核电厂汽轮机功率背压特性分析

吴其方，王志强

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

核电厂汽轮机功率背压特性分析

吴其方，王志强

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

文章采用通用计算法对某核电厂投标厂家所提供的汽轮机功率背压特性曲线进行了校核分析。通过功率背压特性曲线的分析对比，论证该核电厂汽轮机冷端优化，判断在该核电厂现有厂址条件下汽轮发电机组投标方案中凝汽器面积设置的合理性。

核电厂；汽轮机；功率背压特性；分析

核电厂与火电厂的蒸汽热力系统相比，核电厂的初参数低且湿度大，核电机组蒸汽参数低为略带湿度的饱和蒸汽，这比常规火电发电机组初参数低得多；核电汽轮机有效焓降仅为常规火电汽轮机的50%左右， 所以汽轮机的进汽量和容积流量大，同等电功率核电汽轮机的进汽量是火电汽轮机组的2倍，而容积流量则为4～6倍，因此核电厂投资费用比较高［1］。核反应堆的热功率高，相对应的汽轮机设计容量通常很大，单机功率高；与火电机组相比，核电机组的启停速度慢而且功率调节能力较差，因此核电机组在电网发电机组结构中通常为大功率机组，承担电网的基本负荷。常规岛的汽轮发电机应尽可能地选择最大的功率输出，即最大限度地将核反应堆热功率转换为电站输出的有用功率（电功率），以提高核电厂的经济性能指标。另一方面，压水堆核电站的热效率较低，一般为30%～35%；核反应堆的堆功率和主蒸汽参数等相对固定，反应堆型号确定后，与之相匹配的汽轮机功率等级也就确定；为使其热力系统达到最佳状况，提高其热效率，可通过改进汽轮机的通流部分结构、对回热系统进行设计优化、优化汽轮机冷端参数等措施，来尽可能地增大汽轮机的出力。

大功率机组末级长叶片发出的功率约占机组总功率的10%，汽轮机的通流部分结构优化，主要指增大末级叶片，以增加排汽面积，减少余速损失。末级叶片的研发与生产受到材料及制造工艺的制约，一种新的末级长叶片的设计制造周期很长，所以制造厂一般采用已经成熟的定型产品，不会为某个核电厂专门设计制造新型号叶片［7］。核电站二回路的汽水分离再热加7级抽汽回热系统设计，经过世界上绝大多数的核电机组运行证明是成熟、可靠、经济的，改进提高的空间很小。对新建核电厂来说，结合电厂址自身条件对汽轮机的冷端参数进行优化是提高电厂经济性的最有效途径之一。

1　 功率背压特性

汽轮机功率背压特性指的是末级叶片在背压微小变化情况下，机组功率与之对应发生的变化，功率与背压的变化曲线是汽轮机冷端优化的重要参考，也称为微增出力曲线［3］。在高于阻塞背压范围内，随着汽轮机背压降低，汽轮机出力随之增大，为保证换热充分，凝汽器的冷却面积随之增大。

在变工况计算中，通常认为调节级和末级变化较大，而其他压力级组在工况变化不大时，效率基本不变；但当调节阀开度不变，调节级通流面积不变时，可认为调节级相对内效率基本不变，也就是说，背压变化将主要影响末级相对内效率，因而只核算末级工况变化引起机组功率变化就足够。对凝汽式汽轮机，背压微小变化时，末级相对内效率的变化主要是由于末级余速损失的变化引起的，其他损失较小可以忽略。当不计排汽缸的损失和凝汽器喉部的阻力损失时，则认为凝汽器压力等于汽轮机的背压，在正常运行时，可认为凝汽器压力变化对机组运行功率的影响等同于汽轮机背压变化对机组功率的影响。

采用通用汽轮机微增出力计算汽轮机背压变化时的功率所发生的变化，图1为通用计算法示意图，以下3个公式为功率变化计算公式。

式中：G——通过末级叶片的蒸汽流量；

i——焓值；

ζ——余速损失系数取0.85；

hc——末级后无扩压器时的余速损失；

F——末级排汽面积；

Ca——末级排汽轴向速度；

r——代表额定工况；

s——代表夏季工况。

利用汽轮机微增出力的通用计算方法不仅可以实时计算出汽轮机冷端参数变化时汽轮机功率的变化值，可在缺少厂商提供的微增出力曲线的情况下对冷端系统进行预优化，同时采用这组公式可以简单地计算功率背压变化曲线，反过来也可以对厂家提供的曲线进行校核，以判断设备选取情况是否合理［2］。

2　 汽轮机组背压特性

汽轮发电机组采购招标时，常规岛设计单位按技术规格书的要求提供了机组参数表及热力系统平衡图。厂家通过热力平衡和通流截面的计算，给出了汽轮发电机组的功率背压特性曲线图（见图2）。由于受厂址条件前期模化分析的限制，在技术规格书中已经要求TMCR工况时的凝汽器真空为5.1 kPa，海水循环冷却水的流量限定为59 m3/s［5］。

3　 采用通用计算方法校核

该核电厂汽轮发电机招标时已经确定了最大循环冷却水量，也确定了TMCR的凝汽器压力，汽轮机的相对内效率是决定发电机组功率的关键。某汽轮机发电机组厂家提供了末级排汽面积，同时也提供TMCR及夏季工况（CCR）下的热力平衡图，因此可以采用通计算方法对厂家的CCR工况进行微增出力计算，并对CCR工况进行背压曲线校核。经过计算，通用算法下CCR工况约降低功率6.68 %。

经过校核后的功率背压特性曲线如图3所示。

图1　功率背压通用计算示意图Fig.1　General-purpose computing of power back-pressure

图2　汽轮发电机组的功率背压特性曲线图Fig.2　Characteristic curve of turbine power back-pressure

4　 结论

循环冷却水建立了凝汽器真空，在蒸汽初参数不变情况下，凝汽器压力的高低对机组出力影响很大。在凝汽器压力降到阻塞压力前，随着真空的降低，末级叶片蒸汽焓降不断大，汽轮机出力增加。冷端优化简单地说就是对汽轮发电机组的凝汽器进行优化设计，根据经济性最大化的原则，找到设计的最佳背压和冷却系统的最佳配置。在凝汽器热力设计时，在汽轮机的排汽量、排汽焓（汽轮机的热力特性）确定后，通过技术经济比较，综合地确定凝汽器压力、冷却面积、冷却水量的最佳值［6］。在制造厂末级叶片型号已经确定的情况下，核电厂冷端优化主要因素为冷却水量及温升、凝汽器换热面积、背压。冷端优化的目的就是对机组设计背压、机组微增功率、凝汽器换热面积、循环水冷却倍率及凝汽器进水温度等参数进行多方案比选。

以上采用通用算法进行校核，厂家提供的功率背压曲线在CCR工况下的数值要低于校核的数据。也就是说在背压升高时，微增出力的变化实际上应该是平缓一些，理论上验证了结合循环冷却水量可以进一步优化TMCR工况时所选定的背压。在现有厂址冷却水条件下，增大凝汽器面积，在适当的范围降低背压，有利于尽可能地提高单个核电汽轮机组的功率。从电站运行经济性的角度来说，与所增加的设备及工程投资相比，后期运行产生的效益显然可观［4］。

图3　校核后汽轮发电机组的功率背压特性曲线图Fig.3　Characteristic curve of turbine power back-pressure (After checking)

［1］ 王世勇，柯严，徐大懋.核电站汽轮机冷端系统优化［J］.热力透平，2008，37（4）：230-234.（WANG Shi-yong，KE Yan，XU Da-mao. Optimization for the Cold End System of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Thermal Turbine， 2008，37（4）， 230-234.）

［2］ 徐大懋，柯严，等.汽轮机微增出力通用计算方法及应用研究［J］.热能动力工程，2010，25（6）：605－608.（XU Da-mao， KE Yan. Common Calculation Method and Applied Study for Turbine Slight Increasing Output［J］. Thermal Power Engineering， 2010， 56（6）， 605-608.）

［3］ 林湖，周兰欣，等.背压变化对汽轮机功率影响的计算修正［J］.汽轮机技术，2004，46（1）：18-20.（LIN Hu， ZHOU Lan-xin， et al. Calculation Correction for Backpressure Changes on Steam Turbine Power［J］. Turbine Technology， 2004，46（1）， 18-20.）

［4］ 羌成仁，欧阳仲华.核电站汽轮机冷端优化［J］.能源技术，2005，26（3）：131-133.（QIANG Cheng-ren， OUYANG Zhong-hua. Optimization of the Cold End of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Energy Technology， 2005， 26（3）， 131-133.）

［5］ 黄家运，夏云，等.ACP1000汽轮发电机技术规范书［R］，上海：华东电力设计院，2 0 1 0.（HUANG Jia-Yun， XIA Yun et. al. Technical Specifications for ACP1000 Turbo-generator［R］，Shanghai：East China Electric Power Design Institute， 2012.）

［6］ 王世超.换热器类型在核电厂中的应用研究［J］. 中国核电，2008，1（3）：270-275.（WANG Shi-Chao. Applied Study on Various Types of Heat Exchanger in Nuclear Power Plan［J］， China Nuclear Power， 2008， 1（3）， 270-275.）

［7］ Philippe Anglaret.半速机技术能使岭澳二期多提供8%的可靠电力［J］.中国核电，2012，5（1）：98-99.（Philippe Anglaret. Semi-speed Turbine Technology Providing Ling Ao Ⅱ with Additional 8% Reliable Power Supply［J］， China Nuclear Power， 2012， 5（1）， 98-99.）

Analysis on the Characteristics of Steam Turbine Power Back Pressure in Nuclear Power Plant

WU Qi-fang，WANG Zhi-qiang
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd.， Fuqing of Fujian Prov. 350318， China）

This paper uses a common calculation method to check and analyze the characteristic curves of steam turbine power back pressure for a nuclear power plant， which was offered by the tender manufacturers. By analyzing and comparing the power back pressure characteristic curves， the paper discusses the optimization of nuclear power plant steam turbine cold end， and concludes the rationality of turbine condenser area settings in the tender manufacturer bidding program， under the existing site conditions of the nuclear power plant.

nuclear power plant； steam turbine； characteristics of power back pressure；analysis

TL623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0117-04

TL623

A

1674-1617（2016）02-0117-04

2016-03-15

吴其方（1975—），男，福建寿宁人，工程师，工学学士，从事核电厂常规岛设计管理工作。