國產(chǎn)化技術(shù)在秦一廠320 MW核電汽輪機(jī)增容改造中的應(yīng)用

劉賢圣，齊 漣，賀小忠，葉興柱

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 200240；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠320 MW核電機(jī)組是中國大陸第一座自行設(shè)計建造、自主運(yùn)營管理的核電廠。到2021年年底，電廠將達(dá)到其30年的原設(shè)計使用壽期。自2011年以來，電廠參照國外大多數(shù)核電廠的運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，適時啟動了電廠運(yùn)行許可證延續(xù)20年的專項研究工作。針對電廠配套的常規(guī)島熱力系統(tǒng)及發(fā)電相關(guān)設(shè)備中不滿足延續(xù)運(yùn)行安全要求的關(guān)鍵設(shè)備和部件，提出并制定了實(shí)施技術(shù)升級和改造的方案，以消除機(jī)組運(yùn)行的安全隱患和性能短板，從而實(shí)現(xiàn)電廠延續(xù)運(yùn)行的總體目標(biāo)。同時，進(jìn)一步挖掘潛力，提高機(jī)組發(fā)電能力。

本文基于機(jī)組增容改造可行性研究的成果，重點(diǎn)介紹了運(yùn)用國產(chǎn)化技術(shù)實(shí)施汽輪機(jī)增容改造的方案。通過對國內(nèi)核電機(jī)組首次全通流改造升級的實(shí)踐和總結(jié)，為后續(xù)國內(nèi)其他核電機(jī)組的增容改造實(shí)施提供借鑒和參考。

1 改造范圍確定

原機(jī)型為全轉(zhuǎn)速、單軸、三缸四排汽、凝汽式核電汽輪機(jī)，由一個雙流高壓缸、二個雙流低壓缸組成，如圖1所示。低壓末級葉片高度為869 mm。原設(shè)計通流部分共有46級，其中：34級葉片(高壓缸9×2，低壓缸4×2×2)為等截面直葉片，12級葉片(低壓缸末三級3×2×2)為早期設(shè)計的扭葉片，與同類型機(jī)組的先進(jìn)水平相比有明顯差距。

圖1 原汽輪機(jī)組縱剖視圖

1.1 整體通流升級改造所涉范圍

整體通流改造過程中配合通流改造直接涉及更換：高、低壓部分的轉(zhuǎn)子、靜葉持環(huán)、靜葉隔板、內(nèi)缸和徑向及隔板汽封。

同時，需要對進(jìn)、排汽導(dǎo)流部分進(jìn)行改造，涉及更換或加工改造：高壓進(jìn)汽導(dǎo)流環(huán)、高壓前/后汽封、低壓排汽導(dǎo)流環(huán)和低壓外缸(加工改造)。

1.2 其余部件的老化管理

對于不涉及通流改造的外部部件，需要根據(jù)部件的老化情況以及其他額外具體要求進(jìn)行更換或改造，其中包括：高壓中分面螺栓及定位件、聯(lián)軸器螺栓及中間軸、主汽閥及調(diào)閥組件、端部汽封、盤車裝置、熱電偶等。

1.3 原問題處理及改造后可能的新問題預(yù)防

機(jī)組多年運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)低壓軸承油溫在夏季運(yùn)行時會出現(xiàn)報警情況。同時，通流改造后，低壓轉(zhuǎn)子重量會有所上升，如采用原軸承及冷油系統(tǒng)，會使軸承油溫進(jìn)一步上升，因此需要對軸承及冷油系統(tǒng)進(jìn)行改造。

個別類似的主調(diào)閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了閥蓋側(cè)面懸掛的油動機(jī)振動過大的情況，如此會加速對油動機(jī)內(nèi)的密封件及位移測量元件的磨損，需要在改造過程中優(yōu)化。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高壓缸改造技術(shù)

由于設(shè)計技術(shù)的時代局限性，原來的高壓缸通流采用2×9級直葉片設(shè)計，同時，通流間隙設(shè)置得較大，因此汽缸效率較低。

如圖2所示，改造前，高壓前4級隔板裝于高壓1號持環(huán)上，高壓1號持環(huán)懸掛支承于高壓內(nèi)缸上。其余2+3級隔板分為2個級組，分別裝于2號、3號持環(huán)上。汽缸內(nèi)部零件數(shù)量多，拆裝維護(hù)不易。同時，1號持環(huán)與內(nèi)缸之間設(shè)置有密封面，存在漏汽風(fēng)險。

圖2 改造前高壓外缸縱剖圖

對高壓通流采用先進(jìn)整體通流設(shè)計技術(shù)重新設(shè)計：

1)選用全三維彎扭馬刀型動、靜葉片，有效減少了二次流損失；

2)葉片采用變反動度的設(shè)計原則，以最佳的氣流特性決定各級的反動度和級負(fù)荷，自動生成葉片幾何尺寸，使整體處在最佳的氣動狀態(tài)，提高整個缸的通流效率；

3)葉片全部采用T型葉根，與樅樹型葉根相比，徹底消除了葉根軸向漏汽損失；

4)葉片采用整體圍帶設(shè)計，單片銑制、整體圍帶全切削加工，加工精度高，強(qiáng)度好，動應(yīng)力低；

5)葉片頂部對應(yīng)位置均有鑲片式迷宮汽封，能有效降低葉頂軸向漏汽損失。

對高壓內(nèi)缸及1號持環(huán)采用整體化設(shè)計，見圖3，取消原持環(huán)與內(nèi)缸的連接，消除配合面漏汽風(fēng)險；同時，零部件數(shù)量的減少，可以簡化安裝過程，減少現(xiàn)場拆裝工作量。

圖3 改造后高壓外缸縱剖圖

2.2 低壓缸改造技術(shù)

原來的低壓缸通流采用2×7級，如圖4所示，其中前4級為直葉片設(shè)計，末3級為簡單的三維彎扭葉片，末級動葉長度為869 mm，通流能力及效率有限。原低壓內(nèi)缸為雙層內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，水平中分面連接螺栓眾多，如圖5所示，檢修時拆裝不易。

圖4 改造前低壓缸縱剖視圖

圖5 改造前低壓缸俯視圖

對于低壓通流，仍采用2×7級通流設(shè)計，但除末3級外其余葉片均采用全三維馬刀型葉片，減少二次流損失；末級動葉采用905 mm[1]長度成熟新型葉片，并對型線進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)各級葉片處蒸汽速比設(shè)計變反動度葉片，使各級效率最高。末3級葉片整體采用全三元流場CFD技術(shù)計算，調(diào)整葉片的進(jìn)、出汽角度或內(nèi)、背弧線型，優(yōu)化葉型，提高氣動效率。

如圖6所示，對于低壓內(nèi)缸，取消雙層內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，設(shè)計新型斜撐徑向隔板單層內(nèi)缸結(jié)構(gòu)。傾斜的進(jìn)汽口側(cè)板和斜撐的徑向隔板及低壓持環(huán)的斜進(jìn)汽導(dǎo)流面構(gòu)成3段漸縮型進(jìn)汽流道，使進(jìn)汽更加平穩(wěn)順暢，減小進(jìn)汽壓損；進(jìn)、抽汽腔室的徑向撐板均為斜置的，與外覆板及內(nèi)板形成多個平行四邊形。在受熱變形時，斜置隔板結(jié)構(gòu)利用金屬的熱膨脹，能使上下半缸的中分面牢牢地貼合在一起，產(chǎn)生自密封效果。

圖6 改造后高壓外缸縱剖圖

同時，簡潔的腔室設(shè)計，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，有利于制造和檢查。其自密封性賦予了減少內(nèi)缸中分面螺栓數(shù)量的可能性，如圖7所示，能夠減少拆裝的工作量，便于設(shè)備的維護(hù)。

圖7 改造后低壓外缸俯視圖

2.3 閥門改造技術(shù)

原主調(diào)閥油動機(jī)位于主調(diào)閥側(cè)面，懸掛安裝于閥蓋側(cè)伸出的掛板上，如圖8所示，油動機(jī)活塞桿通過杠桿原理，推動與杠桿中點(diǎn)連接的閥軸運(yùn)動。如此雖可減小對所需油動機(jī)力的要求，但增大了對活塞桿行程的要求；同時由于油動機(jī)懸掛安裝，當(dāng)閥門稍有振動時，油動機(jī)處的振動將被放大，增加了安全運(yùn)行風(fēng)險。

圖8 改造前主調(diào)閥油動機(jī)

對主調(diào)閥油動機(jī)連接方式進(jìn)行了優(yōu)化，如圖9所示。油動機(jī)裝于彈簧箱頂部、應(yīng)用法蘭及螺栓將活塞桿與閥桿直接連接，以取消杠桿式連接方式，大幅簡化結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)，提高控制的靈活性及響應(yīng)速度，優(yōu)化設(shè)備維護(hù)。

圖9 改造后主調(diào)閥油動機(jī)

2.4 軸系改造

由于機(jī)組外缸及軸承座部分不做更換，機(jī)組軸承跨距不變，機(jī)組軸承大小尺寸受限。隨著機(jī)組通流改造，軸系重量略有變化。其中，高壓轉(zhuǎn)子重量減少近1.4 t，而單根低壓轉(zhuǎn)子增加約5.3 t。若軸承不做更改，則4號、5號、6號軸承會接近乃至超過軸承許用比壓，夏季運(yùn)行時軸承環(huán)境將更加惡化。

在改造項目中，可在不增大軸徑直徑及不影響軸承座的其他部件結(jié)構(gòu)及布置的前提下，通過提高軸承的有效寬度，解決軸承承載要求增大及與軸承座匹配的問題。

2.5 汽封改造

汽封齒尖磨損，致使汽封間隙增大，造成通過端部軸封、隔板汽封、葉頂汽封的蒸汽泄漏量增大。有關(guān)專家通過研究發(fā)現(xiàn)，通常汽封損失增大值是汽輪機(jī)總損失的80%，可見，汽封磨損是導(dǎo)致汽輪機(jī)運(yùn)行中效率下降的一個主要原因。為了保證汽輪機(jī)在較高的效率下運(yùn)行，機(jī)組端部軸封及低壓部分葉頂汽封采用新型的蜂窩汽封，如圖10、圖11所示。如此不僅保留了疏齒密封節(jié)流降壓的特點(diǎn)，還可以充分發(fā)揮蜂窩帶多級密封和寬面密封的結(jié)構(gòu)特性，提高密封性能，加強(qiáng)汽輪機(jī)軸端的阻漏效果。試驗(yàn)表明，在相同汽封間隙和壓差的條件下，蜂窩式汽封比疏齒汽封具有較小的泄漏量。[3]

圖10 端部軸封

圖11 低壓次末級動葉汽封

2.6 油系統(tǒng)改造

在不改變原冷油器布置空間的條件下，經(jīng)過對各種型式的換熱器進(jìn)行比較，并結(jié)合在其他項目上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定選用換熱效果更好，結(jié)構(gòu)緊湊的板式冷油器方案。在同樣及更大的熱負(fù)荷下，其傳熱系數(shù)較原供管殼式冷油器上升約一半，需要的換熱面積下降20%，滿足換熱性能及布置空間的要求。該方案實(shí)施后，機(jī)組在滿負(fù)荷下各軸承回油溫度均在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行情況良好。

3 改造效果

改造后，機(jī)組在TMCR工況，修正至設(shè)計條件下發(fā)電機(jī)出線端電功率為356.978 MW，高于改造前330 MW；機(jī)組在TMCR工況，修正至設(shè)計條件下汽輪機(jī)發(fā)電熱效率為35.86%，高于改造前的34.28%；機(jī)組各軸瓦平均振動水平低于50 μm，優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)小于76 μm的要求。

改造后主調(diào)閥油動機(jī)振動表現(xiàn)良好，無明顯振動跡象。夏季運(yùn)行時軸承油溫穩(wěn)定，低于報警值。

4 經(jīng)驗(yàn)反饋

新舊部件之間如具有重要配合關(guān)系，在資金充足的情況下，建議同時更換新舊部件，可有效減少現(xiàn)場加工調(diào)整工作量，乃至返廠加工的可能性，極大地縮減改造工期。例如本次改造項目中，高、低壓端部汽封僅更換了高壓內(nèi)汽封體及所有汽封環(huán)，其余汽封體并未更換。待拆開檢查后發(fā)現(xiàn)汽封體槽局部有吹蝕情況。同時，新汽封環(huán)的定位是由現(xiàn)場測準(zhǔn)后，待廠家根據(jù)測量數(shù)據(jù)加工出來的，加大了現(xiàn)場工作量，施工周期長。

由于部分部件不更換，新部件無法在工廠內(nèi)總裝試裝，無法確保部件現(xiàn)場安裝時不會出現(xiàn)干涉事故。解決的方法之一是嚴(yán)格控制各部件外形尺寸，對個別鑄鍛件部件，局部位置鑄造時需把控尺寸，或鑄造后加工一刀，以防止與現(xiàn)場部件干涉。

5 結(jié)論

我國從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)入核電高速發(fā)展期，隨著時間的推移，核電汽輪機(jī)組逐步達(dá)到壽期，對汽輪機(jī)組進(jìn)行改造延壽將逐步被提上日程。同時，隨著時代的變革和技術(shù)的發(fā)展，新的設(shè)計理念和技術(shù)將會不斷嘗試應(yīng)用在新的項目中。

本次在秦一廠320 MW核電汽輪機(jī)的增容改造過程中多項國產(chǎn)化先進(jìn)技術(shù)得到了充分應(yīng)用，取得了圓滿成功，為后續(xù)核電汽輪機(jī)的技術(shù)改造提供了參考。