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核电汽轮机的特点及选型 摘要:本文首先分析了核电汽轮机的几个特点,即蒸汽参数低、节流调节、蒸汽湿度大、以及设置有汽水分离再热器。文章结合这几个特点来分析核电汽轮机应如何选型,以促进核电设备有效运行,降低投资资金,将核电特长充分发挥出来。关键词:核电;汽轮机;特点;选型前言随着我国核电事业不断发展,规模不断壮大,汽轮机的使用量也随之增加。在核电运行系统中,汽轮机属于重要组成部分,常分作两种机型,即全速汽轮机和半速汽轮机。我国在运核电厂中,秦山三期为半速汽轮机,除此之外的其他核电厂,均采用全速汽轮机。通常情况下,半速汽轮机主要应用于一些百万千瓦级以上的项目中,而目前我国这类项目较少。随着核电事业的不断发展,建设规模不断扩增,核电项目百万千瓦级的越来越多,汽轮机的合理选择成为了核电企业首要考虑的问题之一。文章首先分析了核电机组汽轮机的特点,然后根据这些特点分析汽轮机正确选型的方法。一、分析核电运行系统中汽轮机的几个特点(一)参数低现如今,多数核电站都属于压水堆核电站,受于反应堆的压力容器强度限制,一回路冷却剂参数较低,导致二回路主蒸汽的参数也相对较低。现选择国内常用的1000MW级机组作为实际案例来展开分析,机组中一回路冷却剂的平均压力约为15.5MPa、平均温度约310,二回路中,蒸汽发生器出口压力约为6.7MPa,温度约283,蒸汽湿度约0.2-0.4%。这种机组和功率相同的火电汽轮机对比,因蒸汽参数低,做功时焓降较小,所以需要的主蒸汽流量则较大1。(二)节流调节汽轮机调节主要有两种方式,一种是喷嘴调节,一种是节流调节。两种调节方式的差别在于节流调节没有设计调节级,具有较高的设计工况效率,而变工况的效率则偏低;喷嘴调节的设计与节流调节则恰好相反,设计工况效率较低,变工况效率较高。这两种调节方式的设计工况、变工况效率相差1%左右。除1000MW级等超临界机组主要选择节流调节,其他的火电机组都是以喷嘴调节方式为主。核电机组汽轮机多以节流调节为主,其原因是核电系统带有基本负荷,且需要定期换料,所以若设计变工况效率的话,显得多余。(三)蒸汽湿度大汽轮机高压区具有水滴速度慢、粒度小以及水流速差小、及其与汽密度差较小等特点,所以一般不需要重点考虑其对机组叶片造成的损伤。高压区内压比外压大,水很容易渗透到静止件的中分面,进而引起腐蚀。对于这种问题的处理及预防措施是主要对中分面堆焊不锈钢,或选择不锈钢材料制作气缸。在汽轮机的低压部分,湿蒸气的特点和高压相反,该区域具有较大的水滴粒度及较大的水汽密度差,受到离心力作用时主要以径向运动为主,比动叶片流速要高,会造成末级动叶片严重腐蚀,因此,这也是汽轮机低压区防水腐蚀的一个重点区域。而核电机组由于一回路参数低,导致二回路蒸汽的参数随之降低,蒸汽湿度也比火电机组大,因此防水腐蚀的问题更加重要。半速汽轮机的末级叶片水滴相对速度要比全速汽轮机小得多,因此防水腐蚀的性能,半速汽轮机要好于全速汽轮机。(四)汽水分离再热器通常情况下,火电再热往往需要在锅炉中进行,由锅炉带来热量,因此再热参数和锅炉关系密切。但是核电系统汽轮机再热和常规的火电机组有所不同,无需在反应堆中进行再热,只需在堆外借助新汽、高压抽汽即可进行再热,这些热量来自常规岛蒸汽,因此再热参数和核岛本身无关,仅属于汽轮机的热力系统。这种汽水分离再热器(MSR)具备以下几个热点:其一,再热操作可去湿,避免低压排汽的湿度偏大,使得机组运行循环效率提升;其二,再热方案有两种,即单级再热和双级再热。前者指的是仅新汽再热,可获得约10%的汽量,后者每一级的汽量各为5%左右,这种双级加热属于梯级式加热,能够降低传热温差,再热效率可显著提升0.5%左右,因此这种方式运用广泛。在汽轮机机组中,再热压力增加,低压排汽的湿度就会增加,但其敏感度不会有明显提升,再热压力发生变化后也不会对机组运行效率造成明显的影响2。二、核电机组汽轮选型核电机组的汽轮机主要包括两种,一种是半速机,转速是1500r/min或者1800r/min,另一种是全速机,转速是3000r/min或者3600r/min。但通常情况下,容量较大的核电汽轮机往往会采用半速机。相同容量的核电机组和火电机组相比较,前者排汽面积大约是后者的2倍。在实际应用中可以根据实际排汽面积选取合适的汽轮机型。增加其排汽面积的方法往往有以下三种:(1)加大汽轮机末级叶片的长度。加大汽轮机末级叶片的长度就是增大其单个排汽口的面积,对于全速机,会受到转子材料、叶片限制。(2)增加轴数。增加轴数就是增加低压缸的数量,由于受轴系振动限制,轴数多轴系振动就越复杂。通常情况下轴数应低于6轴,轴承数低于11个。核电汽轮机组中,高中压力缸仅一个,而低压可以增加到3缸6排。(3)尽可能选择半速机。增大机组末级叶片的长度可以解决轴系振动限制问题,半速机末级叶片最短长度是1.25米,排汽面积大约是14m2,末级叶片最长可达到1.8米,排汽面积大约是26。不过最长的叶片仅仅用于北欧一些冷却水温低的地方,而在大部分地区,机组末级叶片的长度在1.35米到1.45米左右,排汽的面积在17m2-20m2左右。通常来说,核电汽轮机组的功率越大,最应该选择半速机,但是也有一些特殊情况,比如田湾核电厂的单机容量高达1060MW,却选择了8排汽的全速机,秦山三期的730MW反而应用了4排汽的半速机,这种情况是根据当地特殊情况而定的。还有一些地区既运用了半速机,也同时运用全速机。我国田湾机组选择运用全速机后出力提高了大约5%,秦山三期的半速汽轮机,在长期运行中也已经取得了不错的业绩,如果选择全速机,则需要3个低压缸、6排汽,其综合技术、经济指标极有可能不及半速机。在选择汽轮积机型时,全速机最大的排汽面积和半速机最小的排汽面积往往相差不大,但是其应力水平则有很大差别。机组生产材料的造价必然不相同,半速机的造价往往高于全速机,半速机尺寸大、耗材多,所以,制造与运输、起重等投资成本都要高于全速机,但是半速机的应力、水腐蚀率比全速机低,其他的动叶片、转子应力同时也会降低,若半速机和全速机制作材料相同的话,半速机可靠性设计就会比全速机更加容易3。而对于百万级的核电机组,选择何种机型,同样也要对其具体项目、技术、经济等进行分析后才能确定。结束语总而言之,核电汽轮机的参数低,流量及湿度均较大,具备节流调节的特点,其容量匹配主要以机随堆模式为主,通流裕量较小,于火电机组不同。半速机和全速机比较,前者圆周速度小,所以应力较小,对于水腐蚀方面有较好的性能,但是半速机的制造的成本较全速机高。所以,选型时主要结合地区实际情况、经济、技术指标,以及机组实际容量等来进行确定,就我国目前核电发展情况来看,对1000MW及以上等级的核电汽轮机机组主要以半速机为主,优势显著。参考文献:1陈娟,徐大懋.核电汽轮机的特点及选型J.热能动力工程,2010,11(04):459-462,472.2冀润景.核电汽轮机选型中需关注的几个问题分析J.东北电力技术,2014,20(11):41-46.3冀润景.核电汽轮机选型中需关注的几个问题分析J.发电设备,2015,11(03):220-224,236. -全文完-
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