核電空冷汽輪機(jī)主要技術(shù)問題分析研究

楊冰

【摘 要】針對(duì)空冷汽輪機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合火電汽輪機(jī)與核電汽輪機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)空冷造成的主要問題進(jìn)行分析，包括空冷系統(tǒng)、背壓高、背壓變化范圍大、排汽容積流量變化大以及末級(jí)葉片等，并對(duì)核電空冷汽輪機(jī)的主要問題從空冷系統(tǒng)的選擇和末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了解決方案的研究。

【關(guān)鍵詞】核電；空冷；汽輪機(jī)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，未來的煤炭和水資源將不能滿足電力需求的大幅度增長(zhǎng)，為保證經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須快速大力發(fā)展核電，以緩解電力供需的矛盾。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)角度，中國(guó)除了沿海核電外，仍需發(fā)展內(nèi)陸核電。

截止到目前為止，我國(guó)大陸已建成并投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組21臺(tái)，已經(jīng)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著化石能源資源日趨緊張、價(jià)格不斷攀升，減少污染物排放的要求日漸嚴(yán)格以及缺水地區(qū)對(duì)電能的不斷需求，發(fā)展內(nèi)陸空冷核電將成為了中國(guó)能源發(fā)展的必然趨勢(shì)，開發(fā)核電空冷汽輪機(jī)也成為亟待解決的課題。

為此，針對(duì)空冷汽輪機(jī)的特點(diǎn)，以火電汽輪機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)核電空冷機(jī)組的主要技術(shù)問題進(jìn)行分析研究。

1 核電空冷汽輪機(jī)主要技術(shù)問題分析

對(duì)于核電空冷汽輪機(jī)，可根據(jù)火電空冷汽輪機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合核電濕冷汽輪機(jī)的特點(diǎn)，進(jìn)行分析研究。

核電空冷汽輪機(jī)的主要技術(shù)問題是背壓高、變化范圍大，末級(jí)葉片，低壓缸溫度變化大，新蒸汽流量大，壓力、焓值低等。

以下重點(diǎn)分析研究核電空冷汽輪機(jī)的這些主要問題。

1.1 背壓高、變化范圍大

由于空冷汽輪機(jī)采用空冷系統(tǒng)對(duì)乏汽進(jìn)行冷卻，空冷系統(tǒng)的應(yīng)用導(dǎo)致了汽輪機(jī)背壓高、變化范圍大，使得汽輪機(jī)的末級(jí)葉片容積流量變化范圍大，以下簡(jiǎn)要分析。

1.1.1 空冷系統(tǒng)的主要形式

空冷系統(tǒng)分為直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)：

（1）直接空冷：直接空冷系統(tǒng)是汽輪機(jī)乏汽與環(huán)境空氣通過空冷散熱器直接進(jìn)行換熱。背壓變化范圍一般為：8～50kPa。

（2）間接空冷：間接空冷系統(tǒng)是汽輪機(jī)乏汽與環(huán)境空氣通過循環(huán)冷卻水間接進(jìn)行換熱。背壓變化范圍一般為：5～30kPa。[1]

1.1.2 容積流量變化大

（1）氣溫高，汽輪機(jī)末級(jí)葉片容積流量減小。可能產(chǎn)生汽輪機(jī)背壓高于零功率背壓的情況。

（2）氣溫低，汽輪機(jī)末級(jí)葉片容積流量增大，可能產(chǎn)生汽輪機(jī)背壓低于阻塞背壓的情況。

1.2 末級(jí)葉片

背壓高、變化范圍大及其所導(dǎo)致的容積流量變化大的特點(diǎn)，直接影響著空冷汽輪機(jī)的末級(jí)葉片，以下進(jìn)行分析。

1.2.1 高背壓

在高背壓情況下，流經(jīng)末級(jí)的容積流量相當(dāng)小，軸向流量集中在葉片頂部，葉片中部和根部可能產(chǎn)生渦流，根部甚至可能出現(xiàn)倒流，以至于鼓風(fēng)，引起葉片顫振，導(dǎo)致葉片損壞，將嚴(yán)重影響到機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。[2]

1.2.1 低背壓

在低背壓情況下，流經(jīng)末級(jí)的容積流量相當(dāng)大，末級(jí)葉片流道內(nèi)的蒸汽氣流速度迅速增加，可能達(dá)到音速而造成阻塞。大量蒸汽在末級(jí)葉片形成紊亂的膨脹而引起附加損失，同時(shí)在末級(jí)葉片后形成的紊亂氣流，有可能造成汽輪機(jī)的振動(dòng)增大，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

1.3 新蒸汽問題

核電空冷汽輪機(jī)除了具備火電空冷汽輪機(jī)由于背壓高且變化頻繁造成的問題外，還具有新蒸汽流量大，壓力、焓值低的問題。

1.3.1 主蒸汽流量大

與相同功率的火電汽輪機(jī)相比，核電汽輪機(jī)蒸汽做功的焓降小，所以需要的主蒸汽流量大。

由于末級(jí)葉片排汽面積取決于節(jié)圓直徑，大容積流量和排汽面積就需要更長(zhǎng)的末級(jí)葉片，與火電相比，相同容量的核電汽輪機(jī)需要更長(zhǎng)的末級(jí)葉片。

流量的增加，使末級(jí)葉片的工作應(yīng)力增加，蒸汽的作用力、激振力、水蝕以及蒸汽所攜帶水滴沖擊葉片的概率增加。

由此可見，核電空冷機(jī)組末級(jí)葉片在承受火電空冷背壓高、變化頻繁的影響之外，同時(shí)還要能經(jīng)受核電特有的大流量造成的各種影響。

2 核電空冷汽輪機(jī)的主要技術(shù)問題解決方案

針對(duì)空冷系統(tǒng)造成的背壓高、變化范圍大及蒸汽流量大的問題，主要結(jié)合現(xiàn)有火電和核電的成功經(jīng)驗(yàn)，從空冷系統(tǒng)的選擇與末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)方面來解決。

2.1 空冷系統(tǒng)的選擇

間接空冷系統(tǒng)與直接空冷系統(tǒng)相比，背壓較低、背壓變化范圍較小，且對(duì)環(huán)境敏感程度也較低，無論是在安全還是設(shè)計(jì)方面都具有優(yōu)勢(shì)，因此，核電空冷機(jī)組選擇間接空冷系統(tǒng)比較合適。

2.2 末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)特性

針對(duì)背壓高，變化范圍大的特點(diǎn)，應(yīng)采用大剛度、低動(dòng)應(yīng)力，小應(yīng)力集中，高強(qiáng)度、高內(nèi)阻的材料及大阻尼、能防止顫振的整圈自鎖阻尼型葉片結(jié)構(gòu)。[3]

2.2.2 氣動(dòng)特性

當(dāng)葉片根部反動(dòng)度為0或負(fù)值時(shí)，根部區(qū)域不僅會(huì)產(chǎn)生脫流，而且可能發(fā)生倒流，甚至波及到靜葉中。在葉片頂部，如果反動(dòng)度過大，則可能加重漏氣損失。

馬赫數(shù)小于0.35，輪周效率將急劇下降，效率為0%表示葉片級(jí)進(jìn)入了鼓風(fēng)發(fā)熱的負(fù)功狀態(tài)，即零功率背壓，0%效率的馬赫數(shù)在0.22～0.3之間；馬赫數(shù)有一個(gè)最大值，取決于葉柵流道形式，一般為0.85～0.9，稱之為阻塞馬赫數(shù)。[4]

所以應(yīng)采用具有更好的變工況適應(yīng)性，對(duì)馬赫數(shù)不敏感的葉型型線，具有較低的阻塞背壓、較高的零功率背壓，較高的根部反動(dòng)度、適中的頂部反動(dòng)度和能很好控制沿葉高的反動(dòng)度分布的葉型。

2.2.3 設(shè)計(jì)開發(fā)

通過在已有運(yùn)行業(yè)績(jī)的葉片基礎(chǔ)上進(jìn)行模化設(shè)計(jì)。模化設(shè)計(jì)可以大大縮短研發(fā)周期，同時(shí)提高葉片的運(yùn)行可靠性。開發(fā)制造的實(shí)物葉片應(yīng)進(jìn)行靜頻測(cè)量試驗(yàn)、葉輪和輪槽應(yīng)力特征驗(yàn)證試驗(yàn)、動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)、動(dòng)頻試驗(yàn)、葉片轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)、濕蒸汽性能驗(yàn)證試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)工作，以確保葉片安全可靠。[5]

?；O(shè)計(jì)：汽輪機(jī)葉片由全轉(zhuǎn)速葉片?；桨胨偃~片，可在保持氣動(dòng)特性及靜強(qiáng)度特性基本不變的同時(shí)，使其通流能力增加為原來的4倍，并且半速葉片的動(dòng)應(yīng)力和安全可靠性基本不變。因此，目前幾乎所有半速核電汽輪機(jī)的長(zhǎng)葉片均有全轉(zhuǎn)速葉片按轉(zhuǎn)速放大?；蟮玫?。

3 結(jié)論

本文結(jié)合火電空冷機(jī)組和核電濕冷機(jī)組現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)，分析空冷引起的直接問題，并得到了解決方案，為核電空冷項(xiàng)目的進(jìn)一步開展奠定了基礎(chǔ)。

內(nèi)陸空冷核電是緩解日益增長(zhǎng)的電能需求和水資源與環(huán)保壓力的有效解決辦法，是未來的發(fā)展趨勢(shì)，相信在不遠(yuǎn)的將來，一定可以實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李潤(rùn)森.1000MW級(jí)空冷機(jī)組可行性研究[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2008（2）：43-50.

[2]蔡頤年.蒸汽輪機(jī)[M].西安交通大學(xué).

[3]崔宏博.全、半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)的比較 [J].東方電氣評(píng)論.2006（2）：58-63.

[4]吳其林.空冷汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].熱力透平.2007（2）：89-100.

[5]陸偉.半速大容量核電汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片開發(fā)[J].華東電力.2010（11）：1771-1774.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]