核電汽輪機(jī)通流能力分析及優(yōu)化

余 炎，李 楊(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠， 上海 200240)

為了繼續(xù)增加我國非化石能源的消費(fèi)比重，安全發(fā)展核電，推進(jìn)沿海核電建設(shè)是我國電力規(guī)劃的舉措之一。截至2016 年7 月， 我國已建成核電機(jī)組33臺，在建核電機(jī)組21臺，裝機(jī)容量53 613 MW[1]，已接近2020年的裝機(jī)目標(biāo)。根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2017年6月底，我國已投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共計(jì)36臺，運(yùn)行裝機(jī)容量達(dá)到34 718.16 MW，分布于秦山、大亞灣、嶺澳、田灣、寧德、紅沿河、陽江、福清、方家山、昌江、防城港等11個(gè)核電基地。

自秦山一期300 MW等級核電機(jī)組于1991年成功投運(yùn)以來，中國核電汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)已經(jīng)走過了20多個(gè)年頭[2]，在機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。隨著我國核電機(jī)組比重逐步提升，單機(jī)容量不斷增加，如何更加高效地運(yùn)行，提高核電廠的發(fā)電效率，是需要關(guān)注的問題。國內(nèi)核電機(jī)組基本采用定壓節(jié)流運(yùn)行，從已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，普遍存在調(diào)門開度小，節(jié)流損失大的現(xiàn)象，由此引發(fā)了人們對汽輪機(jī)通流能力設(shè)計(jì)問題的關(guān)注。本文將對此進(jìn)行分析和計(jì)算，為提高核電廠運(yùn)行效率提供參考。

1 核電汽輪機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)

對于壓水堆核電機(jī)組，蒸汽發(fā)生器的熱平衡方程式為：

P=kF(Tavg-TSG)

式中：P為蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的熱功率；k、F為蒸汽發(fā)生器的傳熱系數(shù)和傳熱面積；Tavg為反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度；TSG為蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度[3]。從該方程式可以看出，蒸汽溫度TSG越低，熱功率P越大。 圖1為大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器的各典型溫度。

圖1 大亞灣核電站蒸汽發(fā)生器各典型溫度

由于蒸汽發(fā)生器出口為飽和蒸汽，蒸汽溫度與壓力相對應(yīng)，因此新蒸汽的壓力隨著熱功率增加而降低，如圖2所示。而根據(jù)汽輪機(jī)原理，當(dāng)通流面積不變時(shí)，級前壓力隨著負(fù)荷的增加而升高，與蒸汽發(fā)生器的壓力特性相反。

圖2 主蒸汽壓力、熱負(fù)荷與汽輪機(jī)電負(fù)荷的關(guān)系

對于低負(fù)荷工況，火電機(jī)組可以降低主汽壓力，采用滑壓運(yùn)行，即“爐跟機(jī)”，或在汽輪機(jī)高壓部分設(shè)置調(diào)節(jié)級，在負(fù)荷降低時(shí)通過改變通流面積來提高進(jìn)汽壓力，即“機(jī)跟爐”。而對于核電機(jī)組，為了滿足蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷特性，進(jìn)汽壓力采用“機(jī)跟堆”的運(yùn)行模式。同時(shí)，由于核電機(jī)組主要帶基本負(fù)荷，為了提高設(shè)計(jì)工況的通流效率，核電汽輪機(jī)普遍采用無調(diào)節(jié)級設(shè)計(jì)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)采用節(jié)流調(diào)節(jié)。這時(shí)，汽輪機(jī)級前壓力p1與主汽門前壓力p0的匹配度將直接影響高壓缸效率及汽輪機(jī)性能。

2 核電汽輪機(jī)的通流面積設(shè)計(jì)裕量

核電機(jī)組燃料成本低，定期換料，無溫室氣體排放，原則上來說，核反應(yīng)堆與汽輪機(jī)的容量匹配為“零裕量”，目的是讓其“物盡其用”地多發(fā)電[4]。所謂“零裕量”，就是在反應(yīng)堆額定功率下，汽輪機(jī)閥門全開運(yùn)行，無任何裕量，效率最優(yōu)。但考慮到業(yè)主的要求和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，汽輪機(jī)仍然要有一定的通流面積裕量，主要包括以下幾個(gè)方面：

1)目前的汽輪機(jī)招標(biāo)書要求供貨商保證閥門全開(VWO) 工況的進(jìn)汽流量，即假設(shè)核島能供應(yīng)足夠的蒸汽(一般是額定流量的1.03倍)，汽輪機(jī)需要有能力承受，這就要求汽輪機(jī)通流面積至少有3%的設(shè)計(jì)裕量。

2)國內(nèi)核電機(jī)組要滿足電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的需求，為此汽輪機(jī)在各個(gè)負(fù)荷下都有較好的調(diào)節(jié)性能。圖3是典型閥門的升程與流量特性曲線，當(dāng)閥門達(dá)到一定開度后，即使繼續(xù)加大升程，流量增加也很小，無法滿足調(diào)節(jié)性能。通常認(rèn)為，汽輪機(jī)級前壓力p1(即閥門后壓力)與閥門前壓力p0的壓比為0.95～0.98時(shí)，即認(rèn)為閥門已全開[5]。因此通流設(shè)計(jì)時(shí)，需要留有一定的面積裕度，保證閥門在汽輪機(jī)全負(fù)荷范圍內(nèi)始終處于有效控制升程。

圖3 典型閥門升程與流量特性曲線

3)汽輪機(jī)葉片的實(shí)際通道面積與加工、裝配的精度有關(guān)。隨著制造水平的不斷提升，目前葉片喉寬的公差可以控制在±2%以內(nèi)。在通流面積設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮1%～2%的裕度。

4)機(jī)組老化裕度約為2%。

綜合以上幾點(diǎn)，核電汽輪機(jī)不可能做到真正的“零裕量”，汽輪機(jī)的實(shí)際通流能力比給定的蒸汽發(fā)生器額定流量大3%～5%，在所有負(fù)荷下閥門均處于節(jié)流狀態(tài)。

3 已投運(yùn)核電機(jī)組的主汽壓力偏差

筆者跟蹤了多臺300 MW、1 000 MW等級核電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在額定流量下，主汽門前蒸汽壓力均比設(shè)計(jì)值高2%～5%。初步分析認(rèn)為主要原因有以下兩點(diǎn)：

1)核島反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器留有一定裕量。在設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器傳熱面積時(shí)，需要考慮運(yùn)行后期換熱管破損及外壁結(jié)垢等不確定因素，因此設(shè)計(jì)堵管裕量為10%，污垢系數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)值[6]。當(dāng)機(jī)組新投運(yùn)時(shí)，堵管率和污垢系數(shù)都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此在達(dá)到額定流量時(shí)需要的熱負(fù)荷比設(shè)計(jì)值小，主汽壓力上升，見圖2。

2)管道壓損與設(shè)計(jì)值有偏差。蒸汽發(fā)生器出口至汽輪機(jī)主汽門前的主汽管道，包括了直管段和一系列閥門、彎頭，設(shè)計(jì)壓損按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，一般都考慮了工程裕量，而實(shí)測壓損均小于設(shè)計(jì)值。這導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器出口壓力與設(shè)計(jì)值相同時(shí)，汽輪機(jī)主汽門前壓力偏高。

與火電機(jī)組不同的是，核電機(jī)組通過控制蒸汽發(fā)生器的出口壓力，來保證核島反應(yīng)堆的負(fù)荷不超限。以上壓力偏差將導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)門的開度小于設(shè)計(jì)值。圖4為主汽門前蒸汽壓力p0(設(shè)計(jì))、p0′(運(yùn)行)、汽輪機(jī)級前壓力p1三者與主汽流量關(guān)系示意圖。在100%主汽流量下，p1/p0≈93%，其中包括閥門約2%的固有壓損，以及約5%的通流裕度。而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，若p0′=1.05p0，則p1/p0′≈88.5%，閥門的壓損從約7%增加至約11.5%，蒸汽節(jié)流損失較大。

圖4 主蒸汽壓力、汽輪機(jī)級前壓力示意圖

4 汽輪機(jī)通流能力變化對效率的影響

為了確保核電機(jī)組壽命期內(nèi)滿發(fā)出力，在蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)通流葉片以及主汽管道等部件設(shè)計(jì)時(shí)都考慮了裕度，導(dǎo)致在新機(jī)組投運(yùn)時(shí)，主汽壓力高于設(shè)計(jì)值。而核電汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，壓力較高的蒸汽沒有被充分利用。

如果減小汽輪機(jī)的通流裕度，提高調(diào)節(jié)閥后的蒸汽壓力，可以增加做功能力，從而提升機(jī)組電功率。圖5是以CPR1000反應(yīng)堆為例，汽輪機(jī)出力與閥門壓損的關(guān)系曲線。在主汽壓力不變的條件下，閥門壓損從7%降低到2%，可提高出力0.7%，每臺汽輪機(jī)約增加功率7.8 MW。按每年運(yùn)行7 680 h計(jì)算，全年可多發(fā)電量5 990萬kW·h；按上網(wǎng)電價(jià)0.4元/(kW·h)計(jì)算，每臺CPR1000機(jī)組每年可增加發(fā)電收入2 396萬元，收益相當(dāng)可觀。

圖5 主蒸汽壓力、汽輪機(jī)級前壓力示意圖

隨著我國投入商運(yùn)核電機(jī)組的不斷增加，核電容量占比也穩(wěn)步提升，進(jìn)一步提升核電機(jī)組的運(yùn)行效率刻不容緩?？筛鶕?jù)已投運(yùn)核電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，適當(dāng)減少各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)裕度，選取更加合理的汽輪機(jī)通流面積，以降低實(shí)際運(yùn)行時(shí)的閥門壓損，提高核電廠的發(fā)電效率。

5 減小汽輪機(jī)通流裕度的幾點(diǎn)建議

5.1 修正主汽蒸汽管道設(shè)計(jì)壓損

以目前投運(yùn)臺數(shù)最多的CPR1000反應(yīng)堆為例，在額定熱負(fù)荷下，蒸汽發(fā)生器出口的設(shè)計(jì)壓力為6.71 MPa(a)，給定汽輪機(jī)主汽門前的設(shè)計(jì)壓力為6.43 MPa(a)，即設(shè)計(jì)管道壓損為4.17%，而機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的管道壓損見表1。

表1 主汽管道實(shí)際運(yùn)行壓損

從上表可以看出，除了核電廠一的1號機(jī)，其他6臺機(jī)組的管道壓損均比設(shè)計(jì)值低約1%，這樣就需要減小汽輪機(jī)調(diào)閥開度，以維持蒸汽發(fā)生器出口壓力不變。在今后的管道設(shè)計(jì)中，計(jì)算壓損應(yīng)參考已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，適當(dāng)提高汽輪機(jī)主汽門前的設(shè)計(jì)壓力，減少閥門的運(yùn)行壓損。

5.2 依據(jù)運(yùn)行周期精確設(shè)計(jì)通流能力

核電機(jī)組需按30年，甚至60年壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，很多參數(shù)都考慮了全壽命期的裕量，這樣在機(jī)組投運(yùn)初期，就會出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器出口壓力偏高的現(xiàn)象。針對常規(guī)島汽輪機(jī)部分，尤其是跟通流能力相關(guān)的高壓前幾級葉片，可以按5～10年的運(yùn)行周期來精細(xì)化設(shè)計(jì)。我國首臺1 000 MW等級核電機(jī)組在大亞灣電站投運(yùn)至今已超過20年，積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括蒸汽發(fā)生器的出口壓力、熱負(fù)荷等。可以對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化情況將機(jī)組全壽命期劃分成多個(gè)運(yùn)行周期，比如0～5年，5～10年等，把投運(yùn)前期的數(shù)據(jù)作為汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)電廠投運(yùn)超過一定時(shí)間后，蒸汽發(fā)生器的出口壓力下降，跟汽輪機(jī)進(jìn)汽能力不匹配，此時(shí)可以通過小范圍的通流改造，如更換高壓前2～3級的葉片，或通過修磨葉片高度，改變喉寬等方式，增加汽輪機(jī)的通流能力。這樣可以大大釋放核電機(jī)組在投運(yùn)初期的出力潛力，而電廠投資無明顯增加。

5.3 降低電網(wǎng)對核電機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻要求

核電機(jī)組具有建設(shè)投資高，運(yùn)營成本低的特點(diǎn)，應(yīng)該作為電網(wǎng)里的基本負(fù)荷，不適合承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻功能。而按照目前電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，所有機(jī)組必須具有一次調(diào)頻能力。核電汽輪機(jī)為了滿足一次調(diào)頻要求，在額定負(fù)荷下所有調(diào)門仍留有一定的節(jié)流度，折合壓損2%～3%，對經(jīng)濟(jì)性影響較大。相關(guān)電力部門可根據(jù)電網(wǎng)容量和運(yùn)行特性，適當(dāng)降低對核電機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻的要求。

6 結(jié) 論

本文分析了壓水堆核電汽輪機(jī)通流面積設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素，并對比了實(shí)際運(yùn)行下的參數(shù)偏差，得出目前核電汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)門開度小，節(jié)流損失大的原因，同時(shí)計(jì)算了不同通流能力對機(jī)組效率的影響。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，減小核電汽輪機(jī)的通流設(shè)計(jì)裕度可以顯著提高機(jī)組效率。以CPR1000機(jī)組為例，閥門壓損從7%降低到2%，每年每臺機(jī)組可增加發(fā)電收入2 396萬元，有效提升核電站前10～15年的經(jīng)濟(jì)收益。為此，本文提出了幾點(diǎn)優(yōu)化方案，包括：根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)修正管道設(shè)計(jì)壓損、以5～10年為間隔精確設(shè)計(jì)汽輪機(jī)通流葉片，以及降低核電機(jī)組的調(diào)頻要求等。而這些措施需要核電業(yè)主、汽輪機(jī)制造廠，以及電網(wǎng)公司等多方達(dá)成共識才能有效推進(jìn)。希望各方共同努力，進(jìn)一步提升我國核電機(jī)組的運(yùn)行效率。