東方自主大型核電汽輪機總體方案簡介

高宏喜

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

東方自主大型核電汽輪機總體方案簡介

高宏喜

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章就東方汽輪機有限公司 （簡稱東汽）自主開發(fā)1 000 MW等級以上大型核電汽輪機的總體布置、熱力系統(tǒng)、模塊方案、軸系、葉片和其他主要部件設(shè)計特點進行介紹。

總體布置，熱力系統(tǒng)，末級長葉片

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，核電、火電和水電構(gòu)成了世界三大電力支柱。核電具有安全、經(jīng)濟、清潔、可靠的特點，不僅可以滿足電力需求，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源布局、振興裝備制造業(yè)、促進高科技產(chǎn)業(yè)、保障能源安全也有十分重要的意義。目前我國運行和在建的核電項目主要采用引進技術(shù)，通過設(shè)備制造國產(chǎn)化的方式進行，在關(guān)鍵技術(shù)方面受到國外的技術(shù)封鎖，沒有自主權(quán)，導(dǎo)致建造和運營成本過高，且出口受限。為滿足核電長期發(fā)展和自主出口的需要，CAP1400、ACP1000、ACPR1000+等一批具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核堆應(yīng)運而生，其安全性、先進性都超越其他三代核堆。東汽為適應(yīng)國內(nèi)外核電市場發(fā)展的需求，開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的1 000 MW等級以上 （1 000 MW～1 800MW）的大型核電汽輪機。

1 熱力系統(tǒng)和總體布置

壓水堆核電汽輪機的蒸汽參數(shù)較低，一般為壓力5.5～7.5 MPa（a）、溫度280～300℃、濕度約0.5%的飽和蒸汽，給水溫度約220℃。因此，核電汽輪機與常規(guī)火電汽輪機做功的熱力過程線存在很大差異，見圖1（a），從圖中可以看出，高壓部分差別較大，而中、低壓部分基本重合。核電汽輪機的絕熱焓降大約只有火電汽輪機的一半，因此，輸出同樣的功率，核電汽輪機的進汽量大約為火電機組的2倍。東汽對大功率壓水堆核電汽輪機的熱力系統(tǒng)經(jīng)過全面的對比分析，認為采用2級高加、1級除氧和4級低加的7級回?zé)?，中間采用1級汽水分離加2級再熱的熱力系統(tǒng)方案最為合理，不僅參數(shù)匹配合理，效率較高，排汽濕度合適，而且系統(tǒng)設(shè)置和設(shè)備布置較為簡單，其熱力過程線見圖1（b），熱力系統(tǒng)圖見圖2。

圖1 熱力膨脹過程線

圖2 原則性熱力系統(tǒng)圖

東汽自主開發(fā)的1 000 MW等級以上大型核電汽輪機采用單軸、沖動式、半速 （1 500 r/min）、凝汽式汽輪機技術(shù)方案。1個合缸高中壓模塊位于汽機端，多個雙分流低壓模塊依次布置在電機端，MSR（臥式）、高壓閥、中壓閥分列機組兩側(cè)，通過主汽管及再熱管和汽缸相連，中壓排汽由汽缸兩側(cè)運行平臺下部的連通管從下半汽缸進入低壓缸。軸承箱 （落地）分別布置在汽缸前后兩端，機組總體布置如圖3所示。

圖3 四缸六排汽機組總體布置方案圖

2 高中壓模塊

高中壓模塊 （見圖4）采用單層、合缸結(jié)構(gòu)，高壓和中壓通流均為單流方式，整缸的通流效率比雙分流高壓缸效率有較大提高。高中壓通流相應(yīng)位置設(shè)有抽汽口。通流設(shè)計運用當(dāng)代先進的設(shè)計理念和方法，高壓采用等根徑設(shè)計，中壓采用變根徑設(shè)計，確保了機組具有最高的通流效率。高中壓進汽口 （熱區(qū)）位于汽缸的中部，排汽口分別設(shè)在汽缸兩端，有利于汽缸的溫度場分布及管道連接，并減小軸向推力。汽缸采用水平中分面上貓爪支撐形式，中分面由螺栓連接，前后分為高中壓缸和中壓排汽缸兩段，通過垂直法蘭螺栓連接和密封焊保證其密閉性。高中壓缸 （見圖5）和中壓排汽缸均采用鑄鋼件，高中壓缸為不銹鋼，中壓排汽缸為低合金鋼。

圖4 高中壓模塊示意圖

圖5高中壓汽缸示意圖

采用兩兩配對把合的隔板結(jié)構(gòu) （見圖6），不僅縮短了通流的軸向?qū)挾?，而且減少了隔板持環(huán)數(shù)量，使汽缸結(jié)構(gòu)簡單，便于澆鑄。高壓采用自帶冠導(dǎo)葉片，中壓采用直焊式導(dǎo)葉，出汽側(cè)設(shè)有徑向DAS汽封。動葉全部采用自帶冠結(jié)構(gòu)。汽封體采用鑄鋼件 （高壓段為不銹鋼），進排汽導(dǎo)流渦殼直接鑄造成型，與汽缸進排汽渦殼光滑過渡，具有良好的氣動性。

圖6 高中壓隔板示意圖

3 低壓模塊

低壓通流采用雙流對稱布置 （見圖7），整個通流部分運用當(dāng)代先進的設(shè)計理念和方法進行設(shè)計，確保了機組具有最高的通流效率。低壓模塊采用內(nèi)缸落地的方式，低壓缸為雙層缸，分為低壓內(nèi)缸和低壓外缸。低壓外缸通過現(xiàn)場焊接與凝汽器喉部剛性連接，凝汽器直接錨定到基礎(chǔ)上。低壓內(nèi)缸橫向穿過低壓外缸支撐于汽機運行平臺上。外缸與軸封之間，外缸與低壓內(nèi)缸支撐臂之間、外缸與底部軸向?qū)驐U之間設(shè)置膨脹節(jié)，保證汽缸密封并吸收低壓外缸變形和內(nèi)外缸膨脹（見圖8）。

圖7 低壓模塊示意圖

低壓內(nèi)缸由1個中部和2個導(dǎo)流環(huán)組成，上下兩半通過水平中分面法蘭螺栓聯(lián)接，內(nèi)缸整體采用焊接式結(jié)構(gòu)。低壓內(nèi)缸和汽機側(cè)支撐臂間通過橫向鍵和鍵槽配合，保證低壓內(nèi)缸的軸向定位；和電機側(cè)支撐臂為自由接觸式裝配，保證內(nèi)缸的自由膨脹。所有支撐臂設(shè)置壓緊螺栓，螺栓和支撐裝置間留有間隙。支撐臂設(shè)有頂缸裝置，保證汽缸的正確定位 （見圖9）。隔板持環(huán)接觸面整圈堆焊不銹鋼防止密封面水蝕。為了減少高溫進汽部分的內(nèi)外壁溫差，在內(nèi)缸外壁上設(shè)有隔熱板。導(dǎo)流環(huán)上設(shè)有噴水管 （見圖10），可以在機組低負荷運行和排汽溫度升高時噴水降溫。

圖9 低壓內(nèi)缸支撐示意圖

圖10 噴水管示意圖

低壓外缸 （見圖11）為裝焊結(jié)構(gòu)，直接焊接在凝汽器喉部上，同凝汽器殼體形成一體，使運行平臺不承受運行時真空載荷，主要起到排汽擴壓、整流、保持排汽真空和穩(wěn)定背壓的作用。外缸中分面高于相對機組中心線，為設(shè)置低壓內(nèi)缸支撐臂處膨脹節(jié)提供空間。為便于運輸和現(xiàn)場安裝就位，外缸軸向下半分成三段，上半分為兩段，最終在現(xiàn)場焊接接配。上半頂部設(shè)有大氣閥，作為真空系統(tǒng)的安全保護措施。

圖11 低壓外缸示意圖

低壓隔板采用兩兩把合直焊式結(jié)構(gòu)，末級、次末級采用空芯葉片結(jié)構(gòu)，為防止蒸汽水蝕，采用內(nèi)外環(huán)中分面堆焊有不銹鋼，外環(huán)進汽邊設(shè)置不銹鋼帶。隔板外環(huán)在動葉頂部相應(yīng)位置設(shè)置有鑲片式汽封片。為了降低末級動葉濕度，末級導(dǎo)葉片上開有去濕槽，內(nèi)外環(huán)上設(shè)有相應(yīng)的輸水通道，最終通過低壓導(dǎo)流環(huán)上的排水孔排至凝汽器（見圖12）。

圖12 末級隔板去濕示意圖

4 軸系

汽輪發(fā)電機組軸系（見圖13）由汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成。汽輪機轉(zhuǎn)子均為焊接轉(zhuǎn)子，可以提高性能并降低重量。各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子之間設(shè)有墊片，調(diào)整轉(zhuǎn)子之間的相對位置。支持軸承采用橢圓軸承。

圖13 四缸六排汽機組軸系示意圖

汽輪機所有軸承箱均為落地式，靠地腳螺栓與基礎(chǔ)固定，通過預(yù)埋在基礎(chǔ)上的導(dǎo)向鍵定位，并通過箱體底板與基礎(chǔ)間的斜墊鐵調(diào)整標(biāo)高。軸承箱端部設(shè)浮動油擋，能更好地防止?jié)櫥脱剞D(zhuǎn)子泄漏。在高中壓缸貓爪和中低壓軸承箱之間有橫向鍵，與沿汽輪機軸線設(shè)置在基礎(chǔ)上的導(dǎo)向鍵相交，形成高中壓模塊的絕對死點。低壓內(nèi)缸汽機側(cè)的兩個支撐臂設(shè)置有橫向?qū)蜴I，與汽缸底部在軸線方向上縱向?qū)蜴I相交，形成低模塊的絕對死點。推力軸承設(shè)置中低壓軸承箱內(nèi)，整個軸系以此為相對死點，分別向兩側(cè)膨脹（見圖14）。前軸承箱（見圖15）內(nèi)部除支持軸承外，還有主軸驅(qū)動的主油泵、主盤車裝置以及輔助盤車裝置。軸承箱及油管對稱設(shè)計，可適應(yīng)現(xiàn)場左右手布置要求。

圖14 滑銷系統(tǒng)示意圖

圖15 前軸承箱布置示意圖

5 末級長葉片

核電機組大多采用半速方案以配置更長的末級葉片，不僅提高機組的通流效率，而且可減少低壓模塊數(shù)量，降低造價。開發(fā)末級葉片的長度系列通常按面積匹配原則確定，大致可分為以下幾個等級:15～20 m2，20～25 m2，25～30 m2，30～35 m2。選擇末級葉片主要按照主導(dǎo)末級葉片氣動性能的參數(shù)——排汽容積流量進行，因為排汽容積流量不僅決定末級葉片的效率高低、排汽損失的大小，而且還決定流場氣流的激振力動應(yīng)力。影響末級葉片排汽容積流量變化的因素主要有:冷卻水溫變化導(dǎo)致的背壓變化及負荷變化。每個長葉片有4個典型的排汽容積流量:極端最小容積流量 （鼓風(fēng)工況）、極端最大容積流量 （阻塞工況）、最佳軸向排汽容積流量、排汽損失最小容積流量，考慮機組的加權(quán)排汽損失最小。通常排汽損失可接受的范圍為1.5%～3% （最佳1.5%～2%），容積流量為最佳值的0.8～12.5倍之間 （見圖16）。需要對不同地區(qū)和不同容量機組進行冷端優(yōu)化設(shè)計分析，確定合適的末級葉片和排汽缸數(shù)，以4支排汽面積分別為18 m2、23 m2、28 m2、33m2的末級葉片為例進行分析，最佳背壓-功率-缸數(shù)適用范圍見圖17。

圖16 葉片固有的4個特征容積流量

東汽通過5年多的研究和試驗，成功開發(fā)出了目前國內(nèi)最大排汽面積的1 828 mm末級長葉片，計劃用于石島灣示范工程 （CAP1400）和福清5#～6#機組 （ACP1000），將成為今后自主技術(shù)的主要推選核電末級葉片之一。

圖17 排汽面積-背壓-功率關(guān)系

1 828 mm動葉選取葉型損失低、氣動效率高、變工況特性優(yōu)良、具有優(yōu)秀運行業(yè)績的葉片級型線作為母型，采用成熟的整體凸臺拉筋（Tie-Boss）加整體圍帶自鎖結(jié)構(gòu) （Continuous Cover Blade）。葉根及輪緣采用承載能力高的斜齒樅樹型，動葉頂部通道設(shè)計為縮放通道，適應(yīng)該區(qū)域的高馬赫數(shù)流動，降低流動損失，提高氣動效率 （見圖18）。采用高強度、高抗腐蝕性、高材料阻尼特性的12Cr-Ni鋼材料。葉片可靠性和設(shè)計性能經(jīng)過靜頻測量、葉根輪槽應(yīng)力試驗、動調(diào)頻試驗、空氣動力特性試驗、動應(yīng)力試驗等專項試驗得以驗證。

圖18 1 828 mm葉片示意圖

6 閥門

機組設(shè)置4個高壓閥組 （見圖19），對稱布置在高中壓缸兩側(cè)。每個閥組包括一個主汽閥和一個調(diào)節(jié)閥，整體閥殼通過3個獨立的彈簧支架進行支撐。主汽閥和調(diào)節(jié)閥均為提升式，主汽閥為兩位控制，設(shè)有預(yù)啟閥，調(diào)節(jié)閥為連續(xù)閥位控制，每個閥門均由獨立的操縱機構(gòu)控制，獨立控制方式有利于增強系統(tǒng)的可靠性。為提高氣動性，閥殼與閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用不同心設(shè)計 （見圖20）。機組選用節(jié)流配汽方式，其主要原因是:核電機組的投資比同功率火電機組大得多，而核電機組的發(fā)電成本比火電機組低得多，所以核電機組原則上不參與調(diào)峰，常年滿功率運行；核電機組的進汽容積流量比同功率火電機組大4～6倍，若采用噴嘴配汽，則調(diào)節(jié)級的輪周功率比同功率火電機組大得多，增加了動葉片設(shè)計難度，甚至無法實現(xiàn)。大量的運行經(jīng)驗表明，采用噴嘴配汽的核電機組產(chǎn)生故障大部分的原因是由于調(diào)節(jié)級動葉片的損壞。中壓主汽調(diào)節(jié)閥采用串聯(lián)蝶閥結(jié)構(gòu)，參與低負荷調(diào)節(jié)和保護關(guān)斷作用。

General Planning Introduction of Large Power Nuclear Turbines Researched and Developed by DTC Independently

Gao Hongxi
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper introduced the overall arrangement,thermal system,module scheme,shafting,blades and othermajor components design feature of the large power nuclear turbine greater than 1 000 MW rating researched and developed by Dongfang Turbine Co.,Ltd.（abbreviate DTC）.

overall arrangement,thermal system,last stage long blade

TK262

：A

：1674-9987（2014）01-0001-06

高宏喜（1975-），男，1997年畢業(yè)于西安交通大學(xué)渦輪機專業(yè)，工程碩士，高級工程師，東方汽輪機有限公司產(chǎn)品開發(fā)處核電室主任，一直從事汽輪機設(shè)計工作。