陳偉雄,梁鐵波,姜超,廖先偉,錢奕然,唐鑫,嚴俊杰

(1. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2. 中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室,610213,成都)

在空間動力技術領域,穩(wěn)定、高能量密度、長壽命的空間動力系統是太空開發(fā)的研究重點。空間核反應堆利用核裂變能量加熱推進工質或通過熱電轉換系統發(fā)電,是未來應用于太空核動力以及星球表面核電源的重要能源系統?？臻g核反應堆匹配的能量轉換系統必須同時保證較高的能量轉換效率以及較小的質量和體積,此外還必須滿足可靠性、靈活性、長壽命等要求。目前,大功率空間核反應堆一般采用動態(tài)能量轉換系統,如布雷頓循環(huán)和斯特林循環(huán)系統,其中布雷頓循環(huán)具有效率高、循環(huán)結構簡單、單位體積發(fā)電量高等特點,是滿足兆瓦級核電系統的理想熱電轉換技術[1]。

布雷頓循環(huán)的主要工質有超臨界二氧化碳(SCO2)、氦氣、空氣等。SCO2布雷頓循環(huán)相較其他工質循環(huán)更為高效,在中溫熱源(400～800℃)區(qū)間,其熱效率明顯高于其他工質循環(huán)?？諝庾鳛楣べ|的布雷頓循環(huán),其循環(huán)效率方面沒有明顯優(yōu)勢,但空氣工質容易獲取和補充,因此在可移動微小型核電源領域有較好的應用前景。國內外研究表明,氦氣布雷頓循環(huán)在高溫氣冷堆領域有很好的應用前景,使用氦氣等惰性氣體作為工質具有很好的熱力學性能和化學穩(wěn)定性,并可以最大限度地減少腐蝕問題,適應較高的入口溫度,其效率更高。但由于氦氣摩爾質量小且難以壓縮,需要多級數、大尺寸的葉輪設備以及換熱設備,因此,在空間布雷頓循環(huán)中,通常將循環(huán)工質由純氦氣改為氦氙混合氣體。研究發(fā)現,當使用特定比例的氦氙混合物作為工質時,其換熱性能比氦氣高或者與氦氣相當,且氦氙混合氣體壓縮性能好,能減少葉輪級數與換熱器數量,對減小系統尺寸有重要意義,因此氦氙混合物適合作為空間核反應堆的循環(huán)工質[2]。

氦氙布雷頓循環(huán)由于其在空間堆的應用前景較廣而引起了廣泛關注。從20世紀70年代開始,國外研究者就進行了相關設計和試驗工作。小功率空間氦氙布雷頓循環(huán)項目主要包括美國BRU計劃[3]、BIPS計劃[4]、NASA的JIMO計劃[5]等,輸出功率都是千瓦級,發(fā)電效率接近30%。而較為成熟的大功率空間反應堆方案包括2009年俄羅斯提出的兆瓦級核動力飛船項目[6]和美國2003年開展的“普羅米修斯”計劃[7],堆芯都采用了氣冷堆,而能量轉化系統為氦氙閉式布雷頓循環(huán),冷卻回路采用鈉鉀合金作為冷卻劑,輸出功率分別為1 MW和 200 kW。在試驗研究方面,美國開展了10 kW布雷頓渦輪機旋轉單元的研究,并建立了2 kW的微型布雷頓渦輪機旋轉單元樣機,進行了布雷頓循環(huán)系統可行性和性能方面的驗證。第一套閉式布雷頓循環(huán)(CBC)空間功率轉換系統 BRU于1968—1976年在里維斯研究中心研制成功,包括相應回熱器和熱交換器單元,證實了閉式布雷頓循環(huán)系統的轉換功率在25%以上[8]。表1總結了國外典型空間堆布雷頓循環(huán)系統參數。

國內外圍繞空間堆氦氙布雷頓循環(huán),主要的研究方向包括氦氙混合工質的物性及流動傳熱特性、透平與壓縮機以及換熱器設計、循環(huán)的參數分析和優(yōu)化、循環(huán)的動態(tài)特性和控制策略等方面。調研發(fā)現,目前對于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)研究進展總結較少,因此,本文對空間堆氦氙布雷頓循環(huán)重點研究方向的相關進展進行綜述。

1 氦氙布雷頓循環(huán)工質特性研究

考慮到氦氙混合工質的特殊性,氦氙布雷頓循環(huán)研究需要深入結合工質特性。氦氙混合比例和狀態(tài)將對工質物性產生影響,主要包括密度、動力黏度、定壓比熱容以及導熱系數等,進而影響氦氙工質的流動換熱特性和氣動特性,最終影響循環(huán)效率。表2給出了氦、氙及氦氙混合物物性參數表。可以看出,氦氣的定壓比熱容和熱導率都遠大于其他氣體工質;純氙氣的分子量很大,但是定壓比熱容和熱導率較小,這使其容易壓縮,但其換熱性能相較其他工質較差;特定比例的氦氙混合物成為綜合性能較好的合理選擇。

1.1 氦氙混合工質物性

不同氦氙混合比例將對工質物性產生較大影響,其比例改變會導致混合物摩爾質量變化。相關研究給出了在特定溫度和壓力下的氦氙混合氣體物性隨摩爾質量即混合比例的變化規(guī)律。Tournier等[13]通過總結相關實驗研究結果,采用對應態(tài)原理擬合得到了用于計算兩種惰性氣體混合工質熱物性的半經驗關聯式,該公式可在壓力范圍0.1～20 MPa、溫度范圍300～1 400 K時進行較高精度預測。因此得到了廣泛應用,后續(xù)研究者開發(fā)的物性計算程序均是在該半經驗公式基礎上進行的。楊謝等[14]探究了摩爾質量、壓力和溫度等參數變化對氦氙混合物的熱物性影響規(guī)律,結果表明隨著混合物摩爾質量增加,定壓比熱容與比熱比緩慢增大,動力黏度呈先增大后平緩下降的趨勢,導熱系數則單調下降,普朗特數先減小后增大;混合氣體動力黏度、導熱系數、普朗特數都不隨壓力發(fā)生明顯變化;溫度升高會使氦氙混合物導熱系數及動力黏度增大,但普朗特數變化很小。

Xu等[15]提出并建立了基于維里(Virial)系數的氦氙熱物性模型,并與理想氣體模型進行比較,闡明氙氣體的添加使得氦氙混合工質呈現明顯的非理想氣體特性;在不同溫度和壓力條件下,比較了兩種模型間氦氙混合工質的物性參數與主要循環(huán)參數的偏差,建立了3.0 MW鋰冷快堆氦氙循環(huán)熱力學模型,并分析了非理想氣體特性對循環(huán)效率的影響規(guī)律。結果表明,在摩爾質量大于40 g/mol,或者在較低的溫度(<500 K)或較高的壓力(>3.0 MPa)下,氦氙混合工質物性參數與理想氣體特性有明顯的偏差。而在不同壓比下,非理想氣體模型系統效率比理想氣體模型系統效率約低1.5%,表明非理想氣體模型使系統的模擬精度提高了約4.91%。

1.2 氦氙混合工質流動及換熱特性

現有關于氦氙混合氣體流動特性的研究中,主要關注雷諾數、壓降和摩擦阻力系數間的變化規(guī)律。研究氦氙混合氣體的換熱性能時,主要關注對流換熱系數的變化,該系數由氣體的雷諾數和普朗特數共同決定。El-Genk等[16]指出,He和較重的惰性氣體,如Kr和Xe,組成二元混合物時,當混合摩爾質量分別小于22 g/mol和40 g/mol時,它們的換熱系數均略高于純氦氣,同時還顯著降低了葉輪機械的尺寸。Taylor等[17]通過總結實驗數據,給出了計算氦氙混合物對流換熱努塞爾數的半經驗關聯式,該公式適用于低普朗特數條件。楊謝等[14]利用該經驗公式探究了He-Xe混合工質熱物性變化對換熱性能的影響,發(fā)現對流換熱系數最大值對應的氦氙混合工質摩爾質量約為15 g/mol,并且證實在該比例下換熱能力比純氦氣好。Leontiev等[18]針對普朗特數較低的氦氙混合物,研究了氣體雷諾數和馬赫數對流動、傳熱、傳質的積分和局部特性的影響。

Szalmás等[19]基于動力學理論,計算了He-Xe和He-Ar在圓管中的壓力驅動流,并給出了整個系統各節(jié)點的流量、壓力和摩爾分數的計算結果,以及壓力和摩爾分數沿通道的代表性分布。李楊柳等[20]等開發(fā)了計算反應堆內單個通道采用He-Xe混合工質冷卻的分析程序,建立了包含環(huán)形流道模型和圓管流道模型的反應堆單通道模型,將計算結果與Fluent計算結果以及試驗數據對比,驗證了模型程序的準確性。余霖[21]采用STAR-CCM+軟件,對普羅米修斯計劃的氣冷堆環(huán)形冷卻劑通道進行數值建模,研究了單冷卻劑通道和1/6堆芯冷卻劑通道內不同比例的氦氙混合氣體的流動換熱特性,明確了環(huán)形、圓形、棒束等不同堆內通道結構條件下,氦氙混合氣體的最佳摩爾質量均在15 g/mol附近。

黃笛等[22]通過數值模擬研究氦氙混合比例對堆內通道流動換熱特性影響,分析了He-Xe混合工質的混合比例變化對燃料棒間流動的換熱性能影響規(guī)律,發(fā)現當混合工質的摩爾質量在15～20 g/mol范圍時,燃料棒間流動的換熱效果最好,而當流通面積一定時,通過減小冷卻劑流道的直徑能提高換熱性能。周彪等[23]開發(fā)了適用于氦氙氣冷空間堆的熱工系統分析程序用于計算混合物的熱物性及換熱性能,并通過與實驗值的對比,證明了該程序模擬的準確度較高。此外,一些研究關注于不同結構流動通道對氦氙換熱的影響。Huang等[24]的研究結果表明,窄矩形通道的傳熱性能與圓形通道相差不大,而圓形通道傳熱性能小于環(huán)形通道,并且通道類型的等效直徑越小,通道內氦氙混合氣體的對流換熱系數越大。

通過調研總結國內外學者對氦氙混合工質流動及換熱特性研究,得到如表3所示的氦氙混合工質流動換熱關聯式,并給出了經驗關聯式的適用范圍。

表3 氦氙混合工質流動換熱關聯式

2 氦氙布雷頓循環(huán)關鍵部件研究

相比于陸基能量轉換系統,空間能量轉換系統不僅需要考慮轉換效率,而且需要考慮系統質量及尺寸等影響設計方案可行性和發(fā)射運載成本的重要因素。因此,高效緊湊的葉輪機械以及換熱設備是空間堆氦氙布雷頓循環(huán)需要關注的重點。

2.1 氦氙葉輪部件研究

氦氣的定壓比熱容和熱導率都遠大于其他氙氣、空氣等氣體工質,因此在氦氣循環(huán)中換熱器的體積較小。但由于其大比熱故難以壓縮,需要更大尺寸及更多級數的壓氣機才能達到與空氣相同的壓比。氙氣的分子量很大,但其定壓比熱容和熱導率較小,這使其容易壓縮,換熱性能較差且定壓比熱容較小,因此其所需換熱器體積較大。研究表明,特定混合比例的氦氙混合物能較好地兼顧換熱性能和可壓縮性,從而使壓縮機和換熱器的尺寸都較小,其中40 g/mol的氦氙混合物研究較多,其對流換熱系數與氦氣相當,還能夠將葉片的氣動負荷降低到純氦氣的10%左右,還可以使葉輪機械級數降低從而使動力系統的尺寸、質量相對減小[31];對于空間堆小功率的閉式布雷頓循環(huán)系統來說,徑流式壓氣機以及渦輪無疑更具有尺寸和質量優(yōu)勢,而小功率徑流式葉輪則需要高轉速。

2008年,Gallo等[32]針對空間堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)系統,對BRU項目中的渦輪與壓縮機進行縮放,設計并研究了用于40 g/mol氦氙混合工質的38 kW渦輪機組單元。研究考慮了葉輪機械的各種能量損失和氦氙工質物性變化,發(fā)現壓縮機壓比和多變效率分別為1.6和83.1%,透平壓比和多變效率分別為1.51和88.3%。之后,Gallo等[3]又用同樣方法對15 g/mol氦氙混合工質的渦輪機組單元進行研究,結果表明在相同發(fā)電功率下,采用15 g/mol混合工質可獲得較40 g/mol氦氙混合工質更低的流量和更高的循環(huán)壓力。2009年,El-Genk等[33]針對間接閉式布雷頓循環(huán)高溫堆,研究了以氦氣、氦氙混合氣體和氦氮混合氣體為工質時,透平入口溫度、轉速對葉輪設備尺寸、級數的影響規(guī)律。結果表明,兩種混合物的壓縮機和葉輪尺寸明顯低于純氦工質;當轉速從3 000 r/min提高至5 400 r/min時,3種工質的壓縮機級數減少了40%以上;15 g/mol摩爾質量的氦氮混合工質的葉輪級數高于氦氙混合工質。

國內,劉學崢[34]設計了一種可用于氦氙混合工質的離心式壓縮機,并獲得了氦氙離心式壓氣機設計參數選取規(guī)律。田志濤等[35]采用一維方法設計了一種適用于摩爾質量為40 g/mol混合氦氙工質的離心式壓氣機,如圖1所示,該壓氣機單級總壓比為2.3,等熵效率為88.7%,流量為1.6 kg/s,喘振裕度為20.4%,并通過數值模擬對壓氣機內部流場進行分析,得到氦氙離心式壓縮機的特性曲線。

圖1 He-Xe離心式壓氣機結構示意圖[35]Fig.1 Schematic diagram of He-Xe centrifugal compressor[35]

徐森锫等[36]針對空間核電源系統設計了可用于He-Xe混合物的徑流式向心透平,并采用數值模擬研究了透平內部情況。結果表明,所設計的向心透平效率為84.4%,功率為618.3 kW,具有較好的氣動性能,并給出了葉頂間隙損失、二次流損失和內部端壁損失的分布結果。后續(xù)研究表明,增大出口背壓、增大葉頂間隙以及減少葉片數目均會造成透平效率下降[37]。Yuan等[38]采用Chapman-Ebskog動力學理論和相應態(tài)理論方法,計算了15.9 g/mol和40 g/mol的氦氙混合工質的輸運特性;根據流動相似條件開發(fā)了計算相似渦輪邊界的程序,使得徑向渦輪通道內的流動相似;分析了氦氙混合氣體、氬氣和空氣作為工質的徑向渦輪,發(fā)現其效率特性曲線相似度較高,而在偏離設計工況點后,氦氣和其他流體之間的效率誤差則會增加。

Malik等[39-42]以15 g/mol氦氙混合氣體作為工質,為300 MW高溫氣冷堆電站設計了一種兩級高負荷軸流式壓縮機,壓縮機級數僅為純氦氣壓縮機的20%,大大縮小了設備尺寸。在后續(xù)研究中,利用相似原理對不同分子量的氦氙混合氣體的離心式壓縮機進行性能分析,結果認為使用40 g/mol的氦氙混合工質是空間堆循環(huán)的最佳選擇,而15 g/mol的氦氙混合工質更適用于陸地閉式布雷頓循環(huán)電廠。

2.2 氦氙換熱設備研究

由于太空環(huán)境的特殊性,循環(huán)廢熱只能以輻射散熱的方式向外排放。因此,冷卻器、冷卻介質回路和輻射散熱器設計也成為了氦氙布雷頓循環(huán)的重要研究方向之一。El-Genk等[43]針對高溫氣冷堆耦合3個氦氙布雷頓循環(huán)空間動力系統提出了一種高溫水熱管輻射散熱器設計方案,該設計可以防止冷卻系統單點失效。氣體冷卻器采用NaK-78作為冷卻回路介質,另一端連接兩個水熱管散熱器面板。設計的水熱管輻射式散熱器總散熱量為324 kW,總質量約994 kg。Qin等[44]對空間氣冷堆氦氙布雷頓循環(huán)分別耦合熱管散熱器和液滴散熱器(圖2)的循環(huán)性能進行對比研究,發(fā)現在相同輸出功率和進口溫度下,液滴輻射散熱器的質量僅為熱管換熱器質量的10%左右,在空間堆動力系統質量方面更具優(yōu)勢。采用液滴輻射散熱器,當氦氙循環(huán)壓縮機壓比為2.17時,循環(huán)效率可達到36%。

(a)熱管散熱器

針對高溫氦氙回熱器的研究中,De Araújo等[45]對小型堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)的叉流管殼式回熱器進行了優(yōu)化,研究采用CFD方法模擬回熱器內部流場,以最小熵產和回熱度之間的比值作為性能評價指標,評估了該參數與回熱器質量之間的相關性,以確定最優(yōu)結構。楊夷等[46]研究了溫度、回熱度以及制造工藝等因素對He-Xe換熱器的性能影響規(guī)律,發(fā)現采用精雕工藝能有效減少換熱器質量約17%,并可降低通道壓降約30%,且回熱器換熱性能不會出現明顯下降,并提出采用面積比功率因子作為回熱器結構及性能的評價指標。馬文魁等[47]搭建了空間He-Xe布雷頓循環(huán)熱力學模型,考慮了回熱器換熱系數和壓力損失的耦合,并研究了循環(huán)壓比、He-Xe工質混合比例以及溫比等關鍵參數對系統性能及回熱度最佳值的影響規(guī)律。結果表明,隨著循環(huán)壓比增加,回熱度的最佳值呈現先增加后減小的趨勢;當He-Xe工質中Xe比例增加時,混合工質的壓力損失會快速增大,從而使得回熱度最佳值明顯減小;而當系統溫比增加時,通過減小回熱器壓力損失會使得回熱度最佳值增大。

3 氦氙布雷頓循環(huán)性能優(yōu)化研究

目前,大多數氦氙布雷頓循環(huán)都是基于空間堆動力系統應用而開發(fā)的,陸基布雷頓循環(huán)系統為提高循環(huán)效率而采用的增加換熱面積,以及采用更復雜的循環(huán)構型、耦合底循環(huán)系統等方法,在空間氦氙循環(huán)中并不適用?，F有的氦氙布雷頓循環(huán)大多采用簡單回熱循環(huán)構型,追求更加高效緊湊的設備和整體布置,其系統示意圖如圖3所示。

圖3 空間堆氦氙簡單回熱循環(huán)系統示意圖 Fig.3 Schematic diagram of a space reactor He-Xe simple regenerative cycle system

El-Genk等[48]研究發(fā)現,摩爾質量為15 g/mol的氦氙混合氣體的傳熱系數比純氦氣高7%,且葉輪設備級數僅為純氦氣的24%～30%,然而對于相同的管道和換熱器設計,氦氙混合工質的壓力損失是純氦氣的3倍。因此在較高的循環(huán)壓比下,采用氦氙混合工質的電站峰值效率相比純氦降低了2%左右。在其后續(xù)研究中,針對純氦氣、15 g/mol的氦氙和氦氮混合氣體,在反應堆出口溫度973～1 223 K條件下進行循環(huán)性能分析。結果表明,3種工質最大循環(huán)效率對應的最佳壓比均較低(純氦氣、氦氙為2.6,氦氮為3.2)。在透平進口溫度為1 123 K條件下,氦氙、氦氮布雷頓循環(huán)效率分別為45.9%和45.8%[49]。

李智等[50]分析了不同成分氦氙混合工質對葉輪機械以及循環(huán)整體熱力學性能的影響,發(fā)現加入氙氣降低了循環(huán)熱力性能、循環(huán)效率和比功,當氦氣摩爾分數由100%降至64.8%時,循環(huán)的最大效率由36.5%下降至19.3%,但氙氣的加入能有效降低壓氣機膨脹功,改善循環(huán)氣動性能,減少壓氣機、換熱器數量。Liu等[51]采用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)通過優(yōu)化系統部件的關鍵參數來最小化系統總質量,并對氦氙布雷頓循環(huán)及各個部件設計模塊性能進行計算,給出了特定透平進口溫度下系統最小質量對應的關鍵參數最優(yōu)值,并利用Garson算法對參數進行了敏感性分析。結果表明在1 400 K透平進口溫度下,最佳循環(huán)效率為16%～28%,最佳壓比為1.9～3.0。Romano等[52-53]優(yōu)化了用于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的熱管散熱器,將冷側熱力模型與布雷頓循環(huán)模型耦合可以得到不同循環(huán)參數下散熱系統的設計方案,同時采用最小比質量(散熱器質量和循環(huán)功率之比)作為優(yōu)化目標,最終優(yōu)化后的氣體冷卻器的進口溫度為513.2 K,確保了動力系統的高效性和緊湊性。

郭凱倫等[54]比較了He、Xe、N2和CO2工質以及這4種工質采用不同混合比例時的物性,并且分析了兆瓦級布雷頓循環(huán)核電推進系統(圖4所示)采用不同工質時的系統性能,結果表明He-Xe混合工質的換熱系數較高,且透平和壓縮機的級數較少,比較適合作為空間核動力系統的循環(huán)工質。此外,探究了氦氙作為工質時,葉輪效率、壓比、進口溫度、壓損系數等參數對循環(huán)效率的影響,結果表明提高葉輪效率、透平進口溫度、減小壓損有利于效率的提升,存在最佳壓比使效率最高。

圖4 兆瓦級核電推進系統示意圖[54]Fig.4 Schematic diagram of megawatt nuclear power propulsion system[54]

張文文等[55]提出了一種兆瓦級氦氙冷卻熱管空間堆系統設計方案,如圖5所示,所設計反應堆功率為3.2 MW,轉換效率為31.8%。熱管的堆芯熱量通過金屬鋰熱管導出至氦氙混合工質,系統冷端冷卻器中熱量通過冷卻回路進行冷卻,冷卻回路采用鈉鉀合金作為工質,將熱量傳遞到鉀熱管輻射器,并通過輻射方式將熱量傳遞到太空。

圖5 熱管反應堆核動力系統示意圖[55]Fig.5 Schematic diagram of the nuclear power system of a heat pipe reactor [55]

薛冰[8]參考美國淹沒次臨界反應堆S4設計參數,建立了小型氦氙冷卻反應堆系統熱力性能分析模型,進行了參數敏感性分析,并以系統效率和質量為目標進行雙目標優(yōu)化計算,得到的優(yōu)化方案提高了堆芯入口溫度和透平內效率,降低了反應堆流量、循環(huán)壓氣機壓比和回熱度,使得系統熱效率提高5.0%,系統質量減少2.5%。胡文楨等[56]通過Fortran語言編寫了部件及系統熱力模型,研究了小型氦氙冷卻反應堆關鍵參數,發(fā)現系統效率和系統質量受回熱器回熱度的影響對系統性能產生較大影響,回熱度越大,系統效率越高,但系統總體積也越大,而壓縮機壓比較小時會對系統質量影響較大,當壓比大于1.52時影響較小。

王佳賓等[57]對一種采用金屬燃料的氦氙布雷頓循環(huán)耦合固體氧化物燃料電池的聯合動力循環(huán)系統進行了設計優(yōu)化研究,利用氦氙布雷頓循環(huán)吸收鋁水反應釋放的大量熱量,系統輸出功率設計為100 kW。通過參數分析及遺傳算法優(yōu)化,系統總效率可達到42.55%,效率達到49.04%。劉維新等[58]建立了空間堆氦氙布雷頓循環(huán)系統的各部件模型及系統整體分析模型,采用質量比功率作為系統的性能評價指標,并研究了壓比、循環(huán)最低溫度和循環(huán)最高溫度等關鍵參數對系統評價指標的影響規(guī)律,結果表明,當壓縮機壓比和循環(huán)最低溫度變化時,存在一個最佳值使得系統質量比功率指標最小,壓氣機進口溫度最優(yōu)值為416～508 K,壓比最優(yōu)值為2.4～3.1,而提高循環(huán)最高溫度能使得發(fā)電效率增加,并使系統質量減小。Ma等[59]針對空間氦氙布雷頓循環(huán)研究了4種不同的軸承和發(fā)電機支路引流冷卻方案,分析了循環(huán)引氣對關鍵部件和循環(huán)性能的影響,并在回熱器溫度夾點限制下對4種冷卻方案進行了優(yōu)化對比,結果表明,冷卻氣體回收軸承和發(fā)電機熱損失后匯入透平進口的冷卻方案效率最高。

4 氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性與控制策略研究

El-Genk等[60]建立了用于能量轉換的多布雷頓循環(huán)回路的S4空間堆動力系統的動態(tài)仿真模型,并對瞬態(tài)啟動過程進行演示。當采用40 g/mol的氦氙混合氣體為工質,在功率為471 kW、轉速為45 000 r/min和循環(huán)溫度為1 149 K/400 K條件下,全功率運行的瞬態(tài)啟動的最終系統輸出功率為130.8 kW,循環(huán)效率為27.8%。在其后續(xù)研究中,在反應堆系統瞬態(tài)運行和啟動工況的程序基礎上添加了布雷頓循環(huán)系統模塊與PID控制器,建立了一個由氣冷堆和3個獨立的閉式布雷頓循環(huán)組成的電力系統動態(tài)仿真模型,并用該程序對淹沒次臨界反應堆S4進行模擬,得到了反應堆穩(wěn)態(tài)運行時的反應堆啟動時間、循環(huán)效率、輸出功率、壓縮機和透平的熱力參數等[61]。

國內,李智[62]進行了空間堆He-Xe布雷頓循環(huán)系統在變負荷條件下的動態(tài)特性及調控策略研究,其采用了3種調控策略:系統填充量控制、旁通調節(jié)及變轉速控制。結果表明,變負荷條件下,充裝量調節(jié)和分流率調節(jié)可維持系統轉速不變;填充量控制能使循環(huán)效率維持較高,而旁通調節(jié)雖然可以實現快速變負荷,但其變負荷調節(jié)范圍較窄;變轉速控制原理是通過改變壓縮機轉速的使系統偏離設計點,從而降低系統輸出功率。在事故工況下,由于系統甩負荷轉速會快速增加,可采用旁通調節(jié)快速降低輸出功率,以達到應急處理,從而使系統轉速快速下降至安全范圍。Ma等[63]建立了空間核動力系統多布雷頓循環(huán)的熱工水力模型,針對具有雙布雷頓循環(huán)回路系統,提出了同時啟動和順序啟動兩種方案,并對它們的性能進行比較。結果表明,在初始啟動階段,需要外部動力源提供動力來驅動軸的轉動;采用同時啟動方案系統穩(wěn)定且耗時少,但所需外部驅動功率大;采用順序啟動方案所需驅動功率小,但布雷頓循環(huán)之間的耦合效應會導致氣體流量和功率的波動,系統穩(wěn)定性變差。

侯捷名[2]使用RELAP5程序建立了100 kW空間鋰冷快堆氦氙布雷頓循環(huán)控制系統和保護系統,并對整個系統變工況運行、空間堆臨界安全以及事故工況瞬態(tài)過程進行了模擬,重點研究了系統失流事故、反應性引入、熱阱喪失等事故工況下系統的安全性能。Zhang等[64]針對兆瓦級空間熱管堆氦氙布雷頓循環(huán),建立了包括反應堆、葉輪機械、換熱設備、管道等在內的所有部件的動態(tài)模型,開發(fā)了系統瞬態(tài)分析程序,對該系統的安全特性進行了分析。此外,也對單回路布雷頓循環(huán)機械故障和反應性插入事故下系統的瞬態(tài)響應進行了研究。Wang等[65]在該系統瞬態(tài)分析程序基礎上,研究了氣冷堆耦合布雷頓循環(huán)系統在不同運行條件下的安全特性,結果表明高溫氣冷堆啟動過程需4 h,在全功率運行下燃料最高溫度低于熔點溫度且有足夠的安全裕度;當緊急情況下關閉高溫氣冷堆時,可以通過堆芯的熱傳導和輻射傳熱來去除反應堆的余熱,表明所設計的高溫氣冷堆由于其負反應特性和被動安全特性而具有較好的固有安全性。

辛杰等[66]基于Simulink平臺開展400 kW級空間核堆氦氙布雷頓循環(huán)系統一維分析,研究了系統穩(wěn)態(tài)運行、反應堆功率快速增加、階躍及持續(xù)引入反應性等不同動態(tài)熱力過程下的系統動態(tài)特性。薛翔等[67]參考JIMO 100 kW動力系統搭建了閉式He-Xe循環(huán)系統的動態(tài)計算模型,研究了不同系統初始壓力時,核心機轉速快速增加對系統參數及性能的影響規(guī)律。結果表明,在調節(jié)核心機的轉速并改變反應堆加熱功率的控制方式下,該動態(tài)過程中系統參數能一直保持在穩(wěn)定運行區(qū)間,這表明采用準確的轉速控制是核心機的主要控制策略。王浩明等[68]參考普羅米修斯計劃中的系統參數,獲得了包括組件特性、管道布局的氦氙布雷頓循環(huán)系統動態(tài)仿真模型,探究了系統采用旁通閥控制時閥門的開度及響應時間對系統主要熱力參數及性能的影響規(guī)律。研究表明,采用旁通閥控制時,閥門開啟會使得透平轉速快速下降,進而使系統輸出功率快速降低,其中功率出現了超調現象,而通過增加系統的容積能夠降低采用旁通閥調節(jié)的敏感度。

總結現有氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性與控制策略研究可以發(fā)現,目前主要通過建立特定系統的動態(tài)仿真模型或程序開展針對動態(tài)特性的研究,包括反應堆及各部件動態(tài)模型,研究的典型動態(tài)過程主要包括系統瞬態(tài)啟動、變負荷工況以及事故工況等。針對氦氙布雷頓循環(huán)變工況控制策略研究中,主要的控制方式包括充裝量調節(jié)、旁通閥調節(jié)和變轉速調節(jié)3種。充裝量調節(jié)通過外部儲罐改變循環(huán)工質填充量以實現變工況,這種控制方式可以保持較高的循環(huán)效率,但變負荷速率較慢;旁通閥調節(jié)通過改變流經透平的工質流量來實現變負荷,變負荷速率快但調節(jié)范圍較窄,適合在事故工況下使用;變轉速調節(jié)通過轉速的變化使系統偏離額定工作點,降低循環(huán)輸出功,從而實現精確調節(jié),但其適用于透平和壓縮機分軸布置的情形。后續(xù)研究有待開展耦合反應堆和動力系統的氦氙布雷頓循環(huán)全局動態(tài)特性研究,包括啟停堆/機、變負荷運行、反應堆臨界安全、事故工況等動態(tài)過程,并據此提出容量控制、旁路控制、轉速控制等多方式有機結合的動態(tài)調控策略,建立靈活、可靠的控制系統與保護系統,以達到安全、快速、靈活的調節(jié)目標,從而提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應性和系統安全性。

5 結論與展望

隨著深空探索技術飛速發(fā)展,氦氙布雷頓循環(huán)的應用場景不斷拓展,把握氦氙布雷頓循環(huán)的研究進展及未來發(fā)展趨勢,對推動空間能量轉換技術的進步具有重要意義。本文在深入調研空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的發(fā)展歷史和國內外研究進展的基礎上,對其關鍵技術問題和重點研究方向的相關進展進行了綜述,所獲主要結論及未來展望如下。

(1)對于氦氙混合物工質特性研究,目前重點關注40 g/mol和15 g/mol這兩個特定摩爾質量濃度的混合工質,前者可以改善壓縮性能,減小壓縮機尺寸和級數,降低系統總質量,更適合作為空間布雷頓工質,后者能夠達到更大對流換熱系數。在后續(xù)研究中,建立適用于溫度、壓力和混合比例大范圍變化下氦氙混合氣體的高精度物性及流動傳熱模型,確定適用于不同功率等級和工作場景的氦氙工質最佳混合比例,是深入開展氦氙布雷頓循環(huán)研究的重要方向。

(2)對于氦氙布雷頓循環(huán)關鍵部件研究,目前葉輪部件主要針對特定應用場景進行了相關研究設計工作,且大多數為小功率徑流式葉輪設計,也有對冷卻器、回熱器、散熱器等換熱設備的研究設計。未來應圍繞不同氦氙布雷頓循環(huán)功率、轉速和運行條件,形成一系列成熟的高性能壓縮機和透平設計方案,并開展相應試驗研究,針對換熱設備開展高性能緊湊式換熱器研究。

(3)對于氦氙布雷頓循環(huán)性能提升,目前大多采用簡單回熱循環(huán)構型,追求更加高效、緊湊的設備和整體布置,研究溫度、壓比、回熱度等參數對系統的影響,并采用效率、比功率等指標來進行評價。但綜合考慮冷源條件、循環(huán)壓力和功率等變化對循環(huán)性能和整體尺寸的影響目前較少,有待開展全功率等級、全工況的氦氙布雷頓循環(huán)多目標、多參數優(yōu)化設計和評估工作。

(4)對于氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性及控制策略研究,目前一些研究者針對特定系統建立了系統動態(tài)仿真模型,并對系統瞬態(tài)啟動、部分負荷工況以及事故工況等動態(tài)過程進行了研究。后續(xù)研究有待開展耦合反應堆和冷卻系統的氦氙布雷頓循環(huán)全局動態(tài)特性研究,提出安全、靈活、高效的動態(tài)調控策略,以提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應性和系統安全性。