鈉冷快堆與常規(guī)火電汽輪機(jī)比較分析

高 風(fēng),董 慧

（東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽 618000）

概述

改革開放以來,我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人民生活水平極大提高,對(duì)電力的需求不斷增加。截至到2022年5 月,全國發(fā)電裝機(jī)容量約24.2 億千瓦,其中大陸已投運(yùn)的核電機(jī)組有54 臺(tái),煤電機(jī)組數(shù)將近3 000臺(tái)。煤電裝機(jī)容量約10.4 億千瓦,占據(jù)了全球煤電裝機(jī)的半壁江山,其中1 000 MW 級(jí)煤電機(jī)組1.37 億千瓦,600 MW 級(jí)的3.6 億千瓦,300 MW 級(jí)機(jī)組2.7億千瓦,大容量高參數(shù)的煤電機(jī)組已占據(jù)主導(dǎo)地位。1985 年12 月,我國第一臺(tái)600 MW 級(jí)元寶山電廠二期投運(yùn)[1],截至2021 年底,我國已投運(yùn)的600 MW 級(jí)火電機(jī)組有636 臺(tái)。

我國已投運(yùn)的核電機(jī)組按反應(yīng)堆堆型分類有壓水堆（51 臺(tái)）、重水堆（2 臺(tái)）、高溫氣冷堆（1 臺(tái)）。壓水堆具有結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)成熟和功率密度高的特點(diǎn),目前在我國核電發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位。鈉冷快堆（SFR）是鈉冷快中子增殖堆的簡稱。不同于壓水堆等中子慢化堆,快堆可以實(shí)現(xiàn)核燃料增殖,極大的提高了核燃料利用率又降低了放射性核廢料產(chǎn)生量,并且可以利用和處理壓水堆等中子慢化堆產(chǎn)生的乏燃料。我國首臺(tái)鈉冷快堆示范項(xiàng)目正在建設(shè)中,將成為我國第四種商用核電堆型,也是我國核能的一個(gè)重要應(yīng)用方向,裝機(jī)功率約600 MW[2],采用泳池式反應(yīng)堆型。

鈉冷快堆和常規(guī)火電均是將熱能通過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。鈉冷快堆和同功率常規(guī)火電機(jī)組汽輪機(jī)有較大的不同。

1 熱力系統(tǒng)分析

核裂變堆是利用原子核裂變產(chǎn)生的能量來產(chǎn)生熱能。鈾-235 在受到一個(gè)中子轟擊后分裂成質(zhì)量較小的原子和一些中子,反應(yīng)前后產(chǎn)生了質(zhì)量虧損,根據(jù)質(zhì)能方程,質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化成能量被工質(zhì)利用產(chǎn)生熱能。在壓水堆核電站中,采用的是慢化后的中子,主要進(jìn)行的是的鈾-235 裂變反應(yīng),只有少量的鈾-238 被轉(zhuǎn)化成钚-239 再進(jìn)行裂變,而快中子增殖堆（快堆）是利用能量較高的中子,可以大量將鈾-238 被轉(zhuǎn)化成钚-239,實(shí)現(xiàn)了燃料增殖[3]。壓水堆采用輕水作為工質(zhì),輕水作為慢化劑和冷卻劑使用,但其快中子吸收截面大?？熘凶釉鲋扯褵崃髅芏葮O高,需要慢化能力小并且傳熱能力強(qiáng)的工質(zhì),而金屬鈉可以滿足這些條件,采用金屬鈉作為冷卻工質(zhì)的快中子反應(yīng)堆即為鈉冷快堆。

常規(guī)煤電是利用了煤燃燒產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。電子鍵配對(duì)改變釋放出了熱量,反應(yīng)前后原子核并沒有改變。

鈉冷快堆和常規(guī)煤電在能量的產(chǎn)生來源上有本質(zhì)的區(qū)別,這種本質(zhì)區(qū)別造成了熱力系統(tǒng)的差異。

1.1 鈉冷快堆熱力系統(tǒng)

由于金屬鈉化學(xué)性質(zhì)比較活潑,為防止泄漏和與水工質(zhì)反應(yīng),鈉冷快堆設(shè)置了三個(gè)回路,見圖1。

圖1 鈉冷快堆系統(tǒng)流程

在一回路反應(yīng)堆和二回路汽輪機(jī)工質(zhì)間設(shè)置高壓中間回路（鈉）。金屬鈉常壓下沸點(diǎn)是883 ℃,鈉冷快堆一回路無需加壓即可達(dá)到較高出口溫度。為保證安全裕度,一回路出口工質(zhì)溫度控制在500 ℃左右,超過了臨界溫度,二回路壓力采用18 MPa,此壓力高于二回路汽輪機(jī)工質(zhì)壓力[4],因此鈉冷快堆可以產(chǎn)生參數(shù)較高的過熱蒸汽。相較于壓水堆采用溫度較低的飽和蒸汽參數(shù),鈉冷快堆主蒸汽品質(zhì)有較大的提高,但仍低于600 MW 級(jí)常規(guī)火電亞臨界參數(shù)。為提高機(jī)組效率和降低汽輪機(jī)末葉濕度,汽輪機(jī)普遍采用再熱循環(huán)。從蒸汽循環(huán)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性上分析,采用一次通過式過熱循環(huán),然后用主蒸汽或高壓蒸汽進(jìn)行加熱汽水分離后的高壓排汽是快堆汽輪機(jī)比較合適的蒸汽循環(huán)方式[5]。圖2 為600 MW 級(jí)鈉冷快堆汽輪機(jī)熱平衡方案,該方案采用給水一次經(jīng)過蒸汽發(fā)生器,高壓排汽進(jìn)入汽水分離器中,加熱蒸汽采用高壓缸兩級(jí)抽汽。

圖2 鈉冷快堆汽輪機(jī)熱平衡方案

1.2 常規(guī)火電熱力系統(tǒng)

大型火力發(fā)電均采用水管鍋爐,我國600 MW 級(jí)常規(guī)火電在30 多年的時(shí)間里,實(shí)現(xiàn)了從亞臨界機(jī)組到超臨界機(jī)組,再到超超臨界機(jī)組的跨越。對(duì)于汽輪機(jī),提高蒸汽壓力和溫度可以提高效率,從亞臨界到超臨界,鍋爐實(shí)現(xiàn)了從自然循環(huán)鍋爐到直流鍋爐的升級(jí),蒸汽壓力參數(shù)的提升不再受水臨界點(diǎn)的制約。得益于高溫材料的開發(fā)和成熟,蒸汽溫度也得到了極大提升。對(duì)于常規(guī)火電鍋爐結(jié)構(gòu),工質(zhì)回流到鍋爐中再熱不存在無法解決的問題。出于成本和效率綜合考慮,目前常規(guī)火電最多可以做到二次再熱。2015 年6月,我國首臺(tái)660 MW 二次再熱機(jī)組投運(yùn),這也是我國投運(yùn)的第一臺(tái)二次再熱火電機(jī)組。如圖3 所示,與一次再熱機(jī)組相比,二次再熱機(jī)組設(shè)置一個(gè)超高壓缸,將排汽進(jìn)行加熱送入高壓缸中,增加了一個(gè)再熱回路。與一次再熱相比,末級(jí)排汽濕度降低,可以提高蒸汽入口壓力進(jìn)一步提高效率,二次再熱機(jī)組效率相對(duì)提高了2%。

圖3 二次再熱汽輪機(jī)熱平衡方案

綜上,鈉冷快堆熱力系統(tǒng)采用的是汽水分離再熱,主蒸汽參數(shù)低于600 MW 級(jí)常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組。表1 為一些同功率級(jí)機(jī)組熱力參數(shù)比較。

表1 部分600 MW 級(jí)汽輪機(jī)參數(shù)

2 本體結(jié)構(gòu)分析

600 MW 級(jí)常規(guī)火電機(jī)組在長期的發(fā)展過程中,已逐步形成了模塊化設(shè)計(jì)方案,針對(duì)不同需求（供熱、純發(fā)電）使用環(huán)境（空冷、濕冷）,分別有不同的高效的模塊化方案。早期東方汽輪機(jī)600 MW 級(jí)汽輪機(jī)采用三缸四排汽,高中壓合缸方案?，F(xiàn)由于蒸汽參數(shù)提高和效率的要求,東方汽輪機(jī)660 MW 級(jí)常規(guī)火電汽輪機(jī)濕冷機(jī)組主要采用四缸四排汽、反動(dòng)式高壓模塊方案[6]；空冷機(jī)組采用改用三缸兩排汽、反動(dòng)式高壓模塊方案。鈉冷快堆汽輪機(jī)屬于600 MW 級(jí)超高壓機(jī)組,根據(jù)其熱力特性和參數(shù)需要量身定制機(jī)組類型。表2為鈉冷快堆汽輪機(jī)參數(shù)與某型火電參數(shù)列表。

表2 汽輪機(jī)參數(shù)比較

2.1 汽輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析

如表2 中數(shù)據(jù),鈉冷快堆汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)低,采用汽水分離再熱后蒸汽參數(shù)較低,可直接進(jìn)入低壓缸,因此與同功率級(jí)常規(guī)火電相比無中壓缸結(jié)構(gòu)。由于進(jìn)入低壓模塊蒸汽量大,采用海水冷卻設(shè)計(jì)背壓低,因此低壓末葉高度較高。鈉冷快堆的整體設(shè)計(jì)布置方案見圖4。

圖4 鈉冷快堆汽輪機(jī)整體布置方案

現(xiàn)東方汽輪機(jī)600 MW 級(jí)常規(guī)火電濕冷機(jī)組總體布置見圖5。鈉冷快堆以及其他壓水堆核電汽輪機(jī)布置與常規(guī)火電機(jī)組布置的一大特點(diǎn)是汽輪機(jī)左右兩側(cè)各有一個(gè)汽水分離器。主蒸汽在高壓缸做功后濕度較大,如不進(jìn)行汽水分離,濕度過高的蒸汽會(huì)破壞動(dòng)葉并加劇部件的腐蝕。因此,鈉冷快堆如壓水堆核電汽輪機(jī)設(shè)置了汽水分離器。高壓排汽經(jīng)過汽水分離后再經(jīng)過高壓缸兩級(jí)參數(shù)較高抽汽混合加熱,形成過熱蒸汽再進(jìn)入低壓缸做功。常規(guī)火電機(jī)組高壓排汽仍是過熱蒸汽,直接進(jìn)入鍋爐中再熱后進(jìn)入中壓模塊,中壓排汽再通過連通管進(jìn)入低壓缸做功。

圖5 四缸四排汽濕冷汽輪機(jī)布置方案

2.2 主要部套分析

鈉冷快堆汽輪機(jī)在各模塊的設(shè)計(jì)方案中與同功率的常規(guī)機(jī)組對(duì)應(yīng)模塊相比有一些不同。表3 為部分機(jī)組的結(jié)構(gòu)差異分析。

表3 部分汽輪機(jī)各模塊對(duì)比

由于主蒸汽參數(shù)高,600 MW 級(jí)汽輪機(jī)均采用單流高壓缸。鈉冷快堆采用沖動(dòng)式結(jié)構(gòu)有利于減小跨距,增加機(jī)組穩(wěn)定性和啟停安全性。600 MW 級(jí)汽輪機(jī)高壓模塊均采用了雙層缸結(jié)構(gòu),有利于減小內(nèi)外汽缸壓差,減小汽缸壁厚,減小外缸熱應(yīng)力,提高機(jī)組安全性。為方便抽汽口布置和減小機(jī)組啟停脹差的影響,鈉冷快堆高壓模塊設(shè)置兩個(gè)隔板套。鈉冷快堆高壓排汽已是濕度較大的飽和蒸汽,為減少汽缸腐蝕,高壓排汽缸部分堆焊一層不銹鋼,這是與常規(guī)火電機(jī)組有較大不同的地方。圖6 為鈉冷快堆高壓模塊設(shè)計(jì)方案模型。

圖6 鈉冷快堆高壓模塊

鈉冷快堆低壓模塊與常規(guī)火電濕冷機(jī)組低壓模塊結(jié)構(gòu)無較大差別,均是采用雙層缸,低壓內(nèi)缸均為雙分流汽缸,內(nèi)缸坐落在外缸上。由于鈉冷快堆參數(shù)低,同等功率下低壓模塊進(jìn)汽量大,并且背壓低,導(dǎo)致低壓末葉較長。針對(duì)低壓蒸汽來自左右兩側(cè)汽水分離器并且蒸汽容量大的特點(diǎn),每個(gè)低壓模塊設(shè)置兩個(gè)進(jìn)汽口,這是與常規(guī)火電機(jī)組在低壓模塊上最大的區(qū)別。

2.3 滑銷系統(tǒng)分析

鈉冷快堆借鑒成熟的常規(guī)火電機(jī)組滑銷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,高壓缸通過下貓爪支撐在軸承箱上,除死點(diǎn)箱外,軸承箱底部安裝自潤滑滑塊,可由汽缸推動(dòng)沿軸向滑動(dòng)。鈉冷快堆高壓進(jìn)汽在機(jī)頭側(cè),為減小進(jìn)汽高壓高溫部分動(dòng)靜脹差,推力軸承布置在前軸承箱,前軸承箱為滑動(dòng)軸承箱,整個(gè)滑銷系統(tǒng)見圖7。

圖7 鈉冷快堆滑銷系統(tǒng)簡圖

600 MW 級(jí)常規(guī)超超臨界火電機(jī)組比鈉冷快堆汽輪機(jī)多了一個(gè)中壓缸,高壓、中壓均為單流模塊,為平衡推力,采用對(duì)置方案。推力軸承設(shè)置在高壓、中壓之間,前箱和高中壓間軸承箱均可以沿軸向滑動(dòng),靜子死點(diǎn)設(shè)置在中低壓之間。圖8 為常規(guī)超超臨界火電四缸四排汽模塊的滑銷系統(tǒng)方案簡圖。

圖8 常規(guī)火電滑銷系統(tǒng)簡圖

3 結(jié)論

電力行業(yè)的發(fā)展關(guān)系到國計(jì)民生,火力發(fā)電機(jī)機(jī)組在保障電力供應(yīng)和工業(yè)、民用供熱等作出了巨大貢獻(xiàn),核能也將是我國能源保障的重要一部分,鈉冷快堆也會(huì)有較大的發(fā)展。通過比較分析,熱力系統(tǒng)的差異是導(dǎo)致鈉冷快堆汽輪機(jī)和常規(guī)火電汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)差異的根源,采用汽水分離再熱的汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)將是鈉冷快堆核能利用的主要方式。參數(shù)低、可靠性要求高、大容量濕冷循環(huán)的汽輪機(jī)機(jī)組是鈉冷快堆汽輪機(jī)的發(fā)展方向。