談核電同火電汽輪機(jī)的比較分析

【摘要】本文通過核電汽輪機(jī)和火電汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況的了解，對(duì)核電汽輪機(jī)和火電汽輪機(jī)在熱力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特性等方面進(jìn)行比較和分析，從中探討核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)的差異。

【關(guān)鍵詞】核電汽輪機(jī)；火電汽輪機(jī)；比較分析

我國第一座核電站始建于上世紀(jì)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(jì)的飛速發(fā)展科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，核電發(fā)展速度正逐漸提升。由于核電汽輪機(jī)的配套反應(yīng)濕蒸汽參數(shù)低，具有放射性的特點(diǎn)，因此，需要將核電汽輪機(jī)組與火電汽輪機(jī)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(jì)和運(yùn)行方式等方面對(duì)核電汽輪機(jī)和火電汽輪機(jī)進(jìn)行比較分析。

一、熱力設(shè)計(jì)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(jī)的熱力設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)特點(diǎn)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(jī)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(jī)與火電汽輪機(jī)排氣壓力相同時(shí)，核電汽輪機(jī)做功是有效焓降低，大約為火電汽輪機(jī)焓降的一半?；痣娖啓C(jī)窩爐則是采用的燃煤、燃?xì)夂腿加偷热剂稀Ｖ髡羝邷?、高壓的過熱蒸汽。

二、結(jié)構(gòu)特性不同

由于熱力設(shè)計(jì)參數(shù)不同，核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)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(jī)，核電汽輪機(jī)的進(jìn)氣參數(shù)低、比容大，具體進(jìn)氣容量約為相同功率火電的火電汽輪機(jī)機(jī)的一倍，這就要求核電汽輪機(jī)進(jìn)氣管、閥門以及汽缸尺寸比常規(guī)汽輪機(jī)要大，高壓缸葉片要長于一般汽輪機(jī)。另外，在相同功率的條件下，核電汽輪機(jī)末級(jí)葉片比火電汽輪機(jī)的末級(jí)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(jī)的工作蒸汽為飽和蒸汽，該蒸汽通過高壓鍋?zhàn)龉ぶ?，產(chǎn)生的排氣濕度較大，如果直接將蒸汽排入低壓缸，將會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的某些零部件因水侵蝕而損壞。因此，為了降低汽輪機(jī)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(jī)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(jī)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(duì)汽輪機(jī)低壓缸零部件的腐蝕與損壞。

（三）低壓缸的進(jìn)氣截止閥和調(diào)節(jié)法設(shè)置不同

由于核電汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)低，比容較大，所以高壓缸、MSR以及管道內(nèi)會(huì)存有大量的蒸汽與水，一旦發(fā)生機(jī)械故障或者甩負(fù)荷時(shí)，主汽閥的就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，壓力也會(huì)隨著降低，而高壓缸、MSR和管道內(nèi)的水將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)成為蒸汽，導(dǎo)致汽輪機(jī)忽然啟動(dòng)進(jìn)行超速運(yùn)轉(zhuǎn)，影響汽輪機(jī)的運(yùn)行安全。要想避免汽輪機(jī)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(duì)與核電汽輪機(jī)組，火電汽輪機(jī)組的參數(shù)高，高壓缸內(nèi)的存水較少，超速運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性大大降低。所以，火電機(jī)組在低壓缸的進(jìn)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(jìn)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(jī)通常采用的是噴嘴調(diào)節(jié)配氣方式，該配氣方式在實(shí)踐操作過程中，開啟最后一組調(diào)節(jié)閥時(shí)，汽輪機(jī)產(chǎn)生的氣流會(huì)受到節(jié)流的影響，節(jié)流所導(dǎo)致的能量損失相對(duì)較小，所以采用噴嘴調(diào)節(jié)配氣方式進(jìn)行變工況運(yùn)行是火電汽輪機(jī)組最佳的配氣方式。相對(duì)于火電汽輪機(jī)組，核電汽輪機(jī)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(jí)動(dòng)葉片，將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，由于濕蒸汽在噴嘴出口會(huì)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(jī)組的安全運(yùn)行。而節(jié)流配氣方式在在閥門全開，達(dá)到較高的節(jié)流額定負(fù)荷時(shí)，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(jī)組通常會(huì)采用節(jié)流調(diào)節(jié)。

三、通流設(shè)計(jì)不同

當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)采用的可控渦流設(shè)計(jì)和全三元流設(shè)計(jì)法來進(jìn)行通流部分與葉片在設(shè)計(jì)，尤其是在低壓缸和通流和末級(jí)長葉片設(shè)計(jì)方面。將動(dòng)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(yùn)行。另外，對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)溫度較低的動(dòng)葉片，可以參考應(yīng)力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)允許應(yīng)力。核電汽輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的濕度要高于火電汽輪機(jī)，所以更容易產(chǎn)生腐蝕裂紋。對(duì)于不調(diào)頻葉片，則應(yīng)該計(jì)算葉輪槽倒角半徑處的峰值應(yīng)力，核電汽輪機(jī)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(jī)組的2兩倍。

在汽輪機(jī)低壓缸中，當(dāng)飽和線以下的濕蒸區(qū)長時(shí)間工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，蒸汽過熱膨脹進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)會(huì)釋放一定的能量，進(jìn)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的凝結(jié)。兩相流對(duì)核電機(jī)組低壓缸的影響比對(duì)火電機(jī)組低壓缸的影響大，兩相流也是動(dòng)葉片設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的因素。

四、運(yùn)行方式的不同

常規(guī)火電站的運(yùn)行過程中，若汽輪機(jī)一直能保持正常的運(yùn)行工況，新蒸汽參數(shù)通常是不會(huì)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(yùn)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(yùn)行過程中，由于運(yùn)行方式與常規(guī)火電站不同，所以，對(duì)蒸汽參數(shù)的計(jì)算也有所不同，核電汽輪機(jī)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(jī)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(jī)組的回路系統(tǒng)中則應(yīng)該具備一定體積補(bǔ)償能力和溫度反應(yīng)性補(bǔ)償能力，避免回路設(shè)計(jì)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(jī)功率，則應(yīng)該在汽輪機(jī)組負(fù)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(duì)汽輪機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生影響?；痣娖啓C(jī)沒有汽水分離再熱器，核電汽輪機(jī)組中安裝了汽水分離再熱器以滿足其運(yùn)行需求。核電汽輪機(jī)由于受到核島反應(yīng)堆的限制，升負(fù)荷速率往往會(huì)比火電汽輪機(jī)低。

五、結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1]?？∫?核電汽輪機(jī)和火電汽輪機(jī)的比較[J].中國科技縱橫，2011，37（3）：130-132

[2]Rogers， E. M. Diffusion of Innovations [M].The Free Press， 1995.76（5）23-25

[3]李勇，王帥，曹麗華等.核電汽輪機(jī)回?zé)岢槠颗c主蒸汽流量之間的關(guān)系分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2014，56（2）：95-98.

[4]鄧德兵，趙清森，陳偉等.核電站汽輪機(jī)運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)與診斷[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（8）：585-589.

作者簡(jiǎn)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：?？疲毞Q：助理工程師，研究方向：電力工程。