核電汽輪機(jī)組蒸汽參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點研究

冉志超　段青科

【摘 要】介紹了核電汽輪機(jī)組蒸汽參數(shù)設(shè)計情況，并與火電汽輪機(jī)組進(jìn)行分析比較；其次論述了核電汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，詳細(xì)描述了核電汽輪機(jī)組外部尺寸、增設(shè)汽水分離再熱器MSR、低壓缸部分增加特殊的除濕防水措施設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，確保核電汽輪機(jī)組的長周期穩(wěn)定運行。

【關(guān)鍵詞】核電汽輪機(jī)組；蒸汽參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；特點

【Abstract】The nuclear power steam turbine steam parameter design was introduced，and compared with thermal power steam turbine unit is different；Structure design idea，secondly discusses the nuclear power steam turbine unit is described in a nuclear power steam turbine unit external dimensions，add separation of reheater of MSR，low pressure cylinder，increase special dehumidifier waterproof measures in design，improve the nuclear power steam turbine running for a long period of time.

【Key words】Nuclear power steam turbine；Steam parameter；Structure design；Technics characteristic

0 引言

全球目前共有可運營核電機(jī)組439臺，其中美國作為最大的核電發(fā)展國家，建有99臺核電機(jī)組，發(fā)電量占其電力來源的19%，而排名第二的法國建有58臺機(jī)組，核電占比達(dá)到77%，是全球?qū)穗娨蕾囎畲蟮膰?。相比之下，盡管中國核電裝機(jī)容量已達(dá)世界第四。根據(jù)十三五規(guī)劃，2020年中國運行核電裝機(jī)容量要達(dá)到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦，而目前運行容量2831萬千瓦、在建2672萬千瓦的數(shù)字顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

核電汽輪機(jī)組由于蒸汽參數(shù)低，在不同的運行工況下，與常規(guī)火電汽輪機(jī)相比存在區(qū)別。也因蒸汽濕度較大，所以要對核電汽輪機(jī)組增加結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

1 核電汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)設(shè)計

核電汽輪機(jī)的主蒸汽來自于核島蒸汽發(fā)生器[1]。主蒸汽是含有一定濕度蒸汽，蒸汽濕度一般為0.2%～0.4%，飽和蒸汽的參數(shù)為6.4MPa，溫度為280℃。相對于火電汽輪機(jī)排氣壓力接近的情況下，核電汽輪機(jī)可用焓降相當(dāng)于火電汽輪機(jī)可用焓降一半左右。

蒸汽參數(shù)對于核電汽輪機(jī)設(shè)計影響：

1.1 核電汽輪機(jī)通流部分設(shè)計級數(shù)少，減少中壓缸部分設(shè)計。

1.2 核電汽輪機(jī)低壓部分的體積和重量約為火電汽輪機(jī)組的2倍，設(shè)計上核電汽輪機(jī)低壓缸占汽輪機(jī)組全功率的比例較大，約為50%左右。

1.3 蒸汽參數(shù)特殊性，核電汽輪機(jī)加工成本增加，一般核電汽輪機(jī)組與火電汽輪機(jī)價格比約為1.3：1。

如在相同出力工況下，通過核電汽輪機(jī)的主蒸汽流量比火電汽輪機(jī)的主蒸汽流量大，一般約為火電汽輪機(jī)2倍。從而核電汽輪機(jī)組的通流面積要較大于火電汽輪機(jī)組。如某核電主蒸汽流量為5810.4t/h，而火電同類型機(jī)組的主蒸汽流量為2813.7t/h。超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)主蒸汽壓力和溫度分別為24.36MPa、600℃，核電汽輪機(jī)在此工況下，主汽閥前的蒸汽壓力為6.43MPa，溫度為280℃，焓值為2772.4kJ/kg。對以上數(shù)據(jù)比對分析不難發(fā)現(xiàn)，核電汽輪機(jī)組參數(shù)設(shè)計與火電存在著較大不同點，不同點也影響到核電汽輪機(jī)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 核電汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外部尺寸

核電汽輪機(jī)組的蒸汽參數(shù)低、比容大[2]。通過上文數(shù)據(jù)比對，核電汽輪機(jī)在進(jìn)汽管道和閥門的重量、尺寸要大很多。例如在核電汽輪機(jī)設(shè)計中，當(dāng)設(shè)計輸出功率在600MW以上時，高壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用雙流道設(shè)計理念，將增加低壓缸末級葉片高度設(shè)計，以上變化比將導(dǎo)致低壓缸外部尺寸增大。比如：第三代核電技術(shù)AP1000常規(guī)島汽輪機(jī)采用了三個低壓缸設(shè)計（見圖1），這種設(shè)計增加了凝汽器數(shù)量。因此在同等功率的火電汽輪機(jī)組，核電汽輪機(jī)組外部尺寸大于火電汽輪機(jī)。

2.2 增設(shè)汽水分離再熱器MSR

汽水分離再熱器（簡稱“MSR”）接收來自于高壓汽輪機(jī)的排汽（濕度：11%～13%），經(jīng)過分離器去除水分（濕度：≤0.25%）和在1、2級加熱器的再次加熱，使進(jìn)入低壓缸的蒸汽具有一定過熱度，繼續(xù)做功。因高壓缸的排汽中水分含量較大，如蒸汽未經(jīng)分離水分，直接進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功，必然對低壓轉(zhuǎn)子的葉片發(fā)生腐蝕，降低汽輪機(jī)的效率，從而增設(shè)MSR，這樣將提高汽輪機(jī)的熱效率。主要設(shè)計由以下幾個觀點（見圖2）：

2.2.1 去除高壓汽輪機(jī)排汽中的水分；

目的：防止汽輪機(jī)葉片腐蝕；方法：通過波紋板高效去除水分，濕度：將由11%～13% 降至0.25%

2.2.2 加熱蒸汽去除水分

目的：提高電站效率；方法：在通過第1、2級加熱器，用于加熱汽輪機(jī)組高壓缸排汽，第1級加熱器的汽源取自高壓缸第一段抽汽，第2級加熱器的汽源取自蒸汽發(fā)生器出口主蒸汽。

2.3 低壓缸增加除濕防水措施設(shè)計

為了防止汽輪機(jī)低壓缸部分的水蝕，對核電汽輪機(jī)低壓缸的末級動葉片采用空心靜葉抽吸技術(shù)[3]，末級動葉采用堆焊防水蝕材料、電火化硬化、高頻淬火、葉片表面噴涂等措施，已避免水滴對低壓缸動葉片的腐蝕。在隔板的外環(huán)加裝疏水環(huán)或在缸體的內(nèi)壁車出疏水溝槽，使由噴嘴葉片出口撕裂下來的大水滴，在受到離心力的作用下發(fā)生徑向運動而被捕捉。多重的除濕防水措施設(shè)計，達(dá)到了有效的除濕效果，同時也降低水蝕，提高了核電汽輪機(jī)組使用壽命。

3 結(jié)論

本文主要介紹了核電汽輪機(jī)具有蒸汽參數(shù)低、流量大、濕度大等特點[4]，通過與火電汽輪機(jī)參數(shù)設(shè)計比對，認(rèn)識到核電汽輪機(jī)組蒸汽參數(shù)對于核電汽輪機(jī)整體設(shè)計影響。核電汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)為飽和蒸汽，經(jīng)過汽輪機(jī)各缸作功后濕度增大，所以相對于火電汽輪機(jī)組，核電汽輪機(jī)從設(shè)計方面上，增加汽水分離器MSR、低壓缸增加除濕防水措施設(shè)計。隨著科技發(fā)展，核電技術(shù)的更新，核電汽輪機(jī)組的設(shè)計將不斷優(yōu)化，新的設(shè)計保障了核電汽輪機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳娟.核電汽輪機(jī)的特點及選型[J].熱能動力工程，2010，25（4）：459-462.

[2]崔宏博.核電汽輪機(jī)組特點研究[R].東方電氣評論，2005，19（4）：192-199.

[3]何阿平，沈國平.中國核電汽輪機(jī)發(fā)展與展望[J].熱力透平，2015，44（4）：225-232.

[4]孫為民，楊巧云.電廠汽輪機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[責(zé)任編輯：田吉捷]