淺談海上核電站用汽輪機(jī)組的特殊要求

摘要：隨著中國海上民用核技術(shù)成熟，將陸上核電站的縮小版安裝在船上而形成的海上浮動(dòng)核電站的應(yīng)用前景廣闊。目前對(duì)于海上核電站用汽輪機(jī)組的研究較少，也未相關(guān)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，開展該技術(shù)的科學(xué)研究和技術(shù)儲(chǔ)備，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本文在介紹海上核電站及二回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國船級(jí)社規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和國內(nèi)外核電站汽輪機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)海上核電用汽輪機(jī)組的特殊要求進(jìn)行簡要分析和總結(jié)，為海上核電站領(lǐng)域市場開拓提供技術(shù)參考。

1 引言

海上核電站是一個(gè)全新的領(lǐng)域，目前相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于核電領(lǐng)域涉及很少，也未給予特殊的要求。汽輪機(jī)組作為海上核電站二回路系統(tǒng)的核心裝置之一，不僅要滿足海上設(shè)備特殊的工作條件及要求，必須按照船用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范執(zhí)行，同時(shí)又要滿足核電類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有其特殊性。本文選取汽輪機(jī)組作為研究對(duì)象探討其特殊要求。

2 二回路系統(tǒng)及汽輪機(jī)組

2.1 二回路系統(tǒng)介紹

海上核電站二回路系統(tǒng)與壓水堆核電站二回路系統(tǒng)類似，工作流程為來自蒸汽發(fā)生器的高溫高壓蒸汽經(jīng)主汽閥、調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入汽輪機(jī)。由于汽輪機(jī)排氣口的壓力大大低于進(jìn)氣壓力，蒸汽在這個(gè)壓差作用下向排氣口流動(dòng)，其壓力和溫度逐漸降低，部分熱能轉(zhuǎn)換成為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)自旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。做功后的乏汽，從排氣口排入凝汽器，在較低的溫度下凝結(jié)成水。此凝結(jié)水由凝結(jié)水泵抽出送往蒸汽發(fā)生器構(gòu)成封閉的熱力循環(huán)。凝結(jié)水通過水流量調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，吸收反應(yīng)堆冷卻劑熱量轉(zhuǎn)變成飽和蒸汽，從而轉(zhuǎn)變成初蒸汽，完成一次完整的二回路汽水系統(tǒng)循環(huán)。

2.2 汽輪機(jī)組工作原理

汽輪機(jī)組作為二回路的主要設(shè)備，其主要功用在于將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和濕蒸汽供汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱工的轉(zhuǎn)換，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電負(fù)荷。

多級(jí)汽輪機(jī)中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能是通過各個(gè)級(jí)的工作來完成的。汽輪機(jī)級(jí)的結(jié)構(gòu)和工作原理，靜葉片固定在隔板中，兩個(gè)相鄰靜葉片間的氣流通道稱為噴嘴。當(dāng)具有一定溫度和壓力的蒸汽通過汽輪機(jī)級(jí)時(shí)，首先在噴嘴中將蒸汽所具有的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，然后再動(dòng)葉柵組成的氣流通道中將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

3 海上核電用汽輪機(jī)組的特殊要求

船舶在風(fēng)浪中航行，船體經(jīng)常發(fā)生大幅度運(yùn)動(dòng)。為確保海上核電站系統(tǒng)、設(shè)備聯(lián)接結(jié)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定，海上核電站對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性要求要比陸用核電站更高。從核能安全分級(jí)角度來看，汽輪機(jī)不執(zhí)行核安全或核安全相關(guān)功能，屬于非安全級(jí)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)主要參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.1 材料使用方面的特點(diǎn)：

海上核電站用汽輪機(jī)的工作環(huán)境特點(diǎn)是浮動(dòng)式基礎(chǔ)，對(duì)搖擺、傾斜、振動(dòng)等要求較高，同時(shí)船艙空間位置及尺寸的限制，要求機(jī)組尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單。而相對(duì)于其它船用汽輪機(jī)，海上核電用汽輪機(jī)尺寸、重量都比同功率汽輪機(jī)要大;另外新蒸汽參數(shù)較低，蒸汽濕度大，比焓降低，容積流量相對(duì)較大，其尺寸大、重量也比同功率陸用汽輪機(jī)要大。因此對(duì)于材料的要求要比同功率的其他船用汽輪機(jī)要高。對(duì)于核電站用汽輪機(jī)而言，氣缸承受著交變的熱負(fù)荷和氣流的沖擊。汽輪機(jī)組在濕熱的條件下工作，又受氣流沖擊，應(yīng)確保在其使用的應(yīng)力，溫度和時(shí)間下不會(huì)開裂或發(fā)生超過允許范圍的變形。

另外，考慮汽輪機(jī)蒸汽做功后可用的焓降減少，蒸汽濕度加大。目前國內(nèi)外核電站在汽輪機(jī)葉輪葉片的選材上都做到了分級(jí)考慮。由于越到后面，蒸汽濕度越大，葉片最末級(jí)的材料要求越高。汽輪機(jī)最末級(jí)葉片的材料與前面幾級(jí)的不同，最末級(jí)葉片為通常采用鈦合金。

3.2 汽輪機(jī)高低壓缸保護(hù)

高溫高壓的蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功推動(dòng)汽輪機(jī)，汽輪機(jī)作為一個(gè)相對(duì)密封的裝置，必須考慮高低壓缸內(nèi)的壓力突變，確保汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽壓力在正常的工作范圍內(nèi)。因此除主蒸汽管路中設(shè)有安全閥外，汽輪機(jī)的高低壓缸也應(yīng)有一定的保護(hù)裝置。現(xiàn)在運(yùn)行的核電廠中，一般是在汽輪機(jī)高壓缸設(shè)置卸載裝置，并在低壓缸排氣段上部設(shè)置爆破膜，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，爆破膜自動(dòng)爆破泄壓。如下圖9所示。其目就是為了防止高低壓缸中的壓力超過允許值，對(duì)汽輪機(jī)造成損壞。

3.3 設(shè)置汽水分離再熱氣器

前文提到由于壓水堆核電站反應(yīng)堆的特點(diǎn)，核電站用汽輪機(jī)的進(jìn)氣為飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)較低。為減少蒸汽中水分引發(fā)的低壓缸腐蝕和侵蝕，同時(shí)為了提高蒸汽的做功效率，核電用汽輪機(jī)組都設(shè)有汽水分離再熱器，即將高壓缸排出的濕度較大的蒸汽經(jīng)過汽水分離再熱器去濕、加熱后變成微過熱的高溫蒸汽，進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功。

汽水分離再熱器分為汽水分離和再熱兩部分，濕蒸汽進(jìn)入汽水分離器后，根據(jù)比重的不同，經(jīng)過分離元件后，比重較大的水通過分離器的下部疏水孔排出，比重較小的蒸汽則通過分離器頂部的排汽孔排出;再熱器為表面式換熱器，利用新蒸汽作為放熱源，新蒸汽凝結(jié)為水釋放出大量潛熱，受熱蒸汽吸熱變?yōu)檫^熱蒸汽繼續(xù)做功。

4 結(jié)語

本文簡單介紹了海上核電站二回路系統(tǒng)，節(jié)選了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未涉及但又是核電站用汽輪機(jī)組運(yùn)行過程相對(duì)重要的幾個(gè)問題，如材料問題，軸承、高低壓缸保護(hù)要求和汽水分離再熱氣器問題作為探討對(duì)象，在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國內(nèi)外核電站用汽輪機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，提出了海上核電用汽輪機(jī)組的特殊要求，這些問題對(duì)維持汽輪機(jī)的正常運(yùn)行及防止汽輪機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞至關(guān)重要，對(duì)于海上核電用汽輪機(jī)組研究具有一定的參考意義。

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作者簡介：季佩（1986年11月），男，安徽省宿州市人，工程師，大學(xué)學(xué)士，從事核電廠運(yùn)行。