A comprehensive performance evaluation method for supercritical carbon dioxide cycle power generation system of small lead-based reactor is presented. Firstly, the basic operating parameters of the supercritical carbon dioxide (S CO2) cycle power generation system for the lead-based reactor to be designed are determined. Subsequently, modular design method is used to establish sub-modules of turbine mechanical work, heat transfer of heat exchanger, pressure drop calculation of heat exchanger, efficiency calculation of heat exchanger, thermal analysis and economic analysis of power generation system. Then, the sub-modules of heat exchanger pressure drop calculation and thermodynamic analysis of power generation system are solved by iterative calculation method, and the thermal parameters and unit power cost of power generation system are obtained. Finally, the thermal economy of power generation system is evaluated based on multi-objective collaborative optimization. This method can effectively complete the design of thermodynamic, heat transfer and economic analysis model for the new type of small lead-based reactor S_CO2 cycle power generation system, efficiently perform the thermal and economic performance analysis of the system, solve the problem of automatic design of the system, complete the comprehensive performance comparison and guide the screening of the optimal S_CO2 cycle form.
【技术实现步骤摘要】
一种小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法
本专利技术涉及第IV代核能利用
，具体涉及一种小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法。
技术介绍
铅基反应堆(简称铅基堆)是指采用铅或铅铋合金等铅基材料作为冷却剂的核裂变或核聚变反应堆，是第Ⅳ代核能系统的主要堆型之一，被“第四代核能系统国际论坛(GIF)”组织评定为有望首个实现工业示范和商业应用的第IV代核反应堆。为了实现铅基堆中核能的高效热-电转换，寻求高效、经济的动力循环形式替代传统蒸汽朗肯循环势在必行。另一方面，铅基堆也在向着小型化、模块化的方向发展，急需研发紧凑式核电源装置“核电宝”用以灵活适配不同环境下的各类生产、生活需求，例如海岛和海洋平台电力供应、海水淡化、沙漠和偏远地区分布式电网供电、独立工业园区热电联供等，这要求铅基堆采用的动力循环需具备装置规模小、结构紧凑、布局简单的特点。因此，为了提高铅基堆核电系统的热电转换效率，实现铅基堆的小型模块化设计，亟待在铅基堆核电系统中发展更高效、紧凑、经济的新型动力循环。超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环近年来受到了广泛的关注，其在第IV代核反应堆运行温度范围内具有较高的热效率，且安全稳定性好、系统简单、部件规模小，可以显著提高第IV代核电系统的安全性和经济性，是铅基堆发电系统理想的热-功转换方案之一。但S-CO2循环形式多样，尚未筛选出适用于铅基堆发电系统的最优循环形式，缺乏铅基堆S-CO2循环发电系统综合性能评价方法及准则，且存在铅基堆S-CO2循环发电系统设计和性能评价效率低下，计算精度不足等缺点。新型小型铅基堆S-C...
【技术保护点】
1.一种小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定待设计的小型铅基堆临界二氧化碳(S‑CO2)循环发电系统中热源‑铅基堆和中间换热器的基本运行参数；2)确定小型铅基堆临界二氧化碳(S‑CO2)循环发电系统中热‑功转换部分S‑CO2布雷顿循环运行回路的关键热力学参数；3)确定小型铅基堆临界二氧化碳(S‑CO2)循环发电系统中传热及做功工质的热物性参数，做功工质包括铅基堆中液态Pb、S‑CO2布雷顿循环运行回路中S‑CO2流体以及冷却器中冷却水；4)采用模块化设计构建小型铅基堆临界二氧化碳(S‑CO2)循环发电系统运行回路热力学计算模型；热力学计算模型依据等熵效率建立透平机械的能量关系Turbo子模块、换热器传热计算HEATEXC子模块、换热器压降计算子模块以及采用给定热导法和离散分段设计方法建立的换热器效能计算子模块，采用多层嵌套迭代方法求解所述热力学计算模型；5)采用系统成本分析方法建立小型铅基堆临界二氧化碳(S‑CO2)循环发电系统经济性评估模型；经济性评估模型包括：换热器成本分析子模型、透平机械成本分析子模型以及系统单位电力成本计算模型；...
【技术特征摘要】
1.一种小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定待设计的小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统中热源-铅基堆和中间换热器的基本运行参数；2)确定小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统中热-功转换部分S-CO2布雷顿循环运行回路的关键热力学参数；3)确定小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统中传热及做功工质的热物性参数，做功工质包括铅基堆中液态Pb、S-CO2布雷顿循环运行回路中S-CO2流体以及冷却器中冷却水；4)采用模块化设计构建小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统运行回路热力学计算模型；热力学计算模型依据等熵效率建立透平机械的能量关系Turbo子模块、换热器传热计算HEATEXC子模块、换热器压降计算子模块以及采用给定热导法和离散分段设计方法建立的换热器效能计算子模块，采用多层嵌套迭代方法求解所述热力学计算模型；5)采用系统成本分析方法建立小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统经济性评估模型；经济性评估模型包括：换热器成本分析子模型、透平机械成本分析子模型以及系统单位电力成本计算模型；6)基于步骤4)和步骤5)所述热力学计算模型和经济性评估模型，从系统热电转换效率、EPC两个方面对小型铅基堆临界二氧化碳(S-CO2)循环发电系统综合性能进行评估，不同循环中的多个变量在各个运行工况下均采用遗传算法以系统热电转换效率最大为目标进行优化，获得循环的最优性能，保证不同循环之间对比的公平性。2.根据权利要求1所述的小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于：所述步骤1)中热源-铅基堆和中间换热器的基本运行参数包括：发电系统的额定功率We、铅基堆堆芯入口温度TPb,in、堆芯出口温度TPb,out以及中间换热器与S-CO2布雷顿循环中透平入口的换热温差ΔT。3.根据权利要求1所述的小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于：所述步骤2)中循环运行回路关键热力学参数包括：循环运行回路透平入口温度TTin、入口压力PTin；压缩机入口温度TCin、入口压力PCin；透平的等熵效率ηT,is和压缩机的等熵效率ηC,is；根据堆芯出口温度、中间换热器与S-CO2布雷顿循环中透平入口的换热温差ΔT，确定S-CO2布雷顿循环运行回路的透平入口温度TTin；根据环境温度T0、CO2临界点温度Tcrit及发电系统冷却方式确定压缩机入口温度TCin。4.根据权利要求1所述的小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于：所述步骤3)中传热及做功工质的热物性参数包括：铅基堆中液态Pb的热物性参数、S-CO2布雷顿循环运行回路中S-CO2流体的热物性参数、冷却器中冷却水的热物性参数。5.根据权利要求1所述的小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法，其特征在于：所述步骤4)中热力学计算模型设计方法为：4-1)依据等熵效率建立透平机械的能量关系Turbo子模块透平机械Turbo子模块包括透平做功计算子模块和压缩机耗功计算子模块，透平和压缩机均属于透平机械，两者具有相似的建模方法，通过确定透平和压缩机进、出口热力学工况参数，获得透平机械的做功量或耗功量；4-1-1)根据透平的膨胀比PRT、压缩机的压缩比PRC、透平的等熵效率ηT,is，压缩机的等熵效率ηC,is，采用式(1)和(2)分别计算压缩机出口压力参数PCout和透平出口压力参数PTout：PCout＝PCin·PRC(1)4-1-2)依据步骤4-1-1)确定的透平和压缩机出口工况压力参数PCout和PTout和设计给定的透平入口温度TTin、入口压力PTin，压缩机入口温度TCin、入口压力PCin，依据S-CO2流体物性数据库，采用式(3)和(4)分别确定压缩机和透平进口S-CO2熵值sCin,sTin，以及出口理想S-CO2熵值sCoutid，sToutid：sCoutid＝sCin(PCin,TCin)(3)sToutid＝sTin(PTin,TTin)(4)4-1-3)依据步骤4-1-2)确定的透平和压缩机进口和出口S-CO2熵值，采用式(5)和(6)确定透平做功量wT和压缩机耗功量wC：wT＝hTout(PTout,sTout)-hTin(PTin,TTin)＝ηT,is[hToutid(PTout,sToutid)-hTin(PTin,TTin)](6)式中，P为压力；s为熵；w为比功；h为焓；T为温度；PR为压力比；η为透平机械效率；下标C代表压缩机；下标T代表透平；下标in和out分别代表进口和出口；下标id表示理想等熵过程；4-2)换热器传热计算HEATEXC子模块的建立过程小型铅基堆S-CO2循环发电系统涉及三种类型换热器：两侧均为S-CO2工质的高温回热器HTR和低温回热器LTR；热侧为反应堆液态铅Pb冷却剂、冷侧为S-CO2工质的中间换热器；热侧为S-CO2工质、冷侧为冷却水的冷却器，因此，分别建立S-CO2、水和液态铅三种工质的传热计算模型；4-2-1)对S-CO2流体侧传热计算模型的建立过程首先，需要判断S-CO2流体在直线形半圆通道内的流动状态，通过式(7)获得换热器半圆微通道的水力直径deq，接下来通过式(8)计算换热器通道内S-CO2的雷诺数Re，依据雷诺数Re范围结合式(9)、式(10)和式(11)判断S-CO2工质流动状态，若满足式(9)则S-CO2流体为湍流状态，采用Gnielinski关联式(12)计算直线形半圆微通道内湍流S-CO2的努赛尔数Nu；若满足式(10)则S-CO2流体为过渡流状态，采用线性插值方法获得S-CO2的努赛尔数Nu；若满足式(11)则S-CO2流体为层流状态，则取努塞尔数为Nu＝4.089；其中v是S-CO2流速，v为S-CO2的运动粘度，deq为半圆微通道的水力直径；5000＜Re＜5×106(湍流)(9)2300＜Re＜5000(过渡流)(10)Re＜2300(层流)(11)其中Pr为普朗特数；fc为Moody摩擦系数定义为式(13)；其中NuG|Re＝5000为Re＝5000时采用Gnielinski公式计算获得的Nu值；4-2-2)对冷却水侧传热计算模型的建立过程冷却水的对流传热系数通过式(15)计算：Nu＝0.36Re0.55Pr1/3[μb/μw]0.14(15)其中μb，μw分别为定性温度和壁温下壳侧冷却水的动力粘度；4-2-3)对液态铅Pb侧传热计算模型的建立过程液态铅Pb的Nu根据管内液态金属对流换热关联式(16)进行计算：Nu＝5+0.025(Re·Pr)0.8(16)将步骤4-2-1)、4-2-2)和4-2-3)分别计算出的S-CO2、冷却水和液态铅Pb的努塞尔数Nu代入式(17)则可获得3种传热流体的对流传热系数h：其中，λ为定性温度下传热流体的导热系数；4-3)换热器压降计算子模型的建立过程换热器内的压力损失由局部损失和沿程摩擦阻力损失构成；4-3-1)换热器局部压力损失计算直线形微通道的局部压力损失主要发生在管道进出口，通过式(18)获得局部压力损失ΔP：式中，C为无量纲局部损失系数，进口处取0.5，出口处取1.0；ρ为局部流体密度；v为局部流体速度；4-3-2)换热器沿程阻力压降计算首先，需要通过确定雷诺数Re判定工质的流态，当S-CO2流体处于层流到湍流的过渡流状态时，层流和过渡流的边界雷诺数Re0采用Hagen-...
【专利技术属性】
技术研发人员：李明佳，郭嘉琪，朱含慧，马滕，童自翔，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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