核電汽輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行特點研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司,上海 200438）

1 核電廠

核電廠是將核燃料鈾（钚）在反應(yīng)堆內(nèi)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電廠[1]。核燃料產(chǎn)生的裂變能主要以熱能的形式出現(xiàn),其經(jīng)過一次和二次冷卻劑的載帶和轉(zhuǎn)換,最終以蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。核電廠按反應(yīng)堆類型可以劃分為輕水堆核電廠、重水堆核電廠、石墨氣冷堆核電廠和快中子增殖堆核電廠等。輕水堆包括壓水堆和沸水堆,石墨氣冷堆分為天然鈾氣冷堆和高溫氣冷堆,快中子增殖堆分為鈉冷、氣冷的快中子堆和熔鹽熱中子堆。

壓水堆核電廠正常運行時,向環(huán)境排放的放射性物質(zhì)低于火電廠煤粉灰中的放射性含量,根本不產(chǎn)生二氧化硫等有害氣體[2]。同氣冷堆、重水堆、沸水堆等堆型比較,其具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全易控、技術(shù)成熟、造價和發(fā)電成本低等優(yōu)點,因此成為世界上核電廠最廣泛采用的堆型[3]。目前,我國的大亞灣和秦山等核電廠均采用壓水堆發(fā)電。預(yù)計在快中子增殖堆和其他堆型成熟之前,壓水堆將繼續(xù)保持其優(yōu)勢。

2 壓水堆核電廠

壓水堆核電廠是以壓水反應(yīng)堆將核裂變能轉(zhuǎn)換為熱能,再產(chǎn)生蒸汽而發(fā)電的電廠。壓水堆堆芯裝在壓力容器內(nèi),水既作為慢化劑,又作為核芯內(nèi)燃料元件的一次冷卻劑,將堆芯熱量帶到蒸汽發(fā)生器一次側(cè),傳給二次側(cè)的水,溫度降低后由主泵再打入堆芯,形成一回路循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水吸收熱量,產(chǎn)生一定壓力的飽和蒸汽或微過熱蒸汽,進入汽輪機做功。完成做功后的蒸汽進入凝汽器凝結(jié)成水,再用水泵送回蒸汽發(fā)生器的二次側(cè),形成二回路系統(tǒng)[4-5]。

3 壓水堆核電廠的熱力循環(huán)

從熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,核電熱力循環(huán)與火電熱力循環(huán)的區(qū)別是：在核電熱力循環(huán)中,汽輪機的進口為飽和蒸汽或微過熱蒸汽,通常不設(shè)中壓缸,在高壓缸和低壓缸之間設(shè)置了汽水分離再熱器,在汽水分離再熱器中,高壓缸排汽中水分被排走[6-8],并得到再熱。

同火電汽輪機相比,進入核電汽輪機的主蒸汽是屬于中等參數(shù)的飽和蒸汽[9-10],其等熵焓降、有效比焓降較小,因此其具有與火電汽輪機不同的特點。由于主蒸汽容積容量大,高壓缸同低壓缸一樣,采用雙流結(jié)構(gòu),且第一級葉片較高,使噴嘴調(diào)節(jié)過程較為困難,故一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)。由于排汽容積流量大,要求增加低壓缸數(shù)目以增加末級通流面積,或采用半速汽輪機以提高末級葉片高度。由于排汽余速損失對汽輪機效率有較大影響,故有時采用較高的設(shè)計背壓,以降低排汽容積流量,從而降低余速損失[11]。

核電汽輪機高壓缸各級都在濕蒸汽區(qū)進行工作,其排汽濕度將達23%。經(jīng)汽水分離、再熱后再進入低壓缸做功[12-14],低壓缸后5級還處于濕蒸汽區(qū)。若核電汽輪機只采用汽水分離而無再熱時,則低壓各級都工作于濕蒸汽區(qū),因此均需配備除濕措施。

4 核電汽輪機的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和運行特點

核電汽輪機通常是指用于壓水堆、沸水堆、重水堆和氣冷堆等堆型核電廠的飽和蒸汽汽輪機[15-16],也稱濕蒸汽汽輪機,其新蒸汽為含微量水分的飽和蒸汽或微過熱蒸汽。高溫氣冷堆和快中子增殖堆核電廠能提供500℃以上的過熱蒸汽,因此同火電廠一樣,可采用亞臨界壓力或超臨界壓力的高溫再熱汽輪機,所用汽輪機類型和要求也與火電廠基本相同。

核電汽輪機的低壓缸零部件通常采用火電汽輪機相同的材料制成,高壓內(nèi)外缸、隔板套、隔板體、動葉和靜葉[17]、隔板外環(huán)和其他元件,均采用高耐蝕材料制作。

火電汽輪機相應(yīng)的設(shè)計要點可推廣應(yīng)用于核電汽輪機,然而,核電汽輪機的汽耗量和容積流量較大,因此機組各部件尺寸明顯大于火電汽輪機。為了提高運行的經(jīng)濟性和安全性,必須設(shè)置機外汽水分離器和機內(nèi)葉片除濕設(shè)施,以排除機組外部和內(nèi)部水分,這樣將使設(shè)計復(fù)雜化。但蒸汽在核電汽輪機內(nèi)膨脹過程的焓降較小,可以不設(shè)中壓缸,采用較少的熱力過程級。同時,由于蒸汽溫度低于所用金屬材料的蠕變斷裂溫度,使材料的使用環(huán)境得到改善,這樣又減少了設(shè)計的復(fù)雜性。

在核電熱力系統(tǒng)中,即使裝設(shè)了汽水分離再熱器,也只有核電汽輪機低壓前兩級在干蒸汽區(qū)工作,其他各級仍處于濕蒸汽環(huán)境。轉(zhuǎn)動部件表面,尤其是長葉片頂部,受到水滴的侵蝕。在侵蝕、腐蝕聯(lián)合作用下,從轉(zhuǎn)動部件甩出來的水滴,使靜止部件也受到損傷,在具有較大壓差部件的連接面,可能出現(xiàn)拉伸腐蝕現(xiàn)象。為此,需采取完善的除濕結(jié)構(gòu)控制水分的含量和特性,選用恰當(dāng)金屬材料提高部件的抗侵蝕、腐蝕能力。

5 核電汽輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

5.1 核電汽輪機轉(zhuǎn)速的選擇

隨著汽輪機功率的增大,末級葉片受到結(jié)構(gòu)強度和氣體動力學(xué)的限制將增強,采用提高汽輪機背壓,降低排汽容積流量而降低余速損失的方法,又將降低機組熱效率。因此,核電大功率飽和1汽輪機通常采用1500r/min（50Hz）或1800r/min（60Hz）的半速結(jié)構(gòu),這樣可以在相同的材料許用應(yīng)力條件下,增加低壓轉(zhuǎn)子各級的平均直徑和末級葉片高度,從而獲得4倍的末級通流面積,還可以提高低壓缸效率,其增加值可超過高壓缸因采取半轉(zhuǎn)速而降低效率的數(shù)值,從而提高整機的效率。

理論和實踐證明,采用半速汽輪機,通流部分效率可以提高1.0%～1.5%。美國生產(chǎn)的部分水冷堆核電廠汽輪機,即使功率不大,轉(zhuǎn)速也都設(shè)計為1800r/min。采用半速汽輪機并在末級動葉片頂部圓周速度適中的情況下,可以獲得較大的末級通流面積,還可以使其低壓部分和火電大功率半速汽輪機的低壓部分廣泛通用。

與全速汽輪機相比,半速汽輪機的高和寬都增加了近1倍,低壓缸數(shù)目雖可減少,但汽輪機總重量將增加50%左右,造價高60%左右。隨著技術(shù)進步,50Hz的大功率汽輪機已開始采用全速結(jié)構(gòu)[18]。中國大亞灣核電廠900MW汽輪機亦采用3000r/min結(jié)構(gòu)。

德國西門子公司對核電汽輪機的汽缸數(shù)、末級葉片高度和整機長度與機組功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進行了研究,給出了相應(yīng)的計算結(jié)果。汽輪機采用半轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu),可以減少汽缸數(shù)和整機長度,但增加了汽缸尺寸。

德國進行的經(jīng)濟技術(shù)計算又表明,核電汽輪機由于燃料成本較低,凝汽器的最佳壓力一般比火電汽輪機更高。通常而言,決定凝汽器壓力的冷卻系統(tǒng)對提高全速和半速核電汽輪機的極限功率有顯著影響。

5.2 汽缸配置和分缸壓力

在核電汽輪機中蒸汽的焓降較小,可采用較少的熱力過程級。所以核電汽輪機通常只分高壓和低壓兩段,無需配備中壓缸。同時,汽輪機的進、排汽部分和管道系統(tǒng)中的汽流能量損失相對增大。

核電汽輪機因為進汽壓力、溫度低,高壓缸一般采用單層缸結(jié)構(gòu)。由于蒸汽容積流量大,高壓缸和低壓缸都采用分流結(jié)構(gòu)。

低壓缸的運行工況與火電汽輪機的低壓段近似,但半速汽輪機的低壓缸因體積龐大,通常采用內(nèi)外缸結(jié)構(gòu),以降低汽缸的熱應(yīng)力和螺栓應(yīng)力,低壓缸數(shù)量亦要增加。

5.3 轉(zhuǎn)子和葉輪

工業(yè)發(fā)達國家采用真空除氣熔煉的合金鋼整塊鍛件加工及制造核電汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子和葉輪。過去,由于技術(shù)工藝等問題,限制了鍛件毛坯的直徑和長度,因此低壓轉(zhuǎn)子多采用套裝葉輪的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在火電機組上的使用效果總體較好。但在核電汽輪機中,由于在濕蒸汽區(qū)工作,在套裝葉輪的鍵槽內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂。目前,由于技術(shù)的發(fā)展,高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子均可采用整鍛轉(zhuǎn)子,從而解決了上述問題。

5.4 盤車裝置

當(dāng)功率相同時,核電汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為火電汽輪機轉(zhuǎn)子的3～4倍,軸承摩擦力矩則為2～3倍,故盤車力矩大。盤車時必須用頂軸油泵將軸頸頂起,頂軸油泵開動的臺數(shù)需根據(jù)軸承出現(xiàn)的摩擦情況而定。

5.5 汽水分離再熱器的設(shè)置

采用汽水分離再熱器可使效率相對提高2%。由于經(jīng)濟和安全原因,汽水分離再熱器一般布置在低壓缸兩側(cè),并將聯(lián)合截止閥裝于緊靠低壓缸入口處。

蒸汽再熱過程可分為單級再熱和兩級再熱。單級再熱時通過主蒸汽加熱。采用兩級再熱時,第1級用高壓缸抽汽加熱,第2級用主蒸汽加熱。究竟采用哪一種再熱方式,要通過綜合經(jīng)濟比較來確定。

以1000MW級核電汽輪機為例,其通常設(shè)置2臺或4臺汽水分離再熱器。該裝置通常為巨大臥式容器,內(nèi)設(shè)汽水分離器和蒸汽再熱器。分離器結(jié)構(gòu)為多層不銹鋼人字形帶鉤波紋板,再熱器為兩級管式,采用低肋鰭片不銹鋼管,加熱蒸汽在管內(nèi)流動,被加熱蒸汽在管外流動[19]。

外置汽水分離再熱器和連通管道系統(tǒng)大幅增加了貯汽容積,因此必須裝設(shè)龐大的中間調(diào)節(jié)閥和安全閥。為了減少中間蒸汽容積,取消低壓缸的主汽調(diào)節(jié)閥和降低壓力損失,某些國家將汽水分離器布置在汽輪機通流部分內(nèi)部。以英國AEI公司設(shè)計的1臺1000MW汽輪機為例,其采用了該類結(jié)構(gòu)。在汽輪機高壓缸第6級后裝有特殊隔板,其葉片型線設(shè)計使蒸汽具有高圓周速度。甩到外圍上的水滴與供給水加熱器的汽流一起抽出。直接裝在汽水分離器后的第7級隔板裝有小曲率葉片,以便該級和隨后各級動葉片上汽流穩(wěn)定。內(nèi)置式分離器與外置式分離器一樣,分離器入口蒸汽濕度為10.5%,而出口處為2.5%。5.6機內(nèi)除濕、防腐結(jié)構(gòu)

高壓缸的各級都在濕蒸汽環(huán)境中工作,高速濕蒸汽流中的微小水滴不僅影響汽輪機效率,并對汽輪機零部件有很大的浸蝕和腐蝕作用。故通常對核電汽輪機要采用特殊的除濕、防蝕結(jié)構(gòu)。

（1）在動葉片蒸汽入口側(cè)的背弧上開齒形溝槽,利用動葉片旋轉(zhuǎn)的離心力,將凝結(jié)在葉片表面上的水膜順著齒形溝槽沿圓周方向甩出,進行汽水分離。

（2）靜葉片上典型除濕結(jié)構(gòu)是隔板采用中空靜葉片,在靜葉片背弧上開槽,水分經(jīng)糟進入中空葉片內(nèi)腔,抽入凝汽器。

（3）在隔飯和葉片圍帶之間設(shè)置環(huán)狀去濕腔和疏水孔,有效地排出濕蒸汽中的水分。

（4）在低壓轉(zhuǎn)子末幾級葉片上部進汽邊約1/3處鑲焊硬質(zhì)合金片或經(jīng)特殊熱處理。

（5）為了減少水滴對轉(zhuǎn)動葉片的撞擊作用,將靜葉片和動葉片的軸向間隙設(shè)計成根部盡可能小,向外緣逐步增加,國外許多公司把低壓部分最后幾級的外緣軸向間隙增大到100mm,或更大些。

（6）在汽缸、隔板和汽封等構(gòu)件的中分面,以及在隔板與汽缸的接觸密封面上,堆焊或噴涂鈦、高鎳鉻合金和蒙乃爾合金等抗蝕材料的噴涂覆蓋層或密封環(huán)。同時可在隔板和高壓缸的縫隙浸蝕面堆焊不銹鋼含金。為減少支承面的水蝕,美國GE公司廣泛采用隔板成組結(jié)構(gòu),每兩個相鄰隔板用螺栓沿水平中分面和軸向連續(xù)為一隔板組,將隔板組設(shè)在第二塊隔板（沿流向排序）上的凸緣裝在汽缸洼窩中,接觸面焊以鈷鉻合金。從而大幅增加了隔板間和隔板與汽缸接觸部位的壓緊力,防止這些表面的浸蝕。

6 核電汽輪機運行特點

6.1 運行中疏水量大

核電汽輪機組正常運行時應(yīng)確保正確地將這部分水排掉。在汽輪機啟動前或停機后,甚至在汽輪機低負荷時,都應(yīng)開啟疏水閥。所有疏水管道都應(yīng)裝設(shè)自動逆止閥,防止汽輪機進水。當(dāng)甩負荷時防止水分蒸發(fā)驅(qū)使汽輪機嚴(yán)重超速[20]。

6.2 蒸汽旁路系統(tǒng)容量大

當(dāng)汽輪機甩負荷時,應(yīng)迅速將來自蒸汽發(fā)生器的多余蒸汽排入凝汽器,使反應(yīng)堆能按規(guī)定的速率減負荷,并避免主蒸汽系統(tǒng)安全閥動作。在啟動和停堆期間控制反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度。

6.3 嚴(yán)格控制主蒸汽壓力變化值

由于要嚴(yán)格控制反應(yīng)堆堆芯溫度,在5s內(nèi)壓力下降值不得超過7.1%～11%,壓力升高值不得越過5.7%,否則必須停堆停機。

6.4 嚴(yán)格的水質(zhì)管理

蒸汽發(fā)生器對水質(zhì)要求較高,通常會對50%或100%凝結(jié)水進行凈化,其方法是使凝結(jié)水經(jīng)過混合床,除去由于凝汽器管或管板泄漏及系統(tǒng)腐蝕所產(chǎn)生的鹽垢、二氧化硅及銅、鐵等雜質(zhì),確保送往蒸汽發(fā)生器的水質(zhì)合格。秦山核電廠設(shè)有除氧循環(huán)水泵,在啟動前,用除氧循環(huán)水泵沖洗給水管道,待管道干凈以后再往除氧器送汽。直至符合蒸汽發(fā)生器進水標(biāo)準(zhǔn)為止。核電廠一般會設(shè)置應(yīng)急給水系統(tǒng)及專用的應(yīng)急水池和應(yīng)急電源（如柴油發(fā)電機組）,以保證故障時有足夠的水和可靠的電源。

7 結(jié)束語

目前,核能發(fā)電依然是我國能源建設(shè)體系的重要發(fā)展方向之一,核電汽輪機作為能源轉(zhuǎn)換過程中最為關(guān)鍵的機械設(shè)備,其重要性自然不言而喻?？紤]到其當(dāng)前的技術(shù)水平,未來核電汽輪機依然會向著更大裝機容量及更高參數(shù)的技術(shù)方向而不斷發(fā)展。