海陽核電主汽輪機本體和運行限制

田鵬，馮小華

(山東核電有限公司，山東海陽，265116)

海陽核電主汽輪機本體和運行限制

田鵬，馮小華

(山東核電有限公司，山東海陽，265116)

文章詳細(xì)介紹了海陽核電主汽輪機的本體結(jié)構(gòu)及相關(guān)特點，在此基礎(chǔ)上對其運行限制條件進(jìn)行了說明。

本體結(jié)構(gòu)，運行限制

1 海陽核電汽機本體結(jié)構(gòu)概述

汽輪機是一種利用蒸汽做功的高速旋轉(zhuǎn)式機械，其功能是將蒸汽帶來的反應(yīng)堆的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿悠啓C轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的機械能，并帶動發(fā)電機發(fā)電。

海陽核電汽輪機采用日本三菱重工技術(shù)，關(guān)鍵重要部件進(jìn)口，哈爾濱汽輪機廠和三菱聯(lián)合供貨。汽輪機為工作轉(zhuǎn)速1 500 r/min、單軸、四缸六排汽的反動凝汽式核電汽輪機，有2個兩級再熱的外置式中間汽水分離再熱器，末級動葉片長1 375mm。

值得注意的是：汽輪機末級葉片體現(xiàn)出了一個汽輪機組的容量與性能以及低壓缸的數(shù)量。對于一個汽輪機組而言，一般只有一個高壓缸而低壓缸的數(shù)量則可以增減，從而可以增加或降低一個汽輪機組的出力。

海陽核電主汽輪機由1個高壓缸、3個低壓缸及其附件組成，附件包括進(jìn)汽閥、盤車裝置、潤滑油系統(tǒng) （包括頂軸油系統(tǒng)）及儀表和控制系統(tǒng)，4個缸通流部分均是雙流對稱分布式 （見圖1）。1個高壓轉(zhuǎn)子、3個低壓轉(zhuǎn)子通過剛性聯(lián)軸器接成一個軸系，再通過剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相聯(lián)。每根轉(zhuǎn)子都有一對徑向軸承支承。整個軸系只有一個推力軸承，位于1號低壓缸和2號低壓缸之間。

圖1 汽輪機簡圖

2 主要設(shè)備

2.1 主汽閥和主調(diào)閥

2個主汽閥和2個主調(diào)閥的閥體由一個整體鑄件組成，形成一個閥組進(jìn)汽室。共有2個閥組進(jìn)汽室，分別位于汽機平臺上高壓缸兩側(cè)，都錨定在汽機底座上。蒸汽流過MSV后進(jìn)入進(jìn)汽室，經(jīng)主調(diào)閥流到高壓缸的入口 （布置方式見圖2）。

圖2 MSV-GV閥組示意圖

2.2 高壓缸

主蒸汽通過4個主調(diào)節(jié)閥和4根高壓導(dǎo)汽管后進(jìn)入高壓缸主蒸汽入口，主蒸汽入口在高壓缸的軸向中部，之后蒸汽經(jīng)汽機的級膨脹做功，乏汽經(jīng)6根高壓排汽管經(jīng)MSR的底部進(jìn)入外置的汽水分離再熱器，部分排汽供到除氧器用于給水加熱。

高壓缸通流部分為雙流對稱分布，正反向各10級，動葉片采用全3D設(shè)計的ISB結(jié)構(gòu)，葉根型式采用大根部/樅樹型。為了提高汽輪機的效率，在設(shè)計上不采用調(diào)節(jié)級。高壓缸為單缸結(jié)構(gòu)，缸體材料為碳鋼，水平結(jié)合面處分開，形成汽缸上半和下半部分。靜葉柵安裝在隔板套上。隔板套是在水平結(jié)合面支承在汽缸上的獨立部件，定位銷在頂部和底部定位隔板套，使它們保持相對于汽機軸向的正確位置，并容許隨溫度變化自由地膨脹和收縮。高壓缸隔板套用不銹鋼制造 （12%鉻鋼）以增強耐腐蝕性，高壓缸結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 高壓缸結(jié)構(gòu)

高壓轉(zhuǎn)子為合金鋼整鍛件且經(jīng)過精加工而制成，主軸與葉輪是一體鍛造的，解決了套裝轉(zhuǎn)子在高溫下葉輪和軸之間的松動問題，且有利于機組快速啟動。高壓轉(zhuǎn)子調(diào)端用螺栓固定一只單獨的延長軸，該延長軸上裝主油泵和危急遮斷器。高壓轉(zhuǎn)子采用無中心孔整鍛轉(zhuǎn)子。維修中不必做周期性中心孔檢查，從而減少維修費用，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 整體鍛造的轉(zhuǎn)子

無論是沖動式汽輪機還是反動式汽輪機，都承受著很大的推力。這個推力由2部分組成：軸向動推力和靜推力。軸向動推力是由動葉柵中蒸汽方向變化引起的，靜推力是由葉輪兩端的壓差引起的。汽輪機采用雙流道，且使蒸汽在汽缸內(nèi)的流動方向相反，可大大減少軸向推力。

同時需注意到：海陽核電的軸向推力產(chǎn)生的主要原因是由于抽汽的不均勻布置。即：高壓缸一側(cè)在第三級葉片后抽汽用于汽水分離再熱器第一級加熱；高壓缸另一側(cè)第四級葉片后抽汽用于7號高加。這就造成了高壓缸兩側(cè)存在壓差，產(chǎn)生軸向推力。

2.3 低壓缸

在先前的設(shè)計中，轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸都由外缸支撐。隨著運行工況的變化，如冷凝器真空變化等，外缸可能發(fā)生變形，從而也可能改變轉(zhuǎn)子的垂直位置。在某些情況下，轉(zhuǎn)子表面和軸封會相互接觸從而產(chǎn)生摩擦，摩擦產(chǎn)生的熱量使轉(zhuǎn)子垂向彎曲，最終可能導(dǎo)致明顯的橫向振動。海陽核電低壓缸是改良的雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸和外缸分別落在基座上。由于外缸和軸系互不關(guān)聯(lián)，低壓轉(zhuǎn)子的垂直位置絕不會因運行工況的變化而發(fā)生改變。軸封直接由位于基座上的軸承箱支撐，也避免了轉(zhuǎn)子和軸封之間的摩擦。低壓外缸的變形由安裝在外缸和軸承箱之間的波紋管吸收，所以變形絕不會傳送到軸承箱 （見圖5）。

圖5 傳統(tǒng)型與改良型低壓缸

低壓缸通流部分為雙流對稱分布，正反向各10級，采用全3D設(shè)計的反動式葉片，這種葉片的效率高。在設(shè)計低壓末級葉片的過程中慎重考慮了防蝕能力和增強性能。經(jīng)過汽水分離再熱器后的再熱蒸汽由6根低壓缸進(jìn)汽管經(jīng)3個低壓缸前的再熱主汽閥和再熱調(diào)節(jié)閥送至3個低壓缸，在噴嘴和動葉中膨脹做功。每個低壓缸進(jìn)汽口設(shè)在低壓缸的頂部，通過法蘭與蒸汽管道相連。低壓缸的第4、3、2、1級抽汽分別為4號、3號、2號、1號低加供應(yīng)回?zé)嵴羝５蛪焊鬃鐾旯Φ恼羝蓛蓚?cè)的2個排汽口直接排入各自的冷凝器中。低壓外缸上半部分和下半部分各由3個軸向模塊組成，即調(diào)端模塊、電端模塊和中間模塊。電端模塊和調(diào)端模塊相同，中間模塊的結(jié)構(gòu)與兩個端側(cè)模塊不同。

低壓轉(zhuǎn)子材料為低合金鋼 （3.5%NiCrMoV鋼）鍛件，相對套裝轉(zhuǎn)子而言，可減小離心切向應(yīng)力，對減小汽輪機產(chǎn)生飛射物的概率非常有效。葉輪和聯(lián)軸器與主軸鍛造為一個整體，葉輪重量可減小。每個汽機轉(zhuǎn)子裝有2個徑向滑動軸承，兩端各一個，這些軸承均為強制潤滑型。末級葉柵高度為1 375mm，最大轉(zhuǎn)動直徑5 556mm，軸的跨度8 500mm。

低壓缸底部通過柔性膨脹接頭與冷凝器外殼連接。該膨脹節(jié)的設(shè)計溫度為80℃，為了保護(hù)膨脹節(jié)，當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟雀哂?0℃時，會觸發(fā)低壓缸排汽噴淋，防止溫度繼續(xù)上升而損壞膨脹節(jié)。

2.4 軸承

每個轉(zhuǎn)子由2個徑向軸承支撐，一個軸系配一個推力軸承，這些軸承均為強制潤滑。汽輪機組共有11個徑向軸承，徑向軸承承擔(dān)轉(zhuǎn)子的重量以及其他因素引起的其他作用力，保證轉(zhuǎn)子中心在徑向上與汽缸一致。

海陽核電#1～#10徑向軸承采用自動對中球面座套筒軸承 （見圖6），以便沿軸取得良好的軸承對中效果。#11徑向軸承為瓦塊式結(jié)構(gòu)。軸承在軸承座中的垂直和水平位置通過插入或移除單個鍵和軸瓦之間的襯套、軸承座和底座之間的襯套來實現(xiàn)。

圖6 徑向軸承 （套筒式）

軸瓦下半部分內(nèi)的定位銷釘伸入軸承座內(nèi)的槽口，從而防止軸承相對軸承座轉(zhuǎn)動。由于必須保證靜子和轉(zhuǎn)子間準(zhǔn)確的相對位置，從而避免靜子和轉(zhuǎn)子軸向彼此接觸，在汽輪機上配置了一個承受軸向力的推力軸承，位于1號低壓缸與2號低壓缸之間。汽輪機的軸向力通過推力軸承傳遞給1號低壓缸與2號低壓缸之間的軸承座。推力軸承是整個軸系的相對死點。整個軸系可以以推力軸承為死點向兩端膨脹，見圖7。

圖7 止推軸承

所有軸承均裝有熱電偶，用來探測金屬和回油的溫度。當(dāng)金屬溫度達(dá)到99℃會發(fā)出報警；達(dá)到107℃時需手動打閘。對回油溫度也設(shè)有相關(guān)報警：回油溫度達(dá)到77℃發(fā)出報警，達(dá)到82℃需要手動打閘。

2.5 滑銷系統(tǒng)

汽輪機在啟動、停機和運行時，汽缸的溫度變化較大，將沿長、寬、高幾個方向膨脹和收縮。由于基座的溫升低于汽缸，如果汽缸和基座為固定連接，則汽缸將不能自由膨脹，就會產(chǎn)生不應(yīng)有的應(yīng)力及相伴而生的振動。汽缸與基座和汽缸與軸承座之間裝上軸向和橫向滑銷，并使固定汽缸的螺栓留出適當(dāng)?shù)目障丁：ｊ柡穗姼邏焊椎乃傈c布置在電端側(cè)，高壓缸可以向機頭方向膨脹。低壓缸和基座為固定連接，自由膨脹幾乎為零。

2.6 盤車裝置

盤車裝置的主要功能是在機組啟動前或停機后用來盤動整個軸系，避免軸系永久變形。汽輪機啟動時，為迅速提高真空，常需在沖轉(zhuǎn)汽輪機前向軸封系統(tǒng)供汽。這些蒸汽進(jìn)入汽缸后大部分滯留在汽缸上部，造成汽缸與轉(zhuǎn)子上下受熱不均勻，如果轉(zhuǎn)子靜止不動，便會因為自身壓差而產(chǎn)生向上彎曲變形，進(jìn)而引起振動、動靜部分摩擦等。汽輪機停機后，汽缸和轉(zhuǎn)子等部件由熱態(tài)逐漸冷卻，其下部冷卻快，上部冷卻慢，轉(zhuǎn)子因上下溫差而產(chǎn)生彎曲。為保證轉(zhuǎn)子均勻受熱和冷卻設(shè)置有盤車裝置，位于3號低壓缸與發(fā)電機之間，在汽輪機啟動和停機時對汽機連續(xù)盤車，使汽機保持低轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動，直到機組重新啟動或汽機的金屬溫度接近環(huán)境溫度。

2.7 低壓缸排汽噴淋

汽機工作時，由于動葉片的高速旋轉(zhuǎn)，低壓缸排汽口會發(fā)熱。正常工作時，這些熱量被主汽流帶走。但當(dāng)汽輪機在低負(fù)荷工況，特別是在零負(fù)荷額定轉(zhuǎn)速工況下運行時，由于蒸汽流量小，低壓缸末級葉片的摩擦鼓風(fēng)發(fā)熱使得排汽溫度迅速上升，轉(zhuǎn)子和靜子部件之間的熱變形和過度差脹造成動靜部件摩擦相碰而導(dǎo)致機組損壞、停機。為了控制低壓缸末級葉片排汽溫度升高加裝了自動噴嘴。在條件需要時向汽輪機低壓缸末級葉片出口處提供低溫冷卻水，通過噴嘴霧化后與低壓缸排汽充分混合，吸收排汽熱量，降低末級葉片排汽溫度，避免發(fā)生動靜部件摩擦碰撞事故。噴淋水來自凝結(jié)水泵出口，流量由溫度響應(yīng)閥控制。

在無負(fù)荷蒸汽流量和最大真空條件下不會出現(xiàn)排汽口過熱的現(xiàn)象。出現(xiàn)排汽口過熱現(xiàn)象的工況有：低真空；轉(zhuǎn)速≥600 r/min并且負(fù)荷≤20%期間。如果此時低壓缸排汽口噴淋不工作，排汽口溫度將超過70℃，這時應(yīng)采取專門措施通過增大負(fù)荷或提高真空度逐漸降低排汽口的溫度。排汽口的溫度上限為120℃。一旦達(dá)到此溫度，自動保護(hù)停機。低壓缸排氣噴淋為噴淋環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 低壓缸排汽噴淋

2.8 整體圍帶反動式全3D葉片

海陽核電的高壓缸與低壓缸的動葉片采用整體圍帶式結(jié)構(gòu)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動時，葉片會發(fā)生反扭（全3D），葉片頂部的圍帶相互接觸形成一個整體，之間產(chǎn)生摩擦力 （見圖9）。這樣的好處是：在葉片頂部安裝圍帶相當(dāng)于在葉片頂部增加了支點，其主要功能是減小葉片彎應(yīng)力和改善葉片的振動特性，盡可能避開共振區(qū)。

圖9 帶有整體圍帶葉片

2.9 低壓缸葉片的防腐蝕措施

由于低壓缸工作環(huán)境較差，尤其供向最末幾級葉片的蒸汽濕度較大。海陽核電汽輪機針對葉片的防腐采用了以下4種措施：

（1）恰當(dāng)?shù)膭尤~與靜葉之間的距離，可以保證二次霧化 （見圖10）。由于水滴的形成是依靠表面張力來維持的，當(dāng)蒸汽帶動水滴時的沖擊力大于此張力時，水滴便會破裂變小 （霧化），這是需要一定的距離作保證的。此外恰當(dāng)?shù)膭屿o之間距離可以使水滴的速度降低，從而減小水滴對葉片的沖擊力。

圖10 二次霧化

（2）最末三級動葉邊緣設(shè)有stellite合金。

（3）最末三級靜葉設(shè)有水滴捕集器。

（4）最后一級靜葉設(shè)有集水槽，將水分收集并導(dǎo)入凝汽器。

2.10 爆破盤

低壓缸外缸設(shè)有爆破盤 （見圖11），在外缸壓力較高時動作，防止低壓缸外缸超壓。動作值：0.03MPa。

圖11 爆破盤

3 汽輪機運行限制

（1）當(dāng)負(fù)荷小于10%額定負(fù)荷時，低壓缸入口溫度小于204℃。

（2）低壓缸進(jìn)汽溫度階躍變化小于28℃，線性變化小于56℃/h。

（3）先建立軸封再抽真空。

（4）汽機停運后，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于200 r/min才能破壞真空。

（5）軸封蒸汽過熱度不小于14℃，溫度范圍121～177℃。

（6）當(dāng)汽機轉(zhuǎn)速小于600 r/min時，油冷器出口潤滑油溫度為30℃，大于600 r/min時，油冷器出口潤滑油溫度為40℃。

（7）高壓缸上下缸溫差小于42℃，56℃需要手動打閘。

（8）脹差要求：

·汽輪機側(cè)

≥+12.5mm （Rotor Long）

≤-4.5mm （Rotor Short）

·發(fā)電機側(cè)

≥+21.5mm （Rotor Long）

≤-1.0mm （Rotor Short）

（9）正常運行時，止推軸承推力盤和推力瓦之間的間隙為0.4mm，當(dāng)間隙達(dá)到0.9 mm時發(fā)出報警，達(dá)到1mm時需要手動打閘。

4 結(jié)束語

海陽核電站引進(jìn)全球先進(jìn)的AP1000第三代非能動核電技術(shù)，其汽輪機較傳統(tǒng)汽輪機采用了多項新的設(shè)計和部件制造工藝，掌握這些特點，并嚴(yán)格遵守規(guī)定的運行限制，以確保核電機組安全、穩(wěn)定運行。

圖2 直流潤滑油泵強啟按鈕AC

3 斷油燒瓦事故的預(yù)防措施

（1）加強對運行人員的培訓(xùn)，讓運行人員對運行安全要求有清醒的認(rèn)識，并嚴(yán)格遵守運行章程，嚴(yán)禁違章操作。

針對斷油燒瓦事故，運行人員在機組運行中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視油系統(tǒng)參數(shù)，嚴(yán)格按照油系統(tǒng)運行要求進(jìn)行操作。嚴(yán)禁在機組啟、停、運行過程中解除各設(shè)備間的聯(lián)鎖。因特殊情況而解除聯(lián)鎖的設(shè)備和信號，執(zhí)行報備制度，按報備制度及時恢復(fù)聯(lián)鎖，并嚴(yán)密監(jiān)視是否處于正常狀態(tài)。

（2）加強對設(shè)備的巡查，及時發(fā)現(xiàn)電氣線路及設(shè)備可能存在的隱患并予以排除。

運行人員應(yīng)及時巡查各機組設(shè)備及電氣線路的隱患，如線頭松動等現(xiàn)象應(yīng)及時排除。

（3）經(jīng)過參與多起斷油燒瓦事故的調(diào)查與處理，筆者認(rèn)為按運行規(guī)程，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木o急預(yù)案，并定期演練，讓運行人員熟知緊急事故狀態(tài)下操作流程。

（4）電廠一旦出現(xiàn)潤滑油事故，應(yīng)按預(yù)設(shè)程序第一時間先保障潤滑油系統(tǒng)油壓正常，否則立即實施緊急停機。停機后再查明原因。

通過以上措施，尤其是對緊急狀況的演練，可以有效地預(yù)防斷油燒瓦事故的發(fā)生，避免或大大降低事故造成的損失。

[1]東方汽輪有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽輪機產(chǎn)品說明書D300N-000100ASM[S].

[2]東方汽輪有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽輪機潤滑油系統(tǒng)說明書D 300N-000152ASM[S].

[3]東方汽輪有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽輪機主油箱電氣控制柜說明書[S].

[4]東方汽輪有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽輪機低潤滑油壓遮斷裝置圖[S].

Main Turbine Structure of Haiyang Nuclear Power and Its Operation Lim itation

Tian Peng，F(xiàn)eng Xiaohua
（Shandong Nuclear Pow er Co.,Ltd.,Haiyang Shandong,265116）

The article introduces themain turbine structure and its characteristic of Haiyang nuclear power.On the basis of this introduction,operation limitation for themain turbine is described.

structure ofmain turbine,operation limitation

TK267

：A

：1674-9987（2014）03-0069-06

田鵬 （1983-），男，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，2006年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化專業(yè)，主要從事核電站運行工作。