閉式循環(huán)氦氣輪機技術特點研究及應用前景展望

摘" 要：該文介紹常規(guī)熱力發(fā)動機的定義與分類，并由此引入外燃機與廣義上的內燃機的技術區(qū)別，歸納現(xiàn)有主流熱力發(fā)動機及其遵循的熱力循環(huán)。其中，燃氣輪機是一類在發(fā)電、航空及艦船動力等領域得到廣泛應用的熱力渦輪機械，其與汽輪機相比有著其獨到的技術優(yōu)勢。但在核動力領域，為確保安全性，多采用閉式循環(huán)燃氣輪機。與常規(guī)的開式循環(huán)燃氣輪機不同，閉式循環(huán)燃氣輪機并不屬于廣義上的內燃機，其采用外部加熱方式，并且有著更好的燃料適應性，在工質的選擇上，也曾有過多種方案。與二氧化碳及氮氣等氣體相比，氦氣具有較好的熱物理性質，以其作為工質的氦氣輪機同樣得到業(yè)界重視。目前，氦氣輪機多作為高溫氣冷堆的發(fā)電主機。隨著相關技術的發(fā)展，除核電產(chǎn)業(yè)之外，高溫氣冷堆與氦氣輪機有望應用于艦船動力等其他領域。

關鍵詞：氦氣輪機；閉式循環(huán)；燃氣輪機；汽輪機；內燃機；外燃機；高溫氣冷堆

中圖分類號：TK471" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0010-08

Abstract： This paper introduces the definition and classification of conventional thermal engines， elaborates the technical differences between external combustion engines and internal combustion engines in a broad sense， and summarizes the existing mainstream thermal engines and their thermal cycles. Among them， gas turbine is a kind of thermal turbine machinery which is widely used in the fields of power generation， aviation and ship power. Compared with steam turbine， gas turbine has its unique technical advantages. However， in the field of nuclear power， closed cycle gas turbines are often used to ensure safety. Different from the conventional open cycle gas turbine， the closed cycle gas turbine does not belong to the internal combustion engine in a broad sense， it adopts external heating mode， and has better fuel adapt ability， and there have been many schemes in the selection of working fluid. Compared with carbon dioxide， nitrogen and other gases， helium has better thermo physical properties， and the helium turbine with helium as the working fluid has also been paid attention to by the industry. At present， helium turbine is mostly used as the main engine of high temperature gas-cooled reactor. With the development of related technology， in addition to the nuclear power industry， high-temperature gas-cooled reactor and helium turbine are expected to be used in warship power and other fields.

Keywords： helium turbine; closed cycle; gas turbine; steam turbine; internal combustion engine; external combustion engine; high temperature gas cooled reactor

動力機械是將各種形式的能量轉換為機械能的設備，主要可分為熱力發(fā)動機、水力機械及風力機械等幾類。在國民經(jīng)濟發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)中，為了使各類設備維持運轉，需要由動力機械提供必要的動力來源。由此，針對各類動力機械開展的研究有著重要意義。

1" 熱力發(fā)動機分類及技術特點概述

在動力機械中，能將各種來源的熱能轉化為機械能的設備被統(tǒng)稱為熱力發(fā)動機。其中，燃料在機體內部進行燃燒，將燃燒后的產(chǎn)物作為工質，并通過工質的膨脹，將熱能轉化為機械能的熱力發(fā)動機被稱為廣義上的內燃機，而狹義上的內燃機多指往復活塞式內燃機；與此相對，利用各種來源的熱能在機體外部加熱工質，并通過工質的膨脹，將熱能轉化為機械能的熱力發(fā)動機則被稱為外燃機。

在外燃機中，熱量由機體外部的熱源供給，余熱也會排向機體外部的冷源，用于能源轉換的工質也會周而復始地回到初始狀態(tài)。因此，外燃機的實際工作過程與理論熱力循環(huán)較為接近。與此相對，廣義上的內燃機的加熱過程則是通過燃料和空氣在燃燒室內所發(fā)生的化學反應而實現(xiàn)的，在一個循環(huán)結束后，工質自身性質已發(fā)生了永久性的化學變化，不可能再回到原有的狀態(tài)。因此，廣義上的內燃機的實際工作過程與理論熱力循環(huán)存在較大差異。工質除自身發(fā)生了化學變化以外，還會受到摩擦、流動速度，以及散熱等諸多因素的影響。

與外燃機相比，廣義上的內燃機的設備體系更為精簡，熱能損失也相對較低，因此具有結構緊湊、輕巧、熱效率高、燃料和水的消耗少且使用簡便等特點。但總體而言，廣義上的內燃機結構復雜、精密度高、制造費用高，對操作及維修技能的要求同樣較高。與此相對，外燃機有著連續(xù)的燃燒過程，更易于對燃燒過程進行控制，并且有著更好的燃料適應性。但外燃機相應也有著設備系統(tǒng)復雜、體積龐大、熱效率較低等問題。

就目前而言，廣義上的內燃機主要包括汽油機、柴油機、煤氣機、汪克爾發(fā)動機及采用開式循環(huán)的燃氣輪機[1]，以及各類航空發(fā)動機等；而外燃機則主要包括蒸汽機、汽輪機、斯特林發(fā)動機[2]，以及采用閉式循環(huán)的燃氣輪機等，總體歸納見表1。

2" 燃氣輪機及其技術發(fā)展

燃氣輪機是一類常見的熱力渦輪機械，目前已得到了大范圍推廣。一方面，由于燃氣輪機自身結構相對簡單，并具有基建成本低、動力性強、加速性好、機動性高和運行簡易等優(yōu)勢；而另一方面，燃氣輪機的經(jīng)濟性依然有待改善，所能承受的燃氣溫度依然有待提高。

燃氣輪機的發(fā)展已有多年歷史。在航空推進領域，其已完全取代了往復活塞式內燃機。而在非航空推進領域，燃氣輪機也得到了廣泛應用。自1939年瑞士成功制造出第一臺發(fā)電用燃氣輪機以來，陸用燃氣輪機得到了長足發(fā)展，并且在軍用艦艇領域也得到了廣泛應用。

在電力工業(yè)中，燃氣輪機的裝機容量約占電網(wǎng)總容量的10%。因為其具有體積小、重量輕、啟動快，少用或不用冷卻水等特點，所以主要用作于大電網(wǎng)的應急備用電源或調峰機組。隨著燃氣輪機單機容量的增大與熱效率的提高，目前也對蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)機組開展了研究[4]，從而進一步提升綜合效率，以便逐步承擔基本負荷。同樣作為發(fā)電用的主機，燃氣輪機與汽輪機的優(yōu)劣勢對比見表2[5]。

3" 閉式循環(huán)燃氣輪機

燃氣輪機常用循環(huán)為開式循環(huán)。采用開式循環(huán)的燃氣輪機吸入外部空氣，并在壓氣機中對其進行壓縮。空氣與燃料進行混合，經(jīng)燃燒室加熱后產(chǎn)生高溫燃氣，燃氣進入渦輪做功，然后進入回熱系統(tǒng)預熱空氣[6]，隨后排入大氣。開式循環(huán)燃氣輪機內部工質壓力較低，設備組成較為簡易。而在核能發(fā)電領域，為確保安全性，多采用閉式循環(huán)燃氣輪機。

如上文所述，燃氣輪機具有較好的加速性與機動性，但對于核電站而言，該特點并不會起決定性作用。雖然閉式循環(huán)燃氣輪機的尺寸依然較小，但由于需要與空氣鍋爐或核反應堆相匹配，同時需要采用相應的冷卻系統(tǒng)，因此既有的響應性好及系統(tǒng)簡易的優(yōu)勢被大幅削弱。

在歐洲等地，閉式循環(huán)燃氣輪機已得到了應用與發(fā)展。閉式循環(huán)燃氣輪機的工質可采用多種氣體。其中，二氧化碳、氮氣及氦氣等氣體都可以作為工質。當采用性質明顯區(qū)別于空氣的其他氣體時，燃氣輪機的最高熱效率和有效功率等參數(shù)都會發(fā)生改變。對閉式循環(huán)燃氣輪機而言，采用其他類型的工質有著重要意義。

4" 閉式循環(huán)燃氣輪機工質的選擇

如上文所述，許多氣體都可以用作于閉式循環(huán)燃氣輪機的工質，二氧化碳曾作為重點研究對象。其中，閉式循環(huán)燃氣輪機如以二氧化碳作為其工質，主要有以下優(yōu)勢：

1）易于獲得，且成本低廉；

2）相關機組此前已有一定的運行經(jīng)驗；

3）二氧化碳的保存和運輸過程較為簡易；

4）采用二氧化碳的機組密封性更好，補充漏泄的二氧化碳也更為便捷。

而閉式循環(huán)燃氣輪機如以二氧化碳作為工質，也存在一定的弊端，主要如下：

1）在高溫條件下，二氧化碳可能會與核反應堆的結構部件發(fā)生相互反應；

2）循環(huán)熱效率與進入渦輪前的工質壓力有較大關系，而以二氧化碳為工質時，很難實現(xiàn)較高的壓力。

從長遠來看，基于上述特點，二氧化碳并不適于作為閉式循環(huán)燃氣輪機的工質。目前普遍認為，以氦氣為工質的閉式循環(huán)燃氣輪機有著較好的發(fā)展前景，該類設備也可被稱為氦氣輪機。其中，氦氣與氮氣及二氧化碳的技術對比見表3。

為了確保系統(tǒng)的安全性，會將核反應堆、氦氣輪機及發(fā)電機等設備均安放在同一個殼體中。氦氣本身是惰性氣體，不易與金屬起化學作用，并且傳熱系數(shù)也高于空氣等氣體。

在其他條件相同時，氦氣在管道中的壓力損失明顯低于空氣。在溫度和阻力系數(shù)相同的前提下，上述特點將有利于強化傳熱，從而可減小換熱設備的體積和重量。此外，以太陽能或核能作為能源的空間動力裝置，也往往會采用帶回熱系統(tǒng)的閉式循環(huán)氦氣輪機?？傊瑹o論從核反應堆、壓氣機及渦輪的工作情況來看，還是從各種換熱設備的要求來看，氦氣都是一種非常理想的工質。但氦氣也是一類較為稀有的惰性氣體，成本高昂，且不易獲得，一定程度上限制了其應用。

5" 氦氣輪機及其技術特點

5.1" 氦氣輪機的技術優(yōu)勢

氦氣在渦輪中做功后，再進入回熱系統(tǒng)中回收熱量，然后進入冷卻系統(tǒng)中冷卻，隨后進入壓氣機，在被壓縮到具有一定的壓力數(shù)值后，氦氣再進入回熱系統(tǒng)進行預熱，隨后進入核反應堆內，并被加熱到一定的參數(shù)。此后，具有較高溫度和壓力的氦氣再次進入渦輪做功，從而實現(xiàn)下一個循環(huán)過程[7]。與常規(guī)的開式循環(huán)燃氣輪機相比，氦氣輪機具有以下特點[8-9]。

1）單機容量有所提升。目前，開式循環(huán)燃氣輪機的單機容量約為50～100 MW。由于氦氣輪機可以采用更高的壓力，從而加大了工質的流量，相應提升了機組的做功能力。此外，氦氣的比熱明顯大于空氣。因此，在相同的溫度條件下，就單位流量工質所產(chǎn)生的功率而言，氦氣輪機明顯高于開式循環(huán)燃氣輪機。

2）換熱設備尺寸小。由于氦氣以較高的壓力在機組內部循環(huán)流動，再加上其熱物理性質較好，從而減小了回熱系統(tǒng)等換熱設備的尺寸。

3）氦氣輪機更易于滿足長期、可靠的運行要求。目前，氦氣所能達到的溫度要比常規(guī)的燃氣低200～300 ℃，但高純度氦氣對材料的腐蝕性較小，再加上氦氣輪機內的氦氣會在較低的馬赫數(shù)下流動（在溫度相同的情況下，氦氣中的音速低于空氣中的音速），這些因素皆有利于機組的運行過程。

4）氦氣輪機的調節(jié)性能更好。工質最高溫度對氦氣輪機性能參數(shù)的影響，總體上與開式循環(huán)燃氣輪機一致。即隨著渦輪前燃氣最高溫度的提升，工質的最佳壓比和最經(jīng)濟壓比、最大循環(huán)功，以及最高熱效率也隨之增大。通過改變入口參數(shù)，可以實現(xiàn)對開式循環(huán)燃氣輪機負荷的調節(jié)，從而改善熱效率；而對氦氣輪機而言，在不改變機組入口溫度的前提下，可以通過調節(jié)整個回路的壓力來改變工質流量，并實現(xiàn)對負荷的優(yōu)化。在較寬的負荷變化工況下，氦氣輪機的熱效率幾乎可保持不變。

5.2" 氦氣輪機的技術弊端

與空氣相比，氦氣的劣勢在于其分子量較小，因而使氦氣輪機壓氣機和渦輪部分的葉片級數(shù)較多。但在葉片材料允許的情況下，可適當提高葉輪圓周速度，從而在一定程度上補償此類缺陷。

與開式循環(huán)燃氣輪機不同，氦氣輪機往往需要采用冷卻水，與汽輪機相似，由此使系統(tǒng)的復雜性增大、占地面積增大，耗費的成本也相應提升。但氦氣輪機的排氣溫度較高，冷卻水的溫升相對較大。因此，在該情況下，其冷卻水用量僅為汽輪機的1/4～1/3。由于冷卻水的溫升較高，更有利于采用干式冷卻塔。在該情況下，可以不需要補給水，這對缺水地區(qū)的廠址選擇和電站總經(jīng)濟性的提升大有裨益。對總裝機功率為1 100 MW的氦氣輪機核電站而言，通常只需要2個能實現(xiàn)自然通風的干式冷卻塔即可滿足運行要求。

采用單回路的氦氣輪機具有較強的技術吸引力，其具有結構緊湊等優(yōu)勢。但其也有諸多缺陷，主要包括對材料的特殊要求、對工質的密封性要求，以及對遠距離操作的需求等。以上弊端與氦氣輪機型式無關。由于氦氣既用作于核反應堆冷卻劑，又用作于閉式循環(huán)燃氣輪機的工質。因此，在循環(huán)過程中，根據(jù)運行條件的變化，對氣體壓力也有著不同要求，由此對整個裝置的密封性也有著比較嚴格的要求。

6" 氦氣輪機熱力循環(huán)及優(yōu)化措施研究

6.1" 基于氦氣輪機的熱力循環(huán)研究

6.1.1" 參數(shù)對氦氣輪機熱力循環(huán)的影響

氦氣輪機的一大優(yōu)勢，是其最佳壓比和最經(jīng)濟壓比明顯低于燃氣輪機。產(chǎn)生這一結果的原因，是因為氦氣的比熱和絕熱指數(shù)明顯高于普通燃氣[10]。燃氣輪機的壓比較大，壓縮效果較好，因此流阻損失對燃氣輪機性能參數(shù)的影響不大。而氦氣輪機的壓比較小，故壓力損失對其性能參數(shù)的影響較大，由此可以得出以下2點結論：

1）壓氣機效率、渦輪效率和工質的壓力損失對氦氣輪機的性能參數(shù)都有較大的影響，有必要提高各個部件的性能參數(shù)，從而改善氦氣輪機的性能；

2）由于氦氣具有良好的熱力學性質，因此氦氣輪機具有較大的循環(huán)功，而且最佳壓比與最經(jīng)濟壓比的數(shù)值較小，有利于開展結構設計。

從經(jīng)濟角度進行分析，氦氣輪機并未顯著優(yōu)于開式循環(huán)燃氣輪機。因此，為了提升氦氣輪機的經(jīng)濟性，必須采用回熱或熱電聯(lián)產(chǎn)等技術措施。在機組實際運行過程中，動力性與經(jīng)濟性之間往往存在著矛盾。即功率最大時，機組的經(jīng)濟性較低；而當經(jīng)濟性最好時，其功率又會下降。因此，較為合理的辦法是采用折中方案，兼顧二者。

在研究開式循環(huán)燃氣輪機的熱效率、有效功及其他特性時，所采用的壓力是相對值而不是絕對值。而氦氣輪機的熱效率、有效功及其他主要特性，可以根據(jù)相應的開式循環(huán)來進行計算[11]。

在實際循環(huán)中，機組熱效率會隨壓比發(fā)生變化，并會出現(xiàn)極大值。與此同時，當壓比一定時，隨著溫比的提高，熱效率的值越大，壓比越大，溫比對熱效率的影響也會越大。這是實際循環(huán)與理想循環(huán)之間的差異。而溫比越高，最高熱效率和最經(jīng)濟壓比也會越大。

6.1.2" 基于氦氣輪機的理想熱力循環(huán)過程分析

目前，研究熱力循環(huán)的目的在于選擇最佳的循環(huán)方案和工質參數(shù)，以達到最佳的熱效率。如表1所示，在一定的溫度條件下，燃氣輪機所遵循的簡單理想循環(huán)為布雷頓循環(huán)或焦耳循環(huán)[12]。而對于熱力發(fā)動機而言，最為理想、且熱效率最高的循環(huán)則為卡諾循環(huán)。

以卡諾循環(huán)為例，如果對氦氣輪機采用回熱系統(tǒng)并且回熱度為1時，機組等溫壓縮和等溫膨脹的理想循環(huán)的熱效率將趨于最大值。因為在渦輪中進行等溫膨脹后，完成做功的氦氣的剩余熱量將通過回熱系統(tǒng)全部傳遞給壓氣機后的新鮮氦氣，使其溫度進一步提升。因此，在加熱和冷卻的過程中，熱能只是在工質內部進行傳遞，并沒有考慮工質與外界進行熱交換所產(chǎn)生的損失，從而使理論上的循環(huán)熱效率大幅提升，并且此時單位工質所輸出的功率也最大，可謂最理想的循環(huán)方案。

但實際上，要在燃氣輪機等熱力發(fā)動機中實現(xiàn)等溫壓縮和等溫膨脹是不可能的，因為靠等溫的方法輸入和排出熱量并不現(xiàn)實，而且在回熱過程中沒有考慮溫度的降低，即回熱度為1的回熱過程通常也無法實現(xiàn)，卡諾循環(huán)僅為一類存在于理論中的循環(huán)。

因此，需要在布雷頓循環(huán)基礎上，為氦氣輪機選用多級壓縮、中間冷卻、多級膨脹及中間再熱的循環(huán)方案，使其盡量接近等溫壓縮和等溫膨脹的過程，其為優(yōu)化循環(huán)熱效率的有效途徑。但與此同時，采用中間冷卻和中間再熱過程將會顯著增加設備的數(shù)量，并加劇了管路裝置的復雜性，因此，需要在技術及經(jīng)濟層面上進行合理的選擇。目前，相關試驗與實際應用都已證明，通過采用中間再熱、中間冷卻及回熱等方案，可以顯著改善氦氣輪機的性能。

6.2" 基于氦氣輪機的循環(huán)優(yōu)化措施研究

考慮到工質在氦氣輪機各個部件中的阻力損失，以及機組的壓比、循環(huán)功和熱效率等實際參數(shù)，會明顯低于理想循環(huán)時的性能參數(shù)。為減小阻力損失，需要提高各個部件的效率，尤其是渦輪和壓氣機的效率。從技術層面而言，采用熱電聯(lián)產(chǎn)來提高一次能源的利用率是一種簡單易行的方法，其弊端在于熱能的使用價值往往較低。

在采用回熱系統(tǒng)的前提下，氦氣輪機的工作原理與開式循環(huán)燃氣輪機基本相同。在開式循環(huán)燃氣輪機中，工質經(jīng)壓氣機壓縮后先進入回熱系統(tǒng)進行加熱。由于工質吸收了部分熱能，溫度有所提高。隨后，工質在核反應堆中再次加熱，使工質的溫度有了進一步提升。高溫、高壓的氦氣進入渦輪并膨脹做功后，壓力和溫度顯著降低。與開式循環(huán)燃氣輪機不同的是，工質離開回熱系統(tǒng)后，會在冷卻系統(tǒng)中進行第二次冷卻，然后重新進入壓氣機中進行壓縮。

在采用了回熱系統(tǒng)后，工質在整個裝置中的流動阻力也相應增大。如果工質在壓氣機中的壓比與不采用回熱系統(tǒng)時相同，那么工質的壓力等參數(shù)將會減小，同時，工質在渦輪中的膨脹比也將小于不采用回熱系統(tǒng)時的膨脹比，從而使循環(huán)功減小。在分析理想循環(huán)時應注意，采用中間冷卻系統(tǒng)可顯著增大循環(huán)功，并且具有較好的經(jīng)濟性，又能輸出較高的功率，是一類較為有效的方案[13]。

與開式循環(huán)燃氣輪機的特性一樣，采用中間冷卻系統(tǒng)及回熱系統(tǒng)的氦氣輪機的熱效率會隨著渦輪前燃氣溫度的增大而提高，最經(jīng)濟壓比也會隨著該參數(shù)的增大而增大。因此，氦氣輪機的另一項優(yōu)勢是在額定工況點附近，隨著壓比的變化，熱效率的變化較為平緩。工質溫度越高，該特點越明顯。因此，在氦氣輪機的實際設計過程中，無需為了更高的熱效率而選取過大的壓比。而是應該選取一種折衷方案，此時的熱效率雖然略低于最高值，但機組的體積和重量卻能顯著降低，同時會為結構設計帶來較大的便利性。

目前，氦氣輪機也有望應用于艦船動力[14]。在采用中間冷卻系統(tǒng)及回熱系統(tǒng)的前提下，艦用氦氣輪機的工作原理與開式循環(huán)燃氣輪機完全相同。其主要差別在于，艦用氦氣輪機的高壓渦輪后方安裝了2個自由渦輪。其中一個用于發(fā)電，另一個則用于驅動螺旋槳，為艦船提供推進動力。由于艦船的航速經(jīng)常會發(fā)生變化，并且在白天或黑夜時的用電量也不盡相同。因此，動力渦輪和發(fā)電渦輪的負荷并非處于固定狀態(tài)。為了能對二者的負荷進行調節(jié)，通常會配備有調壓閥，以此改變工質的壓力。

7" 高溫氣冷堆及其與氦氣輪機的匹配使用

7.1" 高溫氣冷堆發(fā)展概況

高溫氣冷堆是一種以低濃度鈾（濃度為2%～5%的235U）或高濃度鈾加釷的氧化物（或碳化物）的涂敷顆粒作為核燃料，以石墨作為中子慢化劑，以氦氣作為冷卻劑的先進核反應堆[15]。其中，高溫氣冷堆與壓水堆的總體特性對比見表4。

為便于反應的進行，會將堆芯中的核燃料制成直徑為幾百微米的顆粒，外面涂上3～4層熱解碳和碳化硅涂層，再經(jīng)焙燒而成，涂敷碳層的作用是：保護核燃料，并防止裂變物向外泄露[16]。

表4" 高溫氣冷堆與壓水堆的總體對比

制造高溫氣冷堆燃料元件的方法：先將上述微小的顆粒燃料分散在石墨基體中，外面用石墨層包上，然后制成球狀或柱狀的燃料元件。這種核反應堆的燃料元件取消了金屬包殼材料，將燃料元件裝在球狀或棱柱狀石器結構中，從而制成石墨燃料組件。堆芯由石墨燃料組件砌制而成，石墨既作為燃料元件的結構材料，又作為堆芯的中子慢化劑。隨著高溫氣冷堆冷卻劑工作溫度的提高，需要提供耐高溫、耐輻射的堆芯材料和管路材料。

7.2" 高溫氣冷堆與氦氣輪機的匹配應用及相關優(yōu)勢

考慮到氦氣輪機的技術特點，采用高溫氣冷堆的核電站往往會以其作為用于發(fā)電的主機[17]。氦氣在壓氣機中被壓縮后，即進入核反應堆，并吸收堆內可控核裂變鏈式反應所釋放的熱能，使其溫度得以大幅提升。高溫、高壓的氦氣在渦輪內完成膨脹做功后，即進入冷卻系統(tǒng)進行冷卻，再進入壓氣機重復上述循環(huán)。

與壓水堆不同，由于不采用雙回路循環(huán)，因此高溫氣冷堆無需采用體積較大的換熱器，與以水為冷卻劑的壓水堆核電站相比，采用氦氣輪機的高溫氣冷堆核電站具有許多優(yōu)勢：

1）氦氣的中子俘獲截面較小，不會活化，故不會帶有源于γ射線的感應放射物質，這對于放射性防護而言較為有利。

2）能直接利用核反應堆出口熱量，以提高工質溫度。

3）核反應堆與氦氣輪機直接相連，因此當負荷變化時，不會出現(xiàn)功率傳遞時的延遲現(xiàn)象。

4）即使在較高的溫度下，氦氣也不會與金屬材料發(fā)生化學反應，因此可提升氦氣的溫度，以改善循環(huán)熱效率。

5）氦氣輪機的工質壓力低于汽輪機，降低了對機組材質強度的要求。

6）氦氣輪機渦輪部分最后一級的容積流量較小，即使是功率為1 MW的機組，渦輪最后一級葉片的高度也只有500 mm，明顯小于汽輪機最后一級葉片的高度，降低了制造工藝要求，提升了部件在運行過程中的可靠性。

7）與采用中間冷卻系統(tǒng)的氦氣輪機相比，汽輪機機組的軸向尺寸要長50%以上。因此，氦氣輪機具有體積小、重量輕、結構簡易及占地面積少的優(yōu)勢。

8）氦氣具有良好的熱物理性質，可以設計出溫差和壓力損失較小的回熱系統(tǒng)和中間冷卻系統(tǒng)。

9）由于氦氣輪機不以蒸汽作為工質，因此不會產(chǎn)生由濕蒸汽引起的轉子超速問題，也無需采用復雜的調速機構。

10）由于氦氣輪機動力裝置結構尺寸較小，故在加工制造過程中，無需配備大型加工機床和大型起重設備。

正由于氦氣輪機具有上述優(yōu)勢，因此于近年來得到了高速發(fā)展。但如5.2中所述，氦氣輪機也并非十全十美，仍存在一系列問題。目前，氦氣的成本明顯高于其他氣體工質。其次，氦氣易于泄漏，因此應重點關注軸承處的密封問題。

8" 氦氣輪機技術研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向

8.1" 氦氣輪機的技術現(xiàn)狀

由于氦氣輪機的工質溫度較高，因此回收的熱能可用于淡化海水、遠距離供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)，或者為化學工業(yè)及輕工業(yè)的某些工藝流程提供熱能。由此，既能提高一次能源的利用率，同時還降低了對環(huán)境的污染。

如6.2中所述，考慮到輸出功率和工質參數(shù)的不同，在部分應用環(huán)境下，氦氣輪機可以被設計成由2臺渦輪組成的雙軸系統(tǒng)。其中，高壓渦輪用于驅動高壓壓氣機，而低壓渦輪則用于驅動低壓壓氣機及發(fā)電機。

經(jīng)過多年來的發(fā)展，氦氣輪機的單機功率有了顯著提升。與同等功率的汽輪機相比，氦氣輪機裝置的尺寸更小、重量更輕，所需的冷卻水量約為前者的1/4～1/2，而且在冷卻系統(tǒng)出口處的冷卻水溫也更高，因此能夠更有效地用于供暖。

目前，提高氦氣輪機的工作效率主要可從以下2種方法入手：

1）進一步改進主要設備的性能，從而大幅提高熱效率；

2）可采用回熱系統(tǒng)，從而可充分利用排氣的熱量，并對提高熱效率有顯著效果。

8.2" 氦氣輪機未來的應用及發(fā)展方向

除了上述各種優(yōu)勢以外，在氦氣輪機發(fā)展的過程中，還存在著一系列亟待優(yōu)化的問題。其中，最主要的問題是確保氦氣輪機在運行過程中的安全性及可靠性，同時還應盡量避免氦氣的泄漏等問題。

與其他燃氣輪機裝置一樣，氦氣輪機入口溫度較高，因此要求采用優(yōu)質鋼（通常為奧氏體鋼），而且還要采用專門的冷卻措施。氦氣輪機的負荷調節(jié)可通過改變壓力、溫度（在流量不變時）來實現(xiàn)，并可采用旁通系統(tǒng)及可調葉片等部件。其中，不同的調節(jié)方法對變負荷工況下的響應性、經(jīng)濟性、系統(tǒng)復雜性，以及新部件更換難易程度等因素所產(chǎn)生的影響都不盡相同。同時，氦氣輪機必須在較高的溫度下運行，但由此將引起系統(tǒng)可靠性的降低。

由于采用一體化布置，由此需要降低一回路的放射性，并減少裂變產(chǎn)物對設備的污染，同時需要定期檢查、維護及修理一回路的設備。目前，已對裂變產(chǎn)物的遷移和沉積現(xiàn)象開展了研究，并針對設備的清潔處理過程進行了優(yōu)化。

在材料試驗及研究方面，較為重要的工作是對氦氣輪機葉片和管道的材料進行優(yōu)化。同時，還需對表面處理開展研究，以降低機組在氦氣作用下產(chǎn)生的摩擦損失。

為了在建堆前獲得直接運行經(jīng)驗，需要建立部分試驗回路，包括全尺寸的模擬試驗回路。目前，需要對設備和部件的結構開展試驗，主要包括氦氣輪機的關鍵部件（如轉子冷卻系統(tǒng)與軸封等）。

不僅如此，對用于大型高溫氣冷堆的風機的要求極為苛刻。一方面，該類風機需要在800 ℃左右的高溫下工作，并且每分鐘的轉速高達數(shù)千轉。另一方面，由于軸承在氦氣內的潤滑條件較差、摩擦面易于咬合，使氦氣極易泄漏。因此，風機需要采用特別的軸承和軸封結構。此類風機需要專門試制而成，技術難度較高。而對放射性氦氣輪機的凈化處理等問題，都需要開展相關研究，并妥善解決。

此外，針對預應力混凝土壓力殼、回熱系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)，以及整個核電站的動力學問題，都有待深入研究。

9" 結論及展望

從20世紀50年代起，就已針對閉式循環(huán)燃氣輪機開展了設計及研究工作。閉式循環(huán)燃氣輪機與燃燒碳氫燃料的開式循環(huán)燃氣輪機的主要差別在于，二者對工質的加熱方法不同。前者工質按閉式循環(huán)運行，而后者工質則按開式循環(huán)運行。

近年來，針對在高溫氣冷堆核電站中采用閉式循環(huán)燃氣輪機的技術方案，許多國家又開展了大規(guī)模的科學研究及試驗工作。而在閉式循環(huán)燃氣輪機所采用的諸多工質中，氦氣有著最好的應用前景。氦氣是一類化學性質不活潑的惰性氣體，與二氧化碳等氣體比較，氦氣具有較好的熱物理性質。作為核反應堆的冷卻劑，氦氣幾乎可以在任何壓力與溫度條件下運作。在現(xiàn)有的技術條件下，氦氣的工作溫度并不會特別高。除了具有理想的惰性及良好的熱物理特性外，氦氣還具有中子俘獲截面小的特點，并且在受到核輻射后，也不會產(chǎn)生放射性物質?？紤]到上述特點，以氦氣作為工質的閉式循環(huán)燃氣輪機得到了廣泛應用，即本文重點研究的氦氣輪機。

經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)已發(fā)展了一種適用于氦氣輪機，并采用球形核燃料元件的高溫氣冷堆，并從中積累經(jīng)驗，從而推動了氦氣輪機的使用。在循環(huán)中，作為高溫氣冷堆冷卻劑的高溫、高壓氦氣直接進入渦輪，將熱能轉化為機械能，并驅動發(fā)電機，將機械能轉換為電能。氦氣輪機可以被設計成單回路系統(tǒng)。由此簡化機組的熱力循環(huán)過程，并降低其總成本。與用于壓水堆的汽輪機相比，用于高溫氣冷堆的氦氣輪機具有以下特點：

1）系統(tǒng)結構簡單；

2）與同功率的汽輪機相比，氦氣輪機的尺寸更小，可與核反應堆一起布置在預應力混凝土安全殼內；

3）循環(huán)熱效率高達40%；

4）如將氦氣輪機排出的氦氣用于供熱，可使整個系統(tǒng)熱利用率高達80%。

從熱力學基礎理論中可知，卡諾循環(huán)熱效率最高，但該循環(huán)無法在各類燃氣輪機中實現(xiàn)。在簡單布雷頓循環(huán)的基礎上，氦氣輪機系統(tǒng)可采用回熱、中間冷卻和中間再熱等方案，以此提高循環(huán)的熱效率及機組功率。隨著相關技術的發(fā)展，氦氣輪機有望得到廣泛應用。除了發(fā)電領域之外，高溫氣冷堆及氦氣輪機在船舶動力領域也有著較好的前景。

參考文獻：

[1] 伍賽特.基于節(jié)能減排目標的新型車用動力裝置研究與展望[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（2）：34-36.

[2] 伍賽特.潛艇AIP系統(tǒng)技術特點及其未來應用前景研究[J].傳動技術，2020，34（4）：40-48.

[3] 理查德·布洛克利，史維.推進與動力[M].北京：北京理工大學出版社，2016：27.

[4] 伍賽特.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的技術特點及應用研究[J].能源與環(huán)境，2021（2）：52-53，72.

[5] 伍賽特.燃氣輪機與汽輪機的對比研究及未來發(fā)展分析[J].上海節(jié)能，2021（5）：480-484.

[6] 陳林根，孫豐瑞.回熱對閉式燃氣輪機循環(huán)性能的影響[J].船舶工程，1995（2）：31-33，2-3.

[7] 陳喆.氦氣輪機閉式循環(huán)裝置的建模與仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[8] 周佳慧.高溫氣冷堆氦氣輪機基本特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[9] 周佳慧，鄭群，劉順隆.高溫氣冷堆氦氣輪機性能的初步研究[J].熱科學與技術，2006（4）：367-370.

[10] 陳林根，孫豐瑞，陳文振.閉式燃氣輪機循環(huán)的有限時間熱力學分析[J].燃氣輪機技術，1994（2）：34-39.

[11] 陳林根，孫豐瑞.閉式燃氣輪機回熱循環(huán)功率和效率新公式[J].燃氣渦輪試驗與研究，1997（2）：21-26.

[12] 礦物燃料發(fā)電廠[J].中國電力，1995（7）：53-54，74.

[13] 周佳慧，鄭群.閉式循環(huán)高溫氣冷堆氦氣輪機的性能優(yōu)化[J].燃氣輪機技術，2006（1）：37-42.

[14] 伍賽特.核動力艦船發(fā)展前景展望[J].節(jié)能，2019，38（3）：117-120.

[15] 王捷.高溫氣冷堆技術背景和發(fā)展?jié)摿Φ某醪窖芯縖J].核科學與工程，2002（4）：325-330.

[16] 杜圣華.核電站堆型[J].核科學與工程，1993（3）：283-287.

[17] 王輝，王沖.用于高溫氣冷堆發(fā)電設備的閉式循環(huán)氦氣輪機裝置[J].熱能動力工程，2005（4）：337-341，439.