核電機組運行許可證延續(xù)實施過程中汽輪機改造熱力設(shè)計研究

王富民，齊 漣

(1. 上海電氣電站設(shè)備有限公司，上海 200240；2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電作為一種清潔低碳能源，穩(wěn)定提供大容量電量的同時基本沒有碳排放，是我國能源供應(yīng)實現(xiàn)“碳中和”不可缺少的一環(huán)。但是核電機組的首次建設(shè)成本巨大，因此在條件允許的情況下，對于核電機組的運行許可證延續(xù)(OLE)可以大幅降低投資，國外已有數(shù)量眾多的核電機組進入延續(xù)運行期[1，2]。

核島內(nèi)不可更換設(shè)備決定了核島的運行參數(shù)不允許超出原設(shè)計限制。經(jīng)過長期運行的驗證，核島的實際蒸汽參數(shù)相對比較穩(wěn)定，但與當初的理論設(shè)計值或多或少存在偏差。常規(guī)島汽輪機改造設(shè)計首先面臨著與原核島設(shè)備的堆機參數(shù)匹配問題。同時，核電機組運行許可證延續(xù)通常會帶來機組功率提升的要求，機組的調(diào)節(jié)性能需要開展適應(yīng)性的匹配設(shè)計。隨著時代的發(fā)展，汽輪機通流技術(shù)有了日新月異的變化，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用將使核電機組運行許可證延續(xù)汽輪機組改造的經(jīng)濟性得到質(zhì)的提升。

本文從以下三個方面，分析討論了國內(nèi)首次核電機組開展運行許可證延續(xù)中汽輪機改造熱力設(shè)計的影響因素。通過探索和經(jīng)驗積累，為后續(xù)國內(nèi)核電機組開展類似的改造工程提供借鑒和參考。

1 主蒸汽壓力的選擇

核電機組主蒸汽壓力決定著循環(huán)效率，蒸汽壓力越高，循環(huán)效率越高。但是蒸汽壓力越高，單位質(zhì)量流體從核島吸收的熱功率反而減小，影響機組的發(fā)電容量。對于開展運行許可證延續(xù)的核電機組，主蒸汽壓力的選擇還需要考慮原核島的限制條件，兼顧安全性、效率和機組容量。

一般核電機組采用全周進汽、節(jié)流運行的方式，從汽輪機設(shè)計的角度看，不同的進汽壓力，匹配不同的通流面積。從工程實際應(yīng)用情況看，往往運行的核島主蒸汽壓力高于設(shè)計壓力，這本來有利于核島循環(huán)效率的提升。然而汽輪機的通流面積并非按照實際運行的核島壓力設(shè)計的，因此這部分壓力基本在進汽閥后自由膨脹了，造成了能量的浪費。

以秦一廠320 MW核電機組汽輪機改造熱力設(shè)計為例，主蒸汽壓力分別按照5.34 MPa和5.08 MPa考慮時，如表1所示，設(shè)計工況下進口容積流量、第一級通流面積存在2%～5%的差別。

表1 不同主蒸汽壓力下容積流量與第一級通流面積

如果熱力設(shè)計中主蒸汽壓力采用5.08 MPa，實際運行時卻變?yōu)?.34 MPa運行時，不但沒有收益，反而造成約1 MW的功率損失。如果主蒸汽壓力設(shè)計與實際運行都按照5.34 MPa設(shè)計，不但挽回了損失，還會再增加至少1 MW的收益。

對于新建核電工程，由于難以準確預測投產(chǎn)后的核島參數(shù)，這種參數(shù)不匹配的情況難以完全避免。但是對于實施電廠運行許可證延續(xù)的機組，核島參數(shù)已經(jīng)長期運行得到驗證，這種堆機參數(shù)不匹配的情況可以得到有效地避免。

對于常規(guī)島汽輪機來說，確定蒸汽參數(shù)是進行改造設(shè)計的基礎(chǔ)和輸入。

2 調(diào)節(jié)性能的改善

通過潛力挖掘、效率提升措施的實施，尤其是新技術(shù)的應(yīng)用，有利于核電機組在開展運行許可證延續(xù)工作的同時，實現(xiàn)機組增容的可行性。汽輪機的設(shè)計需要考慮機組功率增長后，在高負荷段的調(diào)節(jié)線性問題。

汽輪機的調(diào)節(jié)性能在機組實際運行工況下主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)閥開啟行程與流過調(diào)節(jié)閥流量的線性關(guān)系。流過調(diào)節(jié)閥的流量等于調(diào)節(jié)閥開啟面積、彭臺門系數(shù)、臨界流量三者的乘積。在調(diào)節(jié)閥開啟初期，調(diào)節(jié)閥的蒸汽流動處于臨界流動狀態(tài)，流量僅與流通面積相關(guān)，此時流量與調(diào)節(jié)閥開度保持良好的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)性能較好。

隨著調(diào)節(jié)閥流通面積加大，流量增大，閥后壓力隨之增大，彭臺門系數(shù)隨著壓比增大開始逐步減小。當這種減小作用與調(diào)節(jié)閥開大的面積相抵消時，閥門流量的增加逐步趨緩。實際運行狀態(tài)下表現(xiàn)為調(diào)節(jié)特性變差，調(diào)節(jié)閥流量的微小變動都會引起閥桿的大幅波動。

為了改善機組在額定工況下的調(diào)節(jié)性能，設(shè)計時，適當降低額定工況下閥門前后的壓比，使得額定工況下彭臺門系數(shù)還未大幅度減小，調(diào)節(jié)性能的衰減仍在可接受的范圍內(nèi)。圖1是秦一廠320 MW核電機組增容改造前后閥門的升程曲線對比，額定工況下的閥門開度，改造前為45%，改造后為38%，機組調(diào)節(jié)特性得到了有效的改善。

3 先進的通流設(shè)計技術(shù)

通常，開展運行許可證延續(xù)工作的核電機組，配套的常規(guī)島汽輪機已經(jīng)運行多年。隨著時間的推移，汽輪機通流技術(shù)取得了長足進步，無論是設(shè)備的安全性還是運行經(jīng)濟性，已經(jīng)有了巨大的發(fā)展[3，4]。以秦一廠320 MW核電機組汽輪機增容改造采用的國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AIBT通流技術(shù)為例，其主要特點體現(xiàn)在：

1)安全性能卓越。如圖2所示，預扭整體圍帶葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工檢驗以及裝配的精準控制，能夠使得整圈葉片級的葉根和圍帶在周向以致密的預應(yīng)力貼合在一起，葉片在長期運行期間不產(chǎn)生任何松動，極大提高葉片的承載能力和安全性；另外采用整體圍帶葉片，單片銑制、全切削加工，具有加工精度高、強度好、動應(yīng)力低的特點。

圖2 葉片預扭示意圖

2)經(jīng)濟性能優(yōu)異。各級葉頂圍帶均采用鑲片式迷宮汽封，能夠有效降低通流部分的漏汽損失；葉型部分按照全三維彎扭馬刀型設(shè)計，有效減少了二次流損失；全部采用T型葉根，與上一代通流設(shè)計中普遍采用樅樹型葉根相比，徹底解決了葉根軸向漏汽損失。通過采用了變反動度的設(shè)計原則，能以最佳的氣流特性決定各級的反動度和級負荷，自動生成葉片幾何尺寸，使得各個葉片級，均能處在最佳的氣動狀態(tài)，提高了整個汽缸的通流效率。圖3是AIBT葉片的主要結(jié)構(gòu)提效優(yōu)化示意。

圖3 AIBT葉片各結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

3)自動化、數(shù)字化。覆蓋產(chǎn)品全壽命周期的設(shè)計平臺，集成了熱力性能計算與通流部分自動優(yōu)化設(shè)計，能夠根據(jù)用戶提出的邊界條件，自動完成通流優(yōu)化設(shè)計，如自動完成通流部分熱力、氣動及強度計算；自動完成部分葉片設(shè)計與制圖；自動生成CAM信息；自動形成管理文件。

圖4反映了AIBT技術(shù)的設(shè)計流程，在整個通流設(shè)計到加工制造過程，基本實現(xiàn)了數(shù)字化，設(shè)計完成后，每個葉片都會形成一個數(shù)字孿生模型。設(shè)計過程自動化、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，在提高工作效率，縮短設(shè)計周期的同時，提高了產(chǎn)品制造質(zhì)量。

圖4 AIBT設(shè)計流程圖

AIBT技術(shù)的安全、高效以及自動化、數(shù)字化的特點，完全可以滿足核電汽輪機對于安全的高標準、高要求，對于開展運行許可證延續(xù)工作的汽輪機優(yōu)化改造，可以最大限度地挖掘潛力，提高效率，提升機組性能，加上自動化、數(shù)字化的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)方案的個性化設(shè)計和縮短交貨周期。

4 結(jié)論

汽輪機改造熱力設(shè)計，對于提升核電機組循環(huán)內(nèi)效率具有重要的影響。經(jīng)過本文的分析研究，得到如下結(jié)論：

1)綜合核島的安全性、機組循環(huán)內(nèi)效率，以及機組銘牌功率確定汽輪機進口的主蒸汽壓力，并且汽輪機的設(shè)計蒸汽壓力與實際運行核島提供的蒸汽壓力需要匹配優(yōu)化，這是實現(xiàn)效率最大化的基礎(chǔ)；

2)機組運行后的調(diào)節(jié)性能問題不能忽視，在進行汽輪機通流設(shè)計時，應(yīng)將額定工況置于調(diào)節(jié)線性區(qū)域；

3)選擇安全性、經(jīng)濟性更佳的通流設(shè)計技術(shù)是實現(xiàn)機組循環(huán)效率最大化關(guān)鍵且必不可少的重要環(huán)節(jié)。

上述研究成果在秦一廠320 MW核電機組運行許可證延續(xù)項目汽輪機增容改造設(shè)計中得到了全面應(yīng)用。項目實施完成后，機組整體性能指標優(yōu)異，驗證了研究結(jié)果的正確性。