【正文】 程?，F(xiàn)在，商用球床堆堆芯出口溫度的設(shè)計(jì)值一般定為900℃，將來(lái)隨著高溫堆技術(shù)的發(fā)展會(huì)進(jìn)一步提高。在其他條件不變的情況下，循環(huán)效率隨著循環(huán)溫比的增大而增大?！?、壓氣機(jī)效率和循環(huán)總壓損對(duì)循環(huán)效率的影響。但是每一個(gè)冷卻器都需要進(jìn)排氣管道，管道系統(tǒng)將變得龐大，此外，進(jìn)氣和排氣帶來(lái)的總壓損失也大。我們假設(shè)高、低壓壓氣機(jī)壓比和效率都相等，那么從以上對(duì)理想氣體和實(shí)際氣體循環(huán)的分析，再根據(jù)氦氣的性質(zhì)及換熱理論可得高溫氣冷堆氦氣輪機(jī)循環(huán)的效率和功的表達(dá)式: () ()對(duì)于實(shí)際循環(huán)存在這樣的增壓比:在這個(gè)增壓比下保證發(fā)動(dòng)機(jī)的最高有效效率最大，也存在保證循環(huán)功最大的增壓比。隨回?zé)崞鳌㈩A(yù)冷器、反應(yīng)堆壓力保持系數(shù)的增加而減小。對(duì)高溫氣冷堆中典型的循環(huán)方案的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和分析。 第4章 動(dòng)態(tài)分析求解氦氣輪機(jī)全工況問(wèn)題首先要涉及部件特性和負(fù)荷特性的描述,繪制相關(guān)的通用特性線。，在最初階段，壓氣機(jī)的壓比隨流量的減少而增加，直到某一流量時(shí),壓比達(dá)到一個(gè)最大值；此后，隨著流量進(jìn)一步減小，壓比將不斷降低。 當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到某一個(gè)值以后，壓氣機(jī)就不能繼續(xù)穩(wěn)定的工作。它表示：位于喘振邊界線右側(cè)的任何工況點(diǎn)都可以穩(wěn)定工作，在喘振線的左側(cè)工作點(diǎn)都不能穩(wěn)定工作。在變負(fù)荷過(guò)程中，由于設(shè)備調(diào)節(jié)方法的限制，參數(shù)的變化曲線可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)值。前兩種方法需要葉柵或壓氣機(jī)級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)難于從公開(kāi)發(fā)表的刊物中獲得。整臺(tái)壓氣機(jī)特性的綜合規(guī)律法通常有兩種方式：一是曲線擬合法, 對(duì)于實(shí)測(cè)得到的特定部件特性, 總可以找到一個(gè)回歸函數(shù)來(lái)表示這個(gè)復(fù)雜的關(guān)系, 而且有足夠的精度?，F(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)方法基本思路為首先按統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算各轉(zhuǎn)速下最佳效率點(diǎn)的參數(shù), 再沿等轉(zhuǎn)速線擴(kuò)展, 求各轉(zhuǎn)速下的流量——壓比的關(guān)系, 最后確定喘振邊界和堵塞條件。估算的精度很大程度上取決于待估壓氣機(jī)與統(tǒng)計(jì)用的壓氣機(jī)的相似程度。 以壓比和折合轉(zhuǎn)速為自變量，折合流量和效率可表達(dá)為如下的函數(shù)形式： 用matlab進(jìn)行模擬之后可以得到壓氣機(jī)的特性線及計(jì)算公式: 設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)特性線 膨脹比隨折合轉(zhuǎn)速的變化 效率隨折合轉(zhuǎn)速的變化 1，選定T4/T1 2，在壓氣機(jī)特性在線找5個(gè) 點(diǎn) 3，找出對(duì)應(yīng)的, 4，計(jì)算 5，計(jì)算 6， 7，通過(guò)相對(duì)應(yīng)的渦輪特性線找到渦輪的膨脹比和效率。 14，由負(fù)荷特性得出Nl——nt曲線。而且要知道整個(gè)核電站的動(dòng)態(tài)工程。模塊的重要特征是抽象和信息隱蔽。模塊的獨(dú)立性可以用兩個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)聚度和耦合性）來(lái)衡量。內(nèi)聚度表示一個(gè)模塊內(nèi)部的各個(gè)元素之間結(jié)合的緊密程度，是衡量一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)組成部分間的整體統(tǒng)一性，是信息隱蔽自然擴(kuò)展。模塊化建模的研究?jī)?nèi)容包括：對(duì)需要研究對(duì)象進(jìn)行合理的模塊化分解，建立系統(tǒng)模型并建立模塊模型庫(kù)。 （3）靈活性：對(duì)于組成不同的系統(tǒng)，可以選擇相應(yīng)的模塊組成系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，而不用重新編寫(xiě)程序。 （7）容易提高運(yùn)行效率：采用模塊結(jié)構(gòu)后，可以對(duì)不同的子系統(tǒng)使用不同的仿真算法，提高運(yùn)行效率。： （1）模塊的分解 （2）模塊之間的層次關(guān)系和耦合關(guān)系的處理。因此分別對(duì)氦氣空腔列寫(xiě)能量方程、連續(xù)性方程和能量方程。 根據(jù)式（）和（）整理可得溫度變化關(guān)系式為 ： () 因?yàn)楹馔ㄟ^(guò)底部氦氣冷卻劑空腔時(shí)，有部分氦氣會(huì)通過(guò)堆芯底部的燃料泄料管和石墨間隙泄漏出去，所以要有關(guān)于流量分配的方程來(lái)表示，公式為: () 其中:β －堆芯氦氣泄漏率； －氦氣泄漏的質(zhì)量流量，kg/s。冷卻劑流道特點(diǎn)是: 流道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流道直徑；與側(cè)反射層有緊密的傳熱關(guān)系。 －冷卻劑流道出口氣體密度， kg/ m3 －冷卻劑流道出口氣體質(zhì)量流量，kg/s； －冷卻劑流道出口氣體溫度，K； －對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2﹒K)。燃料區(qū)內(nèi)充滿(mǎn)具有一定空隙率的均勻固體介質(zhì),而氦氣簡(jiǎn)單的認(rèn)為是從一個(gè)具有均勻空隙率的固相介質(zhì)中流過(guò),在方程中引入體積空隙率來(lái)描述；由于主要分析反應(yīng)堆在正常功率運(yùn)行范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性, 因此堆芯固相區(qū)的邊界到碳磚絕熱層為止。燃料區(qū)和反射層溫度分布相對(duì)比較均勻,這是由于氦氣流量和堆芯功率分布比較均勻。 －球床堆芯出口氣體壓力，Pa； －球床空隙率； 根據(jù)式（）和（）整理可得堆芯氦氣溫度變化關(guān)系式為： ()球床堆芯氣室模塊的輸入?yún)?shù)為進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度、球床燃料區(qū)溫度Tc和出口流量；輸出參數(shù)為出口壓力、出口溫度和堆芯氦氣與球床燃料區(qū)固體表面的換熱系數(shù) 。 球床反射層模塊輸入、輸出參數(shù) 氦氣出口聯(lián)箱模塊 由于氦氣聯(lián)箱的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)的氦氣流動(dòng)非常復(fù)雜, 而且我們對(duì)氦氣在熱氦氣聯(lián)箱內(nèi)的詳細(xì)流動(dòng)過(guò)程不關(guān)心。 －氦氣出口聯(lián)箱出口氣體密度，kg/ m3。方程為： () () ()其中 ρ －燃料的反應(yīng)性； β －有效緩發(fā)中子所占的比例； Λ－中子一代時(shí)間，s； －衰變常數(shù)，1/s； －緩發(fā)先行核濃度。 點(diǎn)中子反應(yīng)堆模塊輸入、輸出參數(shù) 純阻性環(huán)節(jié)模塊 他是具有一定阻性的流動(dòng)連接部分，這里需要考慮壓力和摩擦力，進(jìn)出口流量的差值認(rèn)為很小，可以忽略，就可以用一個(gè)集總參數(shù)流量G表示平均流量。 阻性模塊輸入、輸出參數(shù) 壓氣機(jī)模塊壓氣機(jī)是軸流式壓氣機(jī)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算時(shí)，給定了氦氣初始條件（要求所達(dá)到的氦氣流量、壓氣機(jī)增壓比，以及期望達(dá)到的壓氣機(jī)效率）。 本文中的高壓壓氣機(jī)和低壓壓氣機(jī)均假設(shè)符合下述要求： （1） 雷諾數(shù)處在自?；瘏^(qū)域； （2） 被壓縮氣體的物理常數(shù)； （3） 壓氣機(jī)進(jìn)、出口截面均存在穩(wěn)定的氣流或不變的速度場(chǎng)； （4） 壓氣機(jī)各個(gè)部件的稽核尺寸和表面狀況都不改變。 換熱器模塊中冷、回?zé)岷廨啓C(jī)的中冷器和回?zé)崞鞑捎媚媪靼宄崾綋Q熱器模型。 換熱器輸入輸出參數(shù) 渦輪模塊 渦輪和壓氣機(jī)有著類(lèi)似的流量特性和效率特性，它的熱力參數(shù)可用壓氣機(jī)模塊類(lèi)似的方法來(lái)求得。： 分析了氦氣透平系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程。反應(yīng)堆入口溫度升高及功率增加,使反應(yīng)堆出口溫度隨之提高。所以，需要由電網(wǎng)提供部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)循環(huán)，發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)的電功率為負(fù)值。 相對(duì)堆功率與壓氣機(jī)壓力的關(guān)系 相對(duì)堆功率與相對(duì)電功率和相對(duì)流量的關(guān)系 啟動(dòng)的第2階段為自動(dòng)控制調(diào)節(jié)階段。系統(tǒng)的壓力隨功率的增加而增加，這受氦氣溫度升高的因素的影響很小，主要原因是充填了更多的氦氣 ( ) 。兩種擾動(dòng)工況為： 1. 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)工況下，堆芯氦氣進(jìn)口流量突然上升5％，其他參數(shù)不變； 2. 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)工況下，堆芯氦氣進(jìn)口溫度突然上升5％，其他參數(shù)不變； ——。球床溫度的變化值大于反射層溫度的變化值，而且球床的溫度負(fù)反應(yīng)性系數(shù)大于反射層的溫度負(fù)反應(yīng)性系數(shù)，所以反應(yīng)堆的功率是呈上升趨勢(shì)的，用來(lái)補(bǔ)償球床和反射層溫度的降低。 氦氣出口溫度變化曲線 球床溫度變化曲線 反射層溫度變化曲線 氦氣出口壓力變化曲線 壓比變化曲線 膨脹比變化曲線 回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口溫度變化曲線 ，100s后階躍上升，其他參數(shù)保持不變。一方面由于球床溫度負(fù)反應(yīng)性作用，球床溫度的升高會(huì)使反應(yīng)堆功率降低；另一方面反射層溫度的升高會(huì)引起反應(yīng)堆功率的上升，兩者溫度變化值相差不大，但球床溫度的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)大于反射層溫度的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)，所以反應(yīng)堆的功率呈下降趨勢(shì)，反應(yīng)堆功率會(huì)降低到某一確定值，以此來(lái)降低球床和反射層的溫度，保證球床溫度不會(huì)一直上升，這樣就不會(huì)發(fā)生超溫事故。并對(duì)啟動(dòng)和一些動(dòng)態(tài)變化做了仿真模擬。通過(guò)以上三方面的工作，得到的以下主要結(jié)論： 1．在高溫氣冷堆氣體透平循環(huán)的不同工質(zhì)特性分析中，氦氣作為工質(zhì)時(shí)，有很好的化學(xué)惰性而且壓力損失小；但它的傳熱系數(shù)低于二氧化碳，而且等熵指數(shù)大，難于壓縮，這使壓氣機(jī)和渦輪需要很多級(jí)，給制造和運(yùn)行安全帶來(lái)影響；用氮?dú)饣蚨趸甲鳛楣べ|(zhì)時(shí)，它們的傳熱系數(shù)較高，所以壓氣機(jī)、渦輪需要的級(jí)數(shù)少，但其壓力損失比較大，使效率降低。 參考文獻(xiàn)[1] [J].核科學(xué)。3．通過(guò)對(duì)高溫氣冷堆動(dòng)態(tài)仿真模型仿真計(jì)算和分析，結(jié)果表明：當(dāng)氦氣流量增加時(shí)，反應(yīng)堆功率隨之上升，氦氣出口溫度降低；當(dāng)堆芯進(jìn)口溫度上升時(shí)，反應(yīng)堆功率隨之下降，氦氣出口溫度隨著上升。而且它采用中間冷卻和回?zé)岬燃夹g(shù)提高效率，從而成為了研究高溫氣冷堆高效率發(fā)電重要方向。和上節(jié)一樣。在流量保持不變情況下，初始階段由于球形燃料元件表面與氦氣的換熱系數(shù)不改變，所以堆芯氦氣進(jìn)口溫度的階躍上升會(huì)使氦氣出口溫度驟然升高。各參數(shù)值呈現(xiàn)波動(dòng)并逐漸收斂，最后趨于穩(wěn)定，這是由球床中的燃料、石墨慢化劑和反射層的溫度負(fù)反應(yīng)性的反饋?zhàn)饔靡鸬?。堆芯進(jìn)口氦氣流量的增加會(huì)提高換熱過(guò)程中的對(duì)流換熱系數(shù)，從而使球床和反射層溫度降低。 相對(duì)堆功率與溫度的關(guān)系 相對(duì)堆功率與壓力的關(guān)系 相對(duì)堆功率與相對(duì)電功率和相對(duì)流量的關(guān)系/% 動(dòng)態(tài)仿真 在高溫氣冷堆氣體透平循環(huán)電廠實(shí)際工作過(guò)程中，一定會(huì)受到外界擾動(dòng)（如壓氣機(jī)流量的增加和堆芯進(jìn)口溫度的上升等）的影響，不可能一直保持在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)工作。在這一階段，為了滿(mǎn)足反應(yīng)堆安全的要求，保持反應(yīng)堆入口溫度在579℃不變 () 。當(dāng)渦輪產(chǎn)生的功率超過(guò)壓氣機(jī)消耗的功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)的電功率變?yōu)檎?，并隨反應(yīng)堆的功 相對(duì)堆功率與堆芯進(jìn)出口溫度關(guān)系率升高而升高( )在氦氣渦輪的整個(gè)運(yùn)行階段，為保持狀態(tài)的穩(wěn)定及主軸轉(zhuǎn)速不變。高壓壓氣機(jī)的出口壓力由初始時(shí)的常壓升至36％。堆功率在36％～100％額定功率時(shí)——第2階段 。渦輪模塊與壓氣機(jī)模型結(jié)構(gòu)相似，所以在EASY5中的建模過(guò)程與壓氣機(jī)也大體相似。輸入量：冷、熱流體的進(jìn)口流量、和溫度、出口壓力、和換熱器幾何參數(shù)Geo；輸出量：出口流量、溫度， 和進(jìn)口壓力。利用特性圖插值關(guān)系，算進(jìn)出口焓、輸出功和進(jìn)口流量。壓氣機(jī)的非線性，應(yīng)用其特性曲線進(jìn)行建模是一個(gè)非常有效的方法。 出口流體的溫度可認(rèn)為等于進(jìn)口溫度。 在這個(gè)模型中，反應(yīng)性反饋可以表示為球床堆芯和反射層平均溫度的方程，式()變?yōu)椋? () 其中 －燃料溫度反應(yīng)性系數(shù)； －燃料區(qū)石墨慢化劑溫度反應(yīng)性系數(shù)； －反射層石墨溫度反應(yīng)性系數(shù)；－球床參考溫度，K； －反射層參考溫度，K。 根據(jù)式（）和（）整理可得 : ()堆芯氦氣出口聯(lián)箱輸入?yún)?shù)為氦氣進(jìn)口流量、漏量和堆芯氦氣進(jìn)口溫度，輸出參數(shù)為氦氣出口壓力和出口溫度。對(duì)出口熱氦氣聯(lián)箱分別列寫(xiě)質(zhì)量連續(xù)性方程，能量方程和能量方程, 出口壓力與入口壓力相同。 －反射層石墨的定容比熱，J/(m3﹒K)。另外由于球床體積非常大,氦氣的可壓縮性不可以忽略,要考慮氦氣流動(dòng)和溫度變化時(shí)的容積延遲。由于工藝設(shè)計(jì)上采取了措施,所以堆內(nèi)氦氣流量在主要流動(dòng)區(qū)(除去底部的泄料管)內(nèi)時(shí)分布比較均勻；氦氣溫度的軸向分布近似線性增加, 徑向分布近似均勻。 反射層冷卻劑流道輸入、輸出參數(shù) 球床堆芯氣室模塊 日本300MW高溫氣冷堆設(shè)計(jì): 堆芯球床呈圓柱狀對(duì)稱(chēng),底部是圓錐形, 直徑和體積都比較小,；燃料元件采用隨機(jī)堆放并多次通過(guò)堆芯的方式，這使堆芯功率密度的分布比較均勻,而且在正常功率運(yùn)行范圍內(nèi)堆芯功率密度分布基本不變。因?yàn)榱鞯澜孛娣e很小, 流道里的氦氣流動(dòng)速度相對(duì)比較快,而且流道長(zhǎng)度比較短,它引起的延遲時(shí)間比其他環(huán)節(jié)小10倍以上,所以將純延遲合并在其他環(huán)節(jié)里一起處理, 即使忽略也不會(huì)引起很大誤差。 堆芯氦氣底部空腔輸入、輸出參數(shù) 側(cè)反射層氦冷卻劑流道模塊 側(cè)反射層冷卻劑流道不僅為冷卻氦氣提供流動(dòng)的通道, 而且對(duì)包含流道的側(cè)反射層進(jìn)行冷卻。 －空腔出口氣體密度，kg/ m3。 堆芯底部空腔模塊 堆芯底部的氦氣空腔是氦氣的入口,它與堆芯固相物質(zhì)的傳熱作用可以忽略。模塊化建模中的一個(gè)重要思想是建立可重復(fù)利用的模塊，并在后續(xù)工作中反復(fù)利用。 （5）可擴(kuò)展性：如果模塊庫(kù)中未能提供對(duì)應(yīng)于某些物理部件的模塊，可以非常容易地建立新的模塊加入模塊庫(kù)中。如果模塊仍然很復(fù)雜，可以進(jìn)一步分解為更小的模塊，主要是讓復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。模塊化建模就是把研究對(duì)象合理地劃分成為若干個(gè)相互聯(lián)系的組成部分，每個(gè)組成部分都用一個(gè)模塊表示，把這些不同模塊按照一定關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，就構(gòu)成了研究對(duì)象的模型。模塊間的耦合性越弱，模塊之間的聯(lián)系就越少，模塊的獨(dú)立性就越強(qiáng)。信息隱蔽指一個(gè)模塊內(nèi)所包含的信息不允許不需要這些信息的模塊訪問(wèn)，結(jié)果是不