

閉式布雷頓循環(huán)氣體工質(zhì)先后經(jīng)過等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹、等壓冷卻四個(gè)過程實(shí)現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)化，尤其當(dāng)工質(zhì)處于超臨界狀態(tài)時(shí)，避免工質(zhì)相態(tài)改變，減少壓縮功的消耗，系統(tǒng)效率較高[11]，圖3所示為熱管冷卻反應(yīng)堆閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)前的布雷頓循環(huán)功率高于100 kW時(shí)，布雷頓循環(huán)比斯特林循環(huán)具備更小的比重，更適用于大功率反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換[12]。

圖3 熱管冷卻反應(yīng)堆閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)Figure 3 Closed Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

超臨界二氧化碳(S-CO2)與氦氣(He)作為閉式布雷頓循環(huán)的常用工作介質(zhì)，其效率對(duì)比曲線見圖4，從圖中可以看出，在低溫段，S-CO2布雷頓循環(huán)效率明顯高于He布雷頓循環(huán)。國內(nèi)外針對(duì)采用S-CO2、He作為工質(zhì)的地面閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電研究較多，且部分研究單位已完成不同功率等級(jí)樣機(jī)發(fā)電測試[13-14]。美國10 MW等級(jí)S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電設(shè)備見圖5。在空間核電源應(yīng)用領(lǐng)域，為了有效減小管道與換熱器尺寸，降低壓氣機(jī)與透平級(jí)數(shù)[15]，綜合了He與氙(Xe)兩種工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，采用一定配比的He-Xe混合氣體作為循環(huán)工質(zhì)，犧牲一定效率，達(dá)到減小整個(gè)系統(tǒng)尺寸與重量的目的，相關(guān)科研單位正在進(jìn)行理論研究及樣機(jī)研制。

圖4 S-CO2與He布雷頓循環(huán)效率對(duì)比Figure 4 Brayton cycle efficiency comparison between supercritical CO2 and He

圖5 美國10 MW等級(jí)S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電設(shè)備Figure 5 10 MW Brayton cycle power generation device with supercritical CO2 made by US

閉式布雷頓循環(huán)主設(shè)備壓氣機(jī)透平的軸端密封是關(guān)鍵技術(shù)之一。為減小軸端泄漏損失，兆瓦級(jí)以下的布雷頓循環(huán)動(dòng)力裝置一般采用發(fā)電機(jī)中置，兩端分別懸掛壓氣機(jī)、透平葉輪結(jié)構(gòu)，采用氣體箔軸承或電磁軸承等部件整體裝配在一個(gè)完全密閉缸體中的TAC方案，為避免高密度工作介質(zhì)在發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)產(chǎn)生較大的鼓風(fēng)損失，需采用動(dòng)密封使系統(tǒng)形成一個(gè)密閉的低壓腔室，以解決軸承密封、潤滑和冷卻問題，同時(shí)減小鼓風(fēng)損失，但實(shí)際上樣機(jī)測試時(shí)基本都存在泄漏量大、鼓風(fēng)損失嚴(yán)重、機(jī)組出力不足的現(xiàn)象[16]。兆瓦級(jí)以上的布雷頓循環(huán)動(dòng)力裝置軸端密封基本都采用干氣密封，見圖6，其運(yùn)行中面臨S-CO2實(shí)際氣體臨界點(diǎn)附近非線性物性、多相凝結(jié)流動(dòng)和端面摩擦、高溫腐蝕等問題，干氣密封的可靠性對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，需要進(jìn)一步針對(duì)干氣密封進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)突破，特別是高溫應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6 干氣密封示意圖Figure 6 Dry gas seal

3.2 開式布雷頓動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

基于簡單開式布雷頓循環(huán)的熱管反應(yīng)堆系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、固有安全、泄漏風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)[17]。熱管冷卻反應(yīng)堆開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖見圖7。目前國內(nèi)外針對(duì)采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)500 kW等級(jí)、1.5 MW等級(jí)及10 MW等級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程均已建成[18]，中鹽金壇60 MW鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目也即將進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行。開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60 MW等級(jí)透平實(shí)物圖見圖8。國內(nèi)采用常規(guī)補(bǔ)燃、非補(bǔ)燃的空氣布雷頓循環(huán)已實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)由理論研究階段向示范驗(yàn)證階段的突破。

圖7 熱管冷卻反應(yīng)堆開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖Figure 7 Open Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

圖8 開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60 MW等級(jí)透平實(shí)物圖Figure 8 60 MW turbine machine with open Brayton cycle system

據(jù)報(bào)道，美國正與LANL合作開發(fā)名為eVinci的新一代熱管反應(yīng)堆，采用開式布雷頓循環(huán)，電功率0.2～5 MW，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)可采用集裝箱運(yùn)輸，用于山區(qū)、極地礦區(qū)、高原等分散式發(fā)電市場需求。美國地面移動(dòng)核電源示意見圖9[19]。俄羅斯也在實(shí)施小型核電站試點(diǎn)項(xiàng)目，這些模塊化設(shè)備計(jì)劃安裝在重型汽車或雪橇上，首先用于開發(fā)北極任務(wù)。國內(nèi)相關(guān)科研單位也在針對(duì)采用空氣為工作介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)核電源，功率等級(jí)0.2～1 MW，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢，系統(tǒng)壓力相對(duì)較低，沒有密封技術(shù)問題，技術(shù)難度相對(duì)較低。隨著國內(nèi)微型燃機(jī)的技術(shù)突破，氣浮軸承、高速永磁電機(jī)、高效緊湊回?zé)崞餮兄迫〉昧撕艽筮M(jìn)步，將這些技術(shù)應(yīng)用到開式布雷頓循環(huán)地面移動(dòng)核電源二回路具有技術(shù)可行性。Capston公司的微型燃機(jī)典型結(jié)構(gòu)見圖10，開式布雷頓循環(huán)移動(dòng)核電源二回路主設(shè)備與微型燃機(jī)的主要區(qū)別在于沒有燃燒室，熱量來自于反應(yīng)堆，透平入口初溫低于微型燃機(jī)，回?zé)崞骺赡苄枰庵谩?/p>

圖9 美國地面移動(dòng)核電源示意Figure 9 Mobile nuclear power on land made by US

圖10 Capston公司C200型微型燃機(jī)Figure 10 C200 micro gas turbine made by Capston Company

4 朗肯動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

大型核電站均采用朗肯循環(huán)，技術(shù)成熟、可靠，目前關(guān)于微小型核堆的研發(fā)集中在海洋浮動(dòng)平臺(tái)、破冰船、深海航行器等應(yīng)用領(lǐng)域，功率等級(jí)0.2～100 MW。典型的熱管冷卻反應(yīng)堆朗肯循環(huán)系統(tǒng)見圖11。海洋浮動(dòng)平臺(tái)、破冰船機(jī)組功率相對(duì)較大，采用常規(guī)轉(zhuǎn)速，主要需要解決的問題是輕量化、小型化設(shè)計(jì)，考慮傾斜、搖擺、沖擊等各種海洋工況機(jī)組可靠性。深海航行器則對(duì)整個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的體積、重量、集成性、可靠性提出更高要求，同時(shí)對(duì)機(jī)組的海洋工況要求更為苛刻，為了減小汽輪發(fā)電機(jī)組體積，兆瓦級(jí)深海航行器用汽輪發(fā)電機(jī)組，建議采用高速汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直連、軸向排汽結(jié)構(gòu)，減小汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸及重量，同時(shí)可顯著提高機(jī)組效率[20]，如圖12所示。高速汽輪發(fā)電機(jī)組可采用電磁軸承以取消油系統(tǒng)，目前已有相關(guān)科研單位在研制高速磁懸浮蒸汽透平，部分已完成樣機(jī)試驗(yàn)，關(guān)于電磁軸承的海洋工況適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

圖11 熱管冷卻反應(yīng)堆朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖Figure 11 Rankine cycle system of heat pipe cooled reactor

圖12 兆瓦級(jí)軸排汽輪機(jī)示意圖Figure 12 MW level gas turbine with axial exhaust structure

5 結(jié)論

熱管冷卻反應(yīng)堆具有運(yùn)行特性簡單、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，在深空探測與推進(jìn)、深海航行器、陸基核電源等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，其動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配置建議如下：

(1)100 kW功率等級(jí)以下的深空探測與推進(jìn)熱管冷卻反應(yīng)堆建議采用斯特林循環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡單，成熟可靠，循環(huán)效率較高。

(2)100 kW功率等級(jí)以上的深空探測與推進(jìn)熱管冷卻反應(yīng)堆建議采用He-Xe作為循環(huán)工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)，設(shè)備具有比重?。?00 kW功率等級(jí)以上固定陸基核電源建議采用S-CO2作為循環(huán)工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)，其效率最高；0.2～1 MW移動(dòng)陸基核電源建議采用空氣為介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)，技術(shù)相對(duì)成熟，輔助系統(tǒng)簡單。

(3)兆瓦級(jí)深海航行器建議采用朗肯循環(huán)，采用高速汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直連、軸向排汽結(jié)構(gòu)，減小汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸及重量，同時(shí)顯著提高機(jī)組效率。