1、1南 京 理 工 大 学新能源技术课程报告姓 名 x学 号：x学院 (系 ): 自动化学院专 业 : x题 目 : 中国高温气冷堆项目组 别 x任课教师 x硕士导师 x22017 年 12 月 28 号中国高温气冷堆项目赵仲祥摘要：高温气冷堆（HTGR）具有固有安全特性，该类型气冷堆被认为是未来最具有代表性的先进核能系统。中国在 HTR-10 实验成功的经验上，对高温气冷堆进行了长时间的运行和安全演示测试。经过长时间的运行试验，验证了 HTR-10 的操作程序和控制方法是正确、适合的；安全示范试验也表明了 HTR-10 具有很大的安全性。于此同时，中国又推出了两个新的核能项目，来进一步研发HT
2、GR 技术。一个是原型模块化工厂 HTR-PM，用来验证 HTGR 电厂的商业能力。 HTR-PM 由 2个 250MWt 的球形床芯组成，并使用蒸汽涡轮发电机作为能量转换系统。另一个是与 HTR-10 耦合的气轮发电机系统 HTR-10GT，用来验证 HTGR 燃气轮机技术的可行性。关键词： 高温气冷堆；球床式高温气冷堆；高温气冷堆氦气透平发电系统；氦气涡轮机HTGR PROJECTS IN CHINAZHAO Zhong-xiangABSTRACT：The High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) possesses inherent safet
3、y features and is recognized as a representative advanced nuclear system for the future. Based on the success of the HTR-10, the long-time operation test and safety demonstration tests were carried out. The long-time operation test verifies that the operation procedure and control method are appropr
4、iate for the HTR-10 and the safety demonstration test shows that the HTR-10 possesses inherent safety features with a great margin. Meanwhile, two new projects have been recently launched to further develop HTGR technology. One is a prototype modular plant, denoted as HTR-PM, to demonstrate the comm
5、ercial capability of the HTGR power plant. The HTR-PM is designed as 2X250 MWt, pebble bed core with a steam turbine generator that serves as an energy conversion system. The other is a gas turbine generator system coupled with the HTR-10, denoted as HTR-10GT, built to demonstrate the feasibility of
6、 the HTGR gas turbine technology.KEYWORDS： HTGR, HTR-PM, HTR-10GT, Helium -Gas Turbine1 引言高温气冷堆 1-2（HTGR）是一种利用石墨作为慢化剂氦气作为冷却的反应堆，它的燃料是带有陶瓷涂层的燃料颗粒（TRISO 燃料颗粒）。 高温气冷堆具有固有的安全特性，并且有望应用于高效率发电场所，制氢等各种工业领域。同时它也被认为是未来最具代表性的先进核系统。2006 年初，中国发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 - 2020 年） ，宣布计划加快 16 项关键技术的研究步伐，包括重水堆（PWR）和高温
7、气冷堆。中国的 HTGR 技术的研究和开发已经持续了几十年。在经过最初的基础性研究后，中国于 1992 年启动了 10MW 高温气冷试验堆（HTR-10）项目，该高温气冷堆建于清华大学核能与新能源技术研究院（INET） 3,5。该系统如图 1 所示。3图 1 HTR-10 主系统的布局该项目在 2000 年达到了第一个临界点，并于2003 年开始全功率运行。在 HTR-10 实验成功的基础上，中国又对 HTR-10 气冷堆进行了长时间的运行和安全实验测试，以记录其运行经验并验证其固有的安全特性。与此同时，又推出了两个新项目，以进一步开发 HTGR 技术。一个是原型模块化工厂 HTR-PM，以证
8、明HTGR 电厂的商业能力。另一种是与 HTR-10耦合的燃气涡轮发电机系统 HTR-10GT，以证明 HTGR 燃气轮机技术的可行性 4,6,7-9。2 HTR-10 测试2.1 运行测试在 2003 年初，在 HTR-10 可以进行全电力运行后，又进行了长时间的运行试验。一般情况下，HTR-10 只用于向电网提供电力。然而，在冬天 HTR-10 既需要向电网提供电能又需要为特定区域供热，所以在经过长时间的连续运行后，整个系统和主要部件都需要进行检查。但是检查结果表明所有检测数据均低于安全值，燃料元件，控制棒系统，硼球系统，蒸汽发生器，氦气循环器等装卸系统的各子系统和主要部件处于正确的工作状
9、态。 因此可以得出结论，运行使用的操作程序和控制方法适用于 HTR-10。图 2 总结了 2006 年 HTR-10 的运行记录，反应堆一共运行了 97 天，反应堆功率达到458.2 MWD。 除了 INET 校区的集中供热外，HTR-10 还为电网提供了 660MWh 的电力。图 2 2006 年 HTR-10 运行记录2.2 安全测试在此基础上又对 HTR-10 进行了一系列安全测试，以验证并表明 HTR-10 的固有安全特性。 试验包括控制棒系统，氦气循环器，防止一次回路反向自然循环的截止阀，二次回路主泵，以及余热排出系统等的假设性事故。所有的试验结果都显示与安全相关数据都低于有限值，并
10、且有很大的安全裕度。在这些试验中，最重要的是在 HTR-10 的全功率运行条件下，氦气循环器停止工作，而无需急停瞬变（ATWS）情况下的测试。该测试在 2005 年 7 月 7 日下午 4 点进行。HTR-10在 10MW 的全功率水平上运行。测试首先关闭氦气循环器的电源。然后停止循环器，关闭截止阀。此时主系统的流量急剧减少，保护系统将给反应堆停堆传输信号。二级系统立即与主系统分离，此时控制杆被锁定，无法插入核心。但是即使在这些条件下，反应堆也可以自动降低功率，最终通过负反馈特性（负温度系数）达到其临界值。在这个过程中，所有与安全相关的变量都处于有限的价值范围之内。该测试表明 HTR-10 具
11、有优良的固有安全特性。图 3说明了测试的过程。4图 3 HTR-10 在 10 MW 运行条件下停止循环器和锁定杆的 ATWS 测试3 球床式高温气冷堆项目3.1 总体规划目前基于 HTR-10 的技术经验的球床式模块化高温气冷堆项目目正在进行建设。HTR-PM 的标准化设计工作于 2004 年初开始，计划于 2007 年中完成。同时，HTR-PM 示范工厂的选址位于山东省。实际现场参数和 HTR-PM 标准设计包括 HTR-PM 示范装置的初步设计。 并且 HTR-PM 示范工厂的建设预定于 2008 年开始，计划于 2012 年完成。3.2 球床式高温气冷堆设计HTR-PM 项目的主要设计
12、理念是安全，标准化，经济和成熟。由于 HTR-PM 要在安全性和经济性之间的优化和平衡，因此 HTR-PM 的主要技术特征可简洁地描述为具有传统蒸汽轮机的球床堆芯。图 4 给出了 HTR-PM 反应器的主要系统的草图。图 4 HTR-PM 的主要系统3.3 发电系统HTR-PM 示范工厂将基于已经验证的发电技术，并采用成熟的亚临界蒸汽轮机。这些蒸汽轮机已经在燃煤电厂证明可以用于发电系统。建立示范电厂的目的是为了展示反应堆本身的可行性和成熟度，核岛与常规岛之间的连接技术，以及未来新的发电系统的可采性。 正在考虑建立的新发电系统将包括连接两个反应堆模块的涡轮机，并且采用超临界汽轮机以及超超临界汽轮
13、机。而所有的这些选择都取决于中国最先进的和成熟的风机技术。4 高温气冷堆氦气透平发电系统4.1 简介HTR-10GT 项目最初的基本设计是由清华大学核能与新能源技术研究院（INET）和国家企业 Afrikantov，俄罗斯机械工程实验设计局（OKBM ）共同完成。 INET 主要负责工程设计，构件研发和关键技术研究 10。4.2 设计特点HTR-10 一次系统的布置如图 1 所示。左侧压力容器包含反应堆堆芯和右侧蒸汽发生器和氦循环器，它们通过水平热气管道压力容器连接。HTR-10GT 项目将拆除右侧蒸汽发生器的原有压力容器，并安装新的含有氦气透平和发生器的压力容器。 新压力容器被称为功率转换容
14、器（PCV ） ，其作用是将堆芯能量转换为电能。涡轮压缩机和发电机由主动磁轴承系统支撑，以防止主系统中的润滑油污染。 涡轮压缩机周围安装有各种换热器。HTR-10GT 的氦气流程图如图 5 所示。高温高压堆芯中的氦气在涡轮机中膨胀，并与压缩机和发电机一起驱动涡轮机。 排出的氦气进入换热器，从压缩机出口加热另一侧的氦气。 然后在预冷器中进一步冷却氦，并通过具有中间冷却的两阶段压缩过程将其加压至高压。 如上所述，高压氦气通过换热器的另一侧进行预热，然后进入反应堆堆芯进行加热，从而完成布雷顿循环。5图 5 HTR-10GT 的流程图4.3 组件研发在动力转换容器内，主要部件可分为两组。一种是包含涡轮
15、压缩机、变速箱和发电机的旋转组，其中涡轮压缩机和发电机由主动磁轴承系统支承。另一个组包括换热器、压力容器、金属制品、阀门、渗透、等部件，这些都在研发中。在这些部件中，涡轮压缩机是最重要的，并带来许多技术难题 11-12。4.4 涡轮压缩机涡轮压缩机包含三个部件：涡轮机，低压压缩机（LPC）和高压压缩机（HPC） 。 如图6 所示，压缩机和涡轮垂直布置在动力转换容器的下腔中。从下到上，涡轮压缩机由下主动磁轴承和捕集器轴承，低压压缩机，高压压缩机， 涡轮，缓冲密封装置，修理密封装置，上主动磁轴承和捕手轴承组成。 在涡轮压缩机轴的顶部，使用柔性联轴器连接减速齿轮箱，并在涡轮压缩机和发电机之间传递扭矩
16、。氦涡轮压缩机的主要特点是比燃烧涡轮压缩机具有更低的压缩比和膨胀比，更多的级数以及更高的转速。 氦涡轮压缩机的设计和燃烧涡轮汽轮机相比一个重要特征是其具有大的轮毂直径和较短的叶片高度。 表 1 总结了涡轮压缩机的基本参数。图 6 HTR-10GT 的涡轮压缩机表 1 涡轮压缩机的基本参数设计参数（单位） 数值转子重量（kg） 6.128转子长度(mm) 613径向转动惯量(kg m 2) 0.148极惯性矩(kg m 2) 0.00379气隙 (mm) 0.4线圈(n) 300杆面积(mm 2) 320电感(mH) 45.2中国已经建造了一个封闭的空气或氦气空气动力学试验设施来验证压缩机的设计
17、的正确性。 测试设备是由空气和氦气储罐，干燥器，流量调节阀，膜式压缩机，燃气加热器和冷却系统，压力调节系统，测试部分，减速齿轮箱，电机 ，以及一个控制系统组成，如图 7 所示。用膜式压缩机对氦气或空气加压，将测试叶片或压缩机放在被测试部分。 叶片或压缩机由电机通过变速箱驱动，设计转速达到 15000 r / min。 变速箱用油润滑，并使用干气密封防止氦气从轴的间隙泄漏。6图 7 氦气压缩机测试4.5 主动磁轴承技术 13-14主动磁轴承（AMB）是 HTR-10GT 项目的另一项关键技术。 INET 已经在这个项目的这个方面投入了大量的精力。 为了进行 AMB 工程设计和验证技术合理性，详细
18、制定了完整的实验计划。 首先，建立一个小型试验台来测试一个柔性转子的控制方法，并积累通过临界转速的经验。 然后构造一个大型的带有刚性转子的磁轴承，以验证大型磁轴承的设计的正确性，并在长时间运行中检验其特性。 在上述两项试验成功完成后，将在反应堆外部进行一个工程试验，以验证 AMB 系统所有设计的性能。实际的涡轮机转子系统和 AMB 系统将被安装在HTR-10 反应堆中。（1) 小型柔性转子试验台本实验的重点在于：通过研究弯曲临界转速（BCS）的控制算法，来获得未来涡轮机转子控制的经验。 第一台和第二台 BCS 频率分别设计为 300Hz 和 700Hz，比实际的涡轮机转子高。 为了补偿实验中的
19、小转子和反应器中的大转子之间的差异，故意选择较高的频率值以在控制研究上施加一些负载。 设置的主要参数如表 2 所示。第二代 BCS 实验的成功，验证了建模和控制设计方法的可行性和有效性。 这些实验经验对于 HTR-10GT AMB 系统的实际调谐过程是非常有用的。（2) 大型刚性转子试验台本实验的目的是研究实际尺寸 AMB 的特性并验证设计的正确性。功率放大器的原型的性能也将被测试，并在随后的设计阶段进行改进。为了简化实验，设计了一个刚性转子，以强调磁轴承装置本身。试验台主要参数见表3。为了验证整个 AMB 系统的稳定性，进行了包括刚度，阻尼，力 - 电流系数和力 - 位移系数在内的大量特性试
20、验，包括 72 小时连续运行试验。目前，该试验台已经完成了 1000 多个启动，并进行了 5 次下落实验，以 1200 转/分的速度测试捕手轴承。以上实验表明，AMB，功率放大器，捕获器轴承的技术指标满足设计目标。这是全面的工程测试平台的基础。表 2 小型装置的主要参数设计参数（单位） 数值转子质量(kg) 6.128转子长度 (mm) 613径向转动惯量(kg m2) 0.148极惯性矩 (kg m2) 0.00379气隙(mm) 0.4线圈(n) 300极面积(mm2) 320电感(mH) 45.2表 3 刚性转子试验台主要结构参数参数 数值转子的高度 /重量(mm/kg) 1200/15
21、0径向 AMB提升能力(N) 3,000轴承和转子之间的径向间隙(mm)0.7轴承与转子之间的径向间隙(mm)0.15轴向电磁轴承起重能力(N) 10000轴承与转子之间的轴向间隙(mm)1轴承与转子之间的轴向间隙(mm)0.5电涡流传感器的灵敏度(mV/um)4开关功率放大器(kVA) 455.结论高温气冷堆具有固有的安全特性，提供高温热源，可以高效率地应用于发电，制氢等各种工业领域。 它被认为是未来具有代表性的先进核系统。中国已经宣布加快 HTGR 技术研究的步伐，因为它已经被认为是国家中长期科学7和技术发展规划中的 16 项特殊关键技术之一（2006 - 2020 年） 。在中国，199
22、2 年 10MW 高温气冷试验堆（HTR-10）项目启动，2000 年达到第一个临界点，2003 年开始全功率运行。基于 HTR-10 的成功， 进行了实时操作和安全演示测试。 长时间的运行试验验证了 HTR-10 的操作程序和控制方法是合适的，安全示范试验表明 HTR-10具有很大的安全性。同时，最近又推出了两个新项目来进一步开发 HTGR 技术。 一个是原型模块化工厂HTR-PM，以展示 HTGR 电厂的商业能力。 另一个是与 HTR-10 耦合的燃气涡轮发电机系统HTR-10GT，用于证明 HTGR 燃气轮机技术的可行性。 HTR-PM 设计有两个 250MWt 球形床芯和一个能量转换系
23、统，一个汽轮发电机。 HTR-PM 项目目前正处于设计阶段。 对于HTR-10GT 项目，燃气轮机系统设计成由主动磁轴承支撑的单轴结构。首先在测试设备上进行了几个实验：将设计的叶片放在氦气和空气中进行测试。 在第二个实验是在氦气和空气中评估压缩机的叶片。 最后，对整个压缩机进行了评估。 这些实验的目的是为了确定和比较叶片中的氦气和空气的表现，以获得氦叶片设计的性能数据，并检查与数据转换中相似规律有关的错误。 氦气和空气的叶片试验的成功取得了一些重要的成果。参考文献：1 Z Wu , D Lin , D Zhong. The design features of the HTR-10J.Nucl
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