中间回路平衡的HCPB聚变发电厂瞬态行为分析

《Fusion Engineering and Design》：Transient behavior analysis of the intermediate-circuit-balanced HCPB fusion power plant

　　

EU-DEMO聚变发电厂的HCPB概念采用氦气冷却反应堆，由于感应电流驱动而以脉冲模式运行。由于传统的Rankine蒸汽循环发电不允许脉冲运行，因此必须平衡热功率。为此，使用了带有熔盐储热罐的中间回路。该回路充当热缓冲器，旨在稳定输入到蒸汽发生器和蒸汽过热器的热量。本文分析了主热传输系统（primary heat transfer system, PHTS）、中间热传输系统（intermediate heat transfer system）以及功率转换系统（PCS）蒸汽产生组件的瞬态行为。研究人员开发了一种专门的系统代码来研究此类热力学系统的瞬态行为。

核聚变发电是解决未来能源需求的重要途径，但托卡马克型反应堆因依赖感应电流驱动而必须采用脉冲运行模式。传统的Rankine蒸汽循环发电无法适应这种间歇性热输入，因此需要引入热缓冲系统来平衡热功率。针对EU-DEMO聚变发电厂中的HCPB（Helium Cooled Pebble Bed）概念，研究人员采用带有熔盐储热罐的中间回路作为热缓冲器，以稳定输送到蒸汽发生器和过热器的热量。然而，瞬态过程（如反应堆功率爬升/下降、冷却剂属性变化传输延迟等）对中间回路响应的具体影响尚不明确，且系统是否存在自稳定特性也需验证。为此，该研究开发了专门的热力学系统代码，对主热传输系统（PHTS）、中间热传输系统及功率转换系统（PCS）的蒸汽产生组件进行了瞬态行为分析，旨在评估系统在脉冲与停堆（dwell）交替下的动态特性，并探讨流量不平衡对循环稳定性的影响。论文发表在《Fusion Engineering and Design》上。

研究人员通过模拟四个完整运行周期，发现系统在首个周期后参数趋于稳定，但停堆时反应堆出口氦气温度（450°C）低于热罐标称温度（465°C），导致热罐温度下降，进而影响高压蒸汽参数。进一步引入±1%的流量不平衡（99%至101%相对值），观察到系统呈现发散行为，表明缺乏自稳定特性，需精确调节流量。结果表明，蒸汽流量直接跟随能量不平衡，而蒸汽温度变化极小（高压蒸汽温度变化约0.03%，低压蒸汽几乎不变）。涡轮循环器（TC）功率在脉冲期约75.1 MW，停堆期降至3.3 kW，其响应与不平衡值成比例但略低，反映了PCS整体阻尼作用。该研究验证了熔盐储热平衡的可行性，并强调了流量调节对系统稳定运行的关键作用。

研究人员采用了以下关键方法：基于Python开发了专用一维（1D）系统代码，利用CoolProp库计算氦气和水物性，并针对HITEC?熔盐建立多项式物性模型（密度、粘度、热容、导热系数及焓-温关系）。代码采用面向对象编程（OOP）方法，将PHTS、中间回路和PCS组件实例化为OneDimensionalPipe类，通过迎风格式迭代求解对流能量方程，并集成真实涡轮循环器（TC）和换热器（HX）的商用数据（来自项目合作伙伴）。通过Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）条件确保数值稳定性，并在四个完整周期内进行能量平衡验证。此外，利用低阶API优化CoolProp表查询性能，并通过多项式回归降低属性逼近误差。该代码为定制化商业应用，无需像通用系统代码（如RELAP5）那样额外建模。

研究结果分为以下部分：

**系统稳定特性与温度下降**：通过模拟四个完整周期，发现系统在第一个周期后参数趋于稳定，但热罐温度因停堆期间冷盐混合而下降约1.5°C，导致高压蒸汽温度（HP steam）遵循相同下降趋势，而低压蒸汽温度（LP steam）因上游高压蒸汽发生器（HP SG）的恒定饱和温度而几乎不受影响。高压蒸汽产量下降，低压蒸汽产量因温度梯度增大而小幅上升。

**不平衡影响分析**：引入99%、99.5%、100.5%和101%的相对流量不平衡（相对于平衡流率）后，系统呈现发散行为，即罐内液位和温度逐周期偏离初始值，砖明系统无自稳定特性，需精确流量调节。蒸汽流量直接跟随不平衡比例（如99%不平衡下HP蒸汽流量均值609.81 kg/s，为标称值的98.99%），而蒸汽温度变化极小（HP蒸汽温度均值为473.99°C，偏差<0.02%）。

**蒸汽参数响应**：高压蒸汽温度直接反映热罐温度变化，而低压蒸汽温度因上游蒸汽发生器稳定作用几乎恒定。高压蒸汽产量随热罐温度下降而减小，低压蒸汽产量则因温度梯度增大而增加。蒸汽流量与不平衡值呈线性相关，百分比变化与不平衡值一致。

**涡轮循环器功率与涡轮轴功率**：涡轮循环器（TC）总功率在脉冲期约75.1 MW，停堆期降至3.3 kW（最低可运行值）。涡轮轴功率响应与不平衡值成比例，但略低于标称值，例如100%不平衡下标称值901.36 MW，而101%不平衡下为908.85 MW（增加约0.83%），显示出PCS的阻尼效应。

总结讨论部分指出，该研究呈现了HCPB DEMO聚变发电厂中间热传输系统的动态行为，表明系统在脉冲模式下可相对稳定运行，对PCS蒸汽参数影响较小。主要失稳因素是停堆阶段反应器出口氦气温度较低（450°C），导致热罐温度下降，需通过脉冲期间提高盐温及调节IHX和PCS换热器流量来补偿。流量不平衡分析表明系统呈现发散行为，无法自稳定，因而精确流量调节至关重要。蒸汽流量几乎直接跟随能量不平衡，而蒸汽温度变化可忽略（高压蒸汽温度变化与不平衡相反，低压蒸汽温度变化极小）。研究结论翻译如下：本研究展示了HCPB DEMO聚变发电厂中间热传输系统的动态行为，表明系统在脉冲模式下可相对良好运行，对PCS蒸汽参数影响较小。显然，主要失稳因素是停堆阶段反应器后氦气温度较低（450°C），导致盐中间回路热罐温度下降（标称465°C），这需通过脉冲期间更高的盐温及调节IHX氦-盐和PCS换热器的盐流量来补偿。还分析了盐流量不平衡对这两个盐回路及整个系统的影响，结论是当流量不平衡未补偿时，系统呈现发散行为。实际上，这意味着系统可能缺乏自稳定特性，而精确的流量调节在运行中可能至关重要。研究表明，蒸汽流量基本跟随引入的能量不平衡，且其对蒸汽温度的影响可忽略。与标称状态相比，蒸汽温度变化在百分之三百分以内。低压蒸汽温度的微小响应与不平衡成正比，而高压蒸汽温度则相反，这是由于盐在热罐中积累导致其温度升高。直接复制系统中不平衡的参数是高压和低压蒸汽的流量，其百分比变化与引入的不平衡实际相等。