模块式高温气冷堆是具有固有安全性的先进反应堆堆型，清华大学核能与新能源技术研究院(简称核研院)建成了10 MW高温气冷试验堆(HTR-10)^[1]，并且正在建设商用高温气冷堆示范电站(HTR-PM)^[2]，将于近期运行发电。高温气冷堆发电有2种基本的热力循环模式：蒸汽轮机循环发电和氦气透平循环发电，前者在工程上相对成熟，后者还处于探索阶段。高温气冷堆蒸汽轮机循环发电的核心部件是主氦风机，驱动一回路氦气循环载出堆芯热量。高温气冷堆氦气透平循环发电的核心部件是氦气透平压气机，驱动一回路氦气载出堆芯热量的同时驱动发电机发电。

清华大学核研院氦透平和氦风机研究室承担了HTR-10和HTR-PM 2个高温气冷堆的核心部件的研制任务。对于HTR-10，研制成功了主氦风机并安装在反应堆上，至今运行良好。同时，研制成功了氦气透平压气机样机，取得了堆外试验的成功。对于HTR-PM，研制成功了主氦风机，现已安装在反应堆上运行良好。同时，研究设计了商用高温气冷堆的氦气透平压气机，现已完成了设计任务。

本文以HTR-10和HTR-PM为应用背景，分别介绍氦气透平压气机和主氦风机的研制情况，以及主氦风机综合试验平台的研制情况。

1 高温气冷堆氦气透平发电研究

高温气冷堆氦气透平发电方案可以充分利用高温堆产生的高品位热能，是一个比较理想的高温堆发电方案。高温堆氦气透平发电技术的理论基础是闭式Brayton循环，核心部件是氦气透平压气机。

1.1 闭式Brayton循环研究

高温气冷堆氦气透平直接循环发电的流程图如图 1所示^[3]，高压氦气经过反应堆堆芯后被加热至850℃以上，然后直接冲击涡轮机做功，涡轮机带动发电机发电同时也带动压气机压缩氦气。涡轮机的尾气仍然具有较高温度(>500℃)，经过回热器低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器降至低温。低温氦气进入带有中间冷却器的压气机组，然后被压缩成高压氦气。高压氦气经回热器高压侧后被加热至接近涡轮机的排气温度，然后再进入反应堆堆芯重复被加热过程。高温堆氦气透平循环的理论基础是闭式Brayton循环，其热力循环T-S图如图 2所示^[3]。

1.1.1 稳态特性和优化分析

图 1和图 2的热力循环过程包含8个子过程，应用动量守恒方程和能量守恒方程于这8个子过程再加上补充方程，可以建立一个包含19个独立方程的联立方程组。各节点的温度和压力，以及循环与外界换热量共有22个变量，其中循环最低温度T₁、最高温度T₄和特征压力p₁为运行参数需要赋值，其余19个变量作为自变量与19个方程构成方程组唯一解系统。方程组的参数共有13个，包括各设备的设计参数和循环工质的物性，从而决定方程组的特性。如果作为研究对象的氦气工质循环物性是常数，则剩余11个参数^[4]。在求得温度场的基础上，可以得到循环效率为

$ \eta=\frac{\left(T_{4}-T_{3}\right)-\left[\left(T_{6}-T_{1}\right)+\left(T_{2 a}-T_{2 b}\right)\right]}{\left(T_{4}-T_{3}\right)} . $

(1)

本文选择最重要的2个影响因素——运行参数中的循环最低温度T₁和设计参数中的循环压缩比γ，对循环的稳态特性进行观察，如图 3所示。循环效率η随压缩比γ的增加先上升后下降，存在一个最佳值γ_opt，且随着反应堆出口温度T₄的升高有所增大。反应堆出口温度T₄对循环效率的影响较大，随着反应堆出口温度的提高, 循环效率明显增大，反应堆出口温度T₄从700℃升高到1 200℃，最佳循环效率从41.90%升高到57.21%。图 3可以看出，运行参数中循环的最高温度T₄和最低温度T₁是通过温比τ(τ=T₄/T₁)来影响循环效率的，温比相同循环效率相等。另外，通过分析可以证明运行参数中特征压力p₁对循环效率没有影响。

在稳态特性研究的基础上进行优化分析计算，目标函数是循环效率(式(1))，通过进一步推导可以得到循环效率是运行参数和设计参数的多元函数，其函数图如图 4所示。在优化分析中需要加入工程限制因素：一个是循环压缩比γ，因为过大的压缩比导致透平压缩机级数过多，轴系太长需要过高阶弯曲临界转速；另一个是反应堆入口温度T₃，因为反应堆入口的氦气与压力壳直接接触，过高的温度导致压力壳材料失效影响反应堆安全。这个优化问题成为一个在定义域范围内求解具有约束条件的多元函数最大值的数学问题。根据现有工业界的水平，循环压缩比γ的限值选为3.0，反应堆入口温度T₃的限值选为550℃^[4]，循环效率最大值取值范围是图 4中的阴影区。

优化分析后求得2个应用背景下的优化结果。一是基于现有的成熟技术，堆芯出口温度T₄为850℃的工况，循环压缩比2.40，堆芯入口温度550℃，循环效率47.70%。涡轮入口温度也为850℃，涡轮叶片可以采用不含钴镍基合金，不需要设置叶片内部冷却，可以长期运行。二是基于前瞻性技术，堆芯出口温度T₄为900℃的工况，循环压缩比2.75，堆芯入口温度550℃，循环效率48.92%。涡轮入口温度也为900℃，涡轮叶片采用钼基TZM合金材料，不需要设置内部叶片冷却，可以长期运行^[4]。

1.1.2 动态特性和控制方法

通过闭式Brayton循环的动态分析，揭示了循环的动态变化机理，并且证明了闭式Brayton循环存在3种基本的功率调节控制方法，如图 5所示。

1) 反应性调节。通过控制棒调节堆芯的反应性，直接结果是反应堆出口温度上升或下降。

2) 充装量调节。打开节点1或2处的阀门，回路中的氦气流出或流入储气罐，回路中氦气压力上升或下降，做功能力增大或减小。

3) 旁路阀调节。旁路阀打开，涡轮背压提高做功能力下降，同时压气机流量增大，耗功增大，输出功急剧下降。上述3种基本调节方法可以单独使用，也可以复合使用^[5-6]。

图 6显示了3种控制方法的特性。充装量调节是运行功率调节的主要手段，充装量调节需要和反应堆功率调节同步，从而保证在部分载荷下仍然具有很高的循环效率。反应性单独调节的直接结果是反应堆出口温度随之变化(也称温度调节)，在较高的部分载荷下效率仍然较高，但是在低载荷下效率下降较大。旁路阀调节是一种快速调节方法，可以迅速降低输出功率，代价是效率急剧下降^[7]。

旁路阀调节通常用于应急需要，例如甩负荷状态，如图 7所示。因为10 MW高温气冷试验堆加装氦气透平发电机(HTR-10GT)的一个算例。氦气透平压气机和发电机以额定转速运转，10 s时失去外负荷，转速急剧上升；11 s时转速为额定转速110%，旁路阀打开；11.25 s时旁路阀全开。之后转速继续上升，到达顶点后开始下降，最高转速远低于120%额定转速。旁路阀全开流量决定转速下降速度和水平，流量大时下降速度快，稳定转速低，反之亦然^[8]。

1.2 氦气透平压气机设计和研制

高温气冷堆氦气透平循环发电的最核心部件是氦气透平压气机。首先，以HTR-10为应用背景，成功研制2.2 MW氦气透平压气机组；在此基础上，以HTR-PM为应用背景，研究并设计了120 MW氦气透平压气机组。

1.2.1 氦气透平压气机样机研制(2.2 MW)

2.2 MW氦气透平压气机组采用单轴立式布置形式，从上至下依次为涡轮机、高压压气机和低压压气机。涡轮机下部进气上部排气，压气机也是下部进气上部出气，可以有效抵消轴向气动力。因为工质的体积流量较小，额定转速设计为15 000 r/min，以增加叶片的高度。涡轮机入口温度为750℃，压气机入口温度为35℃。涡轮机设计为6级，等熵效率为86.5%。低压压气机设计为6级，等熵效率为84.5%。高压压气机设计为8级，等熵效率为84.5%。2.2 MW氦气透平压气机组设计参数如表 1所示，结构图如图 8所示，研制成功的样机照片如图 9所示。

1.2.2 商用氦气透平压气机设计(120 MW)

在2.2 MW氦气透平压气机组研制成功的基础上，着手对120 MW商用氦气透平压气机组进行研究设计。商用氦气透平压气机组的结构布置和2.2 MW氦气透平压气机组的一样，如图 8所示。因为工质体积流量较大，叶片高度有裕量，转速可以设计为6 000 r/min，尽量接近电网频率，以减小变频电源的难度。涡轮机的入口温度为900℃，压气机的入口温度为26℃。涡轮机设计为6级，等熵效率为89%。低压压气机设计为8级，等熵效率为88%。高压压气机设计为10级，等熵效率为88%。120 MW氦气透平压气机组设计参数如表 2所示，设计图纸的三维造型如图 10和11所示。

2 高温气冷堆主氦风机研制 2.1 HTR-10主氦风机研制

为了避免穿轴造成一回路气体的泄漏，HTR-10主氦风机整机安装在反应堆一回路蒸气发生器压力壳内的顶部。主氦风机采用立式布置，上部为驱动电机，下部为叶轮，并用隔板分为2个腔室。电机腔室安装有冷却器，保证氛围温度在60℃以下。叶轮直接置于下腔室一回路氦气中，工作温度为250℃，压力为3.0 MPa。HTR-10主氦风机采用单级离心式风机，主要的设计参数如表 3所示，流量为4.3 kg/s，压头为60 kPa，转速为5 000 r/min。

HTR-10主氦风机研制完成后，首先在堆外的试验平台上进行了性能试验。试验平台主工艺系统是大口径闭式试验回路，由大口径阀门调节流量变换流道阻力，模拟反应堆一回路的热工水力特性。回路中还安装有换热器，排出主氦风机产生的热量。试验范围涵盖了各种参数的变化范围，包括试验回路的参数流道阻力和工质密度，风机的参数转速和功率，取得了完整的试验数据。图 12为主氦风机性能图，其性能满足设计要求^[9-10]。

HTR-10主氦风机在堆上安装完毕后还要进行堆上运转试验，图 13为试验结果。从试验结果可以看出，堆上试验结果恰好落在堆外试验结果的性能曲线族的一根曲线上。主氦风机的研制成功以及堆外试验和堆上试验的成功，为HTR-10的顺利运行奠定了基础。

2.2 HTR-PM主氦风机研制 2.2.1 HTR-PM主氦风机结构特点

HTR-PM主氦风机是在HTR-10主氦风机的技术基础上研制的商用高温气冷堆用氦风机，两者技术路线一致，皆为离心式风机，但是功率不同。HTR-10主氦风机功率为160 kW，HTR-PM主氦风机功率为4 500 kW。

HTR-PM主氦风机是驱动高温气冷堆氦气冷却剂循环的风机。在反应堆启动、正常功率运行和停堆等各种工况下，主氦风机驱动足够流量的氦气在高温气冷堆一回路中循环；氦气流过反应堆堆芯，带走裂变热，然后流经蒸汽发生器将热量传给二回路的水，使水转变为水蒸气，水蒸气再驱动汽轮机发电；经蒸汽发生器后的冷氦气再由主氦风机压缩，循环返回堆芯，重新带出裂变热。

主氦风机的布置示意图如图 14所示，其主要部件包括：驱动电机、叶轮、扩压器、蜗壳、辅助叶轮、电磁轴承、风机挡板、电机冷却器、电气贯穿件、变频器系统、仪控系统等，其额定参数见表 4^[11]。

HTR-PM主氦风机有3个技术特点：内置式结构设计、采用电磁轴承系统、安全的风机挡板。

1) 内置式结构。

HTR-PM主氦风机用于驱动高温气冷堆一回路内压力为7.0 MPa的氦气，不允许带有放射性的氦气发生泄漏。HTR-PM主氦风机设计成内置式结构，即将驱动电机与叶轮同轴置于一回路氦气压力壳内，避免了复杂的转轴密封问题；但另一方面，带来了设计大型氦气内置式高速电动机和电气贯穿件，以及电机冷却器等技术问题。

2) 电磁轴承系统。

轴承是主氦风机的关键部件之一，HTR-PM主氦风机采用电磁轴承系统从根本上消除了采用油润滑轴承系统带来的润滑油污染和复杂的油气密封及净化处理等问题^[12]。

3) 风机挡板。

HTR-PM主氦风机进气口装有兼具能动与非能动功能的风机挡板，满足停堆时可靠地防止一回路冷却剂氦气发生自然循环的安全要求。

2.2.2 HTR-PM主氦风机设计分析

HTR-PM主氦风机在完成总体设计的基础上，还需要完成各部件的设计，并与整体设计进行反迭代和优化，设计分析主要包括：气动部件的气动力学设计，驱动电机的电磁及结构设计，电磁轴承的电磁、结构、冷却及其控制系统设计，整机的转子动力学分析，电机及电磁轴承的冷却系统热工分析与高效冷却设计，风机挡板结构及功能分析，整机的抗振分析等。

2.2.3 HTR-PM主氦风机试验

主氦风机试验包括样机型式试验和产品的出厂试验。样机型式试验包括部件试验、整机调试、整机性能试验、整机寿命考核4个阶段^[13]。部件试验包括：转子及叶轮超速试验、转子高速动平衡试验、电机性能试验、氦气介质环境下的电气绝缘试验、电磁轴承型式试验、电机冷却器水压试验及泄漏检测、风机挡板型式试验、电气贯穿件型式试验等。

整机调试是在各部件试验合格的基础上，完成主氦风机工程样机总装后开展的整机调试工作，包括：试验回路平台调试、仪控系统调试、整机升速调试、空气介质下的机械运转试验。

整机性能试验包括：氮气介质模拟性能试验，100 h(1.0 MPa氮气)热态满功率连续运行试验，7.0 MPa氦气介质下性能试验、50 h(7.0 MPa氦气)热态满功率连续运行试验。整机寿命考核试验包括：500 h(1.0 MPa氮气)热态耐久试验，50次(7.0 MPa氦气)服役周期试验和极限工况试验，详见下节相应内容。

HTR-PM主氦风机样机顺利通过了以上试验，并在试验过程中优化了各部件设计，试验结果验证了主氦风机在总体上满足了示范工程的技术要求。

2.2.4 HTR-PM主氦风机进展

在HTR-PM主氦风机样机型式试验的基础上，固化了主氦风机的设计，并开展了主氦风机产品制造。目前出厂试验合格的主氦风机已安装在石岛湾核电站建设现场，完成了单体调试，并将很快发挥其功能，为世界首座模块式高温气冷堆核电站的商业运行作出贡献。

3 高温气冷堆主氦风机综合试验平台

为保证HTR-PM项目的顺利推进，同时开展了2种氦风机的研制，一种是电磁轴承支承的氦风机，一种是干气密封氦气压缩机。两者都是大功率、高转速、高温立式离心风机，其功能相同、安装接口互换，为不同设计原理和技术结构的2个方案。2个方案各有特点，互为保障，共同确保和提升了重大专项的系统工程可靠性。重大专项《主氦风机工程验证》课题及《立式干气密封氦气压缩机核心部分研制与试验》《立式干气密封氦气压缩机样机研制与可靠性试验》课题由此而生。

由于叶轮机械的理论研究、计算分析需要从试验中获得数据的验证，同时氦风机上耦合了多项新技术，技术人员认为必须对氦风机样机进行充分的试验验证、反复优化后才能获得最终产品。为此，不仅针对氦风机系统的各个部件开展了部件研究，还研制了2个整机试验性能平台，将风机整机安装在性能试验平台上，模拟风机在反应堆一回路中的实际运行工况，开展了多项关键试验。

在氮气试验平台上，采用氮气作为运行工质，通过相似原理，来模拟氦气的运转，如图 15和16所示。风机满功率运行时，氮气的压力为1 MPa。2014年，在氮气试验平台上，顺利完成了电磁轴承氦风机的机械运转试验、满功率、部分负荷性能试验、100 h热态满功率连续运行试验、500 h耐久试验、惰转及紧急停机、断水等试验，为HTR-PM氦风机性能验证、设计工艺固化奠定了基础。图 17是试验中得到的100 h热态满功率运行试验压力升、功率曲线。高温气冷堆主氦风机研制也被评为了2014年中国高等学校十大科技进展。

2012—2015年间，为进一步验证风机在氦气环境下的性能，研制了如图 18和19所示的7.0 MPa的氦风机综合试验平台。该试验平台位于清华大学核研院昌平校区先进反应堆工程实验室中，占地约400 m²，采用钢结构设计，平台最高点距地面13 m，最低点为-10 m。采用高压力磅级、大直径的管路系统，主工艺回路管道直径为DN600 mm，包括主回路、氦气流量调节系统、氦气充装系统、氦气净化系统、循环冷却水系统、抽真空系统、干气密封供气系统、防喘振系统、仪表控制系统等9个工艺系统，系统复杂、设备模块多。

为了模拟反应堆的流量阻力特性，平台采用全流量设计，为了使主工艺回路上的换热器、阀门、管路特性满足反应堆的阻力要求，采用了大口径厚壁管道、5D大弯曲半径弯管、三偏心蝶阀、AK平衡流量计等多项降阻手段，通过反复优化设计，当额定工况氦气流量达到96 kg/s的情况下，平台主工艺回路的系统流阻可低于200 kPa，达到了大流量、低流阻的设计要求。平台设计了两级换热器，第一级为氦气-高压纯水换热器，保证在各种工况下，不会使水汽化，以完成各种事故工况的试验。第二级为高压水-循环水换热器，保证将系统内的热量带到冷却塔，释放在最终热阱。为解决大型管路热膨胀问题，研制了换热器滑销系统等。

该试验平台是世界最大的一体化氦风机性能在线监测平台，其流动特性与高温堆一回路流动阻力一致，能够实现全尺寸、全流量、全转速、满功率试验。在其上开展试验的氦风机样机与HTR-PM的氦风机工程机大小、形制完全相同，可以模拟0~7.0 MPa、常温至250℃、0~4 200 r/min的绝大多数氦风机工程机运行工况。同时，该试验平台设计时兼容了电磁轴承氦风机、干气密封氦气压缩机两类风机样机和工程用机的安装、试验能力，从而成为核研院重要的高温堆研发的工程试验平台，为现在和将来高温堆主设备的研制提供了可靠的技术保障。

2015—2016年间，在7.0 MPa的氦风机工程综合试验平台上，顺利完成了50 h热态满功率运行试验、入口挡板试验、50次服役周期试验、热态气动性能试验、极限工况试验等多项重大性能验证工作。图 20是主回路控制系统界面与通信参数界面，图 21是试验中获得的部分试验数据。

其中，50次的服役周期试验是最严苛的试验，通过试验模拟验证风机在反应堆40年寿期中的各种工况变化，积累寿命管理的工程经验。试验以氦风机从冷态启动，经历热态稳定运行、热态快速启动、变工况运行、热态紧急停机，直至最后停机冷却到室温等4种工况为一次服役周期。为了准确模拟这些工况，针对每一次周期试验，试验步骤如下：

1) 冷态启动3次；

2) 回路升温至正常运行温度；

3) 热态运行1 h；

4) 热态变速3次；

5) 热停机3次；

6) 降温到常温；

7) 停机测量电机及电磁轴承绝缘电阻。

因此，每次服役周期试验都需要持续十几个小时，运行参数在热态7.0 MPa、250℃与常温常压下反复切换，运行条件严苛，对试验设备和试验回路要求极高，试验难度很大。通过一年的时间，氦风机样机顺利通过了该项试验，试验过程和试验结果在业内得到了广泛的关注和赞誉。图 22是某次服役周期试验数据。

极限工况试验是模拟HTR-PM主氦风机在反应堆中可能出现的7种运行极限而进行的试验验证，包括：1) 主氦风机最大运行工况试验；2) 最低转速300 r/min热态运行试验；3) 电机冷却器最长断水时间试验；4) 极端热天气电机冷却器进水温的热态满功率运行试验；5) 1.0 MPa氦气条件下常温绝缘考核试验；6) 最高温度运行工况试验；7) 风机挡板小开度试验。

各项重要试验充分验证了电磁轴承氦风机的可靠性和可用性，体现了核研院氦风机研制的世界领先技术水平，获得了自主研发在先进核能核心装备技术上的重大突破。

2016—2020年间，立式干气密封主氦风机试验也完成了核心部件试验及部分运转试验，为高温堆氦风机的后续发展提供了充足的技术储备。试验中其额定工况的运行参数见表 4。图 23是立式干气密封主氦风机结构示意图，图 24是其试验运行界面。

4 结论

高温气冷堆是第四代反应堆中反应堆出口温度最高的一种堆型，其主要的应用形式之一是进行高效率的发电。清华大学核研院氦透平与氦风机研究室承担了高温气冷堆发电系统中关键动力部件——氦气透平压气机和主氦风机的研发工作，并取得了丰硕而有实际应用价值的研究成果。

通过闭式Brayton循环稳态特性和优化分析，确定了循环的基本方程和关键参数，求得2个不同应用背景下的优化结果。通过闭式Brayton循环的动态分析，揭示了循环的动态变化机理，并且证明了闭式Brayton循环存在3种基本的功率调节控制方法：反应性调节、充装量调节、旁路阀调节。同时针对循环内核心部件——氦气透平压气机，完成了2.2 MW样机研制与120 MW商用氦气透平压气机设计。

在主氦风机研制方面，研究室顺利完成了HTR-10与HTR-PM主氦风机研制。主氦风机具有内置式结构设计，采用电磁轴承系统，且装有安全的风机挡板。针对HTR-10主氦风机，完成了堆外性能试验和堆上运转试验，堆上试验结果恰好落在堆外试验结果的性能曲线族的一根曲线上。针对HTR-PM，完成了严苛的样机型式试验和产品的出厂试验，并在试验过程中优化了各部件设计。试验结果验证了主氦风机在总体上满足了示范工程的技术要求。

为进一步确保HTR-PM项目的顺利推进，研究室搭建了主氦风机综合试验平台，同时测试了2种主氦风机(电磁轴承主氦风机和干气密封主氦风机)的性能。该试验平台设计时兼容了这两类风机样机和工程用机的安装、试验能力，从而成为核研院重要的高温堆研发的工程试验平台，为现在和将来高温堆主设备的研制提供了可靠的技术保障。