談核電同火電汽輪機的比較分析

【摘要】本文通過核電汽輪機和火電汽輪機實際運行狀況的了解，對核電汽輪機和火電汽輪機在熱力設(shè)計、結(jié)構(gòu)特性等方面進行比較和分析，從中探討核電汽輪機與火電汽輪機的差異。

【關(guān)鍵詞】核電汽輪機；火電汽輪機；比較分析

我國第一座核電站始建于上世紀50年代，核電發(fā)展歷經(jīng)60年。我國核電發(fā)展在前期速度較慢，隨著近年來經(jīng)濟的飛速發(fā)展科學(xué)技術(shù)的不斷進步，核電發(fā)展速度正逐漸提升。由于核電汽輪機的配套反應(yīng)濕蒸汽參數(shù)低，具有放射性的特點，因此，需要將核電汽輪機組與火電汽輪機組加以區(qū)別。本文將從熱力參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性、流通設(shè)計和運行方式等方面對核電汽輪機和火電汽輪機進行比較分析。

一、熱力設(shè)計參數(shù)不同

由于當(dāng)前大部分核電站采用的是壓水堆，壓水堆核電站汽輪機的熱力設(shè)計設(shè)計參數(shù)特點為：流量大、焓降小、蒸汽參數(shù)低、效率低。反應(yīng)堆供給汽輪機的蒸汽參數(shù)低，通常為5～7MPa，濕度在0.25～0.41%之間，溫度在270～285℃之間，顯示為略帶濕度和蒸汽飽和狀態(tài)。當(dāng)核電汽輪機與火電汽輪機排氣壓力相同時，核電汽輪機做功是有效焓降低，大約為火電汽輪機焓降的一半?；痣娖啓C窩爐則是采用的燃煤、燃氣和燃油等燃料。主蒸汽高溫、高壓的過熱蒸汽。

二、結(jié)構(gòu)特性不同

由于熱力設(shè)計參數(shù)不同，核電汽輪機與火電汽輪機在設(shè)計結(jié)構(gòu)也有所不同，具體差異如下：

（一）外形尺寸差異

相比火電汽輪機，核電汽輪機的進氣參數(shù)低、比容大，具體進氣容量約為相同功率火電的火電汽輪機機的一倍，這就要求核電汽輪機進氣管、閥門以及汽缸尺寸比常規(guī)汽輪機要大，高壓缸葉片要長于一般汽輪機。另外，在相同功率的條件下，核電汽輪機末級葉片比火電汽輪機的末級葉片藥長、外形尺寸大、排氣面積大。

（二）汽水分離、再熱器（MSR）的設(shè)置存在差異

核電汽輪機的工作蒸汽為飽和蒸汽，該蒸汽通過高壓鍋做工之后，產(chǎn)生的排氣濕度較大，如果直接將蒸汽排入低壓缸，將會導(dǎo)致汽輪機的某些零部件因水侵蝕而損壞。因此，為了降低汽輪機低壓缸的蒸汽濕度，就需要提高低壓缸的蒸汽溫度，這樣就可以確保核電汽輪機具有一定的過熱度，熱力循環(huán)效率得到相應(yīng)的提高，低壓缸的工作環(huán)境和條件得到改善。在汽輪機的高壓缸和低壓缸設(shè)置汽水分離器，這樣可以有效的防止和減輕濕蒸汽對汽輪機低壓缸零部件的腐蝕與損壞。

（三）低壓缸的進氣截止閥和調(diào)節(jié)法設(shè)置不同

由于核電汽輪機的進汽參數(shù)低，比容較大，所以高壓缸、MSR以及管道內(nèi)會存有大量的蒸汽與水，一旦發(fā)生機械故障或者甩負荷時，主汽閥的就會自動關(guān)閉，壓力也會隨著降低，而高壓缸、MSR和管道內(nèi)的水將會在短時間內(nèi)成為蒸汽，導(dǎo)致汽輪機忽然啟動進行超速運轉(zhuǎn)，影響汽輪機的運行安全。要想避免汽輪機發(fā)生超速現(xiàn)象，就必須設(shè)置相應(yīng)的截止閥和調(diào)節(jié)閥。相對與核電汽輪機組，火電汽輪機組的參數(shù)高，高壓缸內(nèi)的存水較少，超速運轉(zhuǎn)的可能性大大降低。所以，火電機組在低壓缸的進氣部分沒必要設(shè)置相應(yīng)的截止閥和調(diào)節(jié)閥，而需要在低壓缸進氣部分設(shè)置相應(yīng)供熱蝶閥。

（四）調(diào)節(jié)方式的不同

火電汽輪機通常采用的是噴嘴調(diào)節(jié)配氣方式，該配氣方式在實踐操作過程中，開啟最后一組調(diào)節(jié)閥時，汽輪機產(chǎn)生的氣流會受到節(jié)流的影響，節(jié)流所導(dǎo)致的能量損失相對較小，所以采用噴嘴調(diào)節(jié)配氣方式進行變工況運行是火電汽輪機組最佳的配氣方式。相對于火電汽輪機組，核電汽輪機組的蒸汽參數(shù)低、流量大，如果采用嘴噴的調(diào)節(jié)配氣方式調(diào)節(jié)級動葉片，將會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，由于濕蒸汽在噴嘴出口會發(fā)生“凝結(jié)激波”，造成葉片的出汽出產(chǎn)生裂紋，從而影響汽輪機組的安全運行。而節(jié)流配氣方式在在閥門全開，達到較高的節(jié)流額定負荷時，該配氣方式要比噴嘴配氣方式的效率高。因此，帶一定符合的核電汽輪機組通常會采用節(jié)流調(diào)節(jié)。

三、通流設(shè)計不同

當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)采用的可控渦流設(shè)計和全三元流設(shè)計法來進行通流部分與葉片在設(shè)計，尤其是在低壓缸和通流和末級長葉片設(shè)計方面。將動葉子和轉(zhuǎn)子論緣限定在較低水平，可以確保葉片的安全可靠運行。另外，對于運轉(zhuǎn)溫度較低的動葉片，可以參考應(yīng)力數(shù)據(jù)預(yù)測允許應(yīng)力。核電汽輪機在運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的濕度要高于火電汽輪機，所以更容易產(chǎn)生腐蝕裂紋。對于不調(diào)頻葉片，則應(yīng)該計算葉輪槽倒角半徑處的峰值應(yīng)力，核電汽輪機組在低壓過渡區(qū)的不調(diào)頻葉片的安全系數(shù)大約是火電機組的2兩倍。

在汽輪機低壓缸中，當(dāng)飽和線以下的濕蒸區(qū)長時間工作時會產(chǎn)生大量的蒸汽，蒸汽過熱膨脹進入飽和區(qū)時會釋放一定的能量，進而出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，蒸汽中的第一次成核和第二次成核，會產(chǎn)生相應(yīng)的凝結(jié)。兩相流對核電機組低壓缸的影響比對火電機組低壓缸的影響大，兩相流也是動葉片設(shè)計時需要著重考慮的因素。

四、運行方式的不同

常規(guī)火電站的運行過程中，若汽輪機一直能保持正常的運行工況，新蒸汽參數(shù)通常是不會發(fā)生改變的，鍋爐出口參數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，所以火電站鍋爐管理人員的主要責(zé)任就是排除鍋爐安全隱患，在運行過程中始終保持鍋爐出口新蒸汽參數(shù)為額定值。

在壓水堆核電站的運行過程中，由于運行方式與常規(guī)火電站不同，所以，對蒸汽參數(shù)的計算也有所不同，核電汽輪機組蒸汽發(fā)生器的熱平衡方程式為：

方程式中的P表示為蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的熱功率，k、F表示蒸汽發(fā)生器飛傳熱系數(shù)和傳熱面積，Tavg便是反應(yīng)堆冷卻劑的平均溫度，Tsg是指蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度。

從方程式中可以觀察得出，在提升汽輪機功率的前提下，如果仍要保持新蒸汽參數(shù)恒定不變，就需要提升反應(yīng)堆的平均溫度Tavg，要求管理人員根基反應(yīng)堆平均溫度Tavg的變化，設(shè)定較大的Tavg變化范圍。核電機組的回路系統(tǒng)中則應(yīng)該具備一定體積補償能力和溫度反應(yīng)性補償能力，避免回路設(shè)計過程中出現(xiàn)不必要的麻煩。若要保持一回路平均溫度不變，提升核電汽輪機功率，則應(yīng)該在汽輪機組負荷較高的情況下，降低二回路新蒸汽參數(shù)，要避免因蒸汽濕度增加而對汽輪機的安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生影響?；痣娖啓C沒有汽水分離再熱器，核電汽輪機組中安裝了汽水分離再熱器以滿足其運行需求。核電汽輪機由于受到核島反應(yīng)堆的限制，升負荷速率往往會比火電汽輪機低。

五、結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合實際的核電汽輪機與火電汽輪機的運行狀況，將核電汽輪機與火電汽輪機相比較，分析得出核電汽輪機與火電汽輪機在熱力設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性、通流設(shè)計和運行方式等方面均有所不同。為核電汽輪機與火電汽輪機的比較提供科學(xué)的參考。

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作者簡介

張良（1986-10），男，籍貫：湖南省郴州市，山東電力建設(shè)第三工程公司，學(xué)歷：?？?，職稱：助理工程師，研究方向：電力工程。