核电汽轮机组排汽特性分析

徐　炯，　周一工

上海电气电站集团　上海　201199

核电汽轮机组排汽特性分析

徐炯，周一工

上海电气电站集团上海201199

汽轮机的排汽特性是影响自身性能的重要因素。从理论方面分析了影响核电汽轮机组排汽损失的因素，针对当前主流核岛堆型，根据汽轮机组排汽损失最优原理研究了如何选配汽轮机末级长叶片与低压缸，进而提升汽轮机组的性能。同时对核电汽轮机组多工况运行时的耦合优化与低压排汽面积选取进行了分析。

核电；汽轮机；排汽特性

核电汽轮机组效率是决定核电能源利用效率的关键因素之一，切实提高核电汽轮机组的效率是核电常规岛领域一个重要的研究方向。

根据目前主流的核电堆型，笔者从减少汽轮机排汽损失的角度出发，分析如何根据不同的堆型及冷端特性选配汽轮机末级长叶片与合适的低压缸数量，以达到汽轮机效率最优。

1　核电汽轮机组效率计算方法

汽轮机是将热能转化为机械能的动力机械设备，核电汽轮机将从核岛得到的能量，通过蒸汽的热力循环转化为机械能，蒸汽动力装置流程如图1所示。不同的核电堆型，核能与热能的交换过程并不相同。对于核电汽轮机而言，其基本工作过程建立在蒸汽热力循环的基础上。理想的蒸汽热力循环称为朗肯循环[1]，其温熵关系图如图2所示。

图1　蒸汽动力装置流程示意图

图2　朗肯循环温熵关系图

过程4-5-6中，水从热源中定压吸热，成为饱和蒸汽。过程6-1中，饱和蒸汽在过热器中定压吸热，成为过热蒸汽。过程1-2中，高温高压蒸汽在汽轮机内绝热膨胀作功。过程2-3中，乏汽在冷凝器内放热，等温等压冷凝，成为饱和水。过程3-4中，凝结水在给水泵中绝热压缩，压力升高后再次进入热源进行循环。

朗肯循环的热效率ηt为：

(1)

式中：Wnet为循环净功；q1为吸热量；q2为放热量；h1为新蒸汽焓；h2为乏汽焓；h3和h4分别为凝结水和过冷水的焓。

通过数量级和近似值简化后，得：

(2)

朗肯循环为理想的可逆循环，而实际上，汽轮机工作过程全部都是不可逆过程，尤其是蒸汽经过汽轮机的绝热膨胀过程，与理想可逆过程相比有明显差别。

在汽轮机实际运行过程中，有流动损失、机械损失和电机损失等。用汽轮机相对内效率ηi、机械效率ηm和发电机效率ηg来表示损失后的能量转换效率[2]，则汽轮机组的实际效率为：

(3)

在分析了汽轮机组的蒸汽动力循环过程后可知，要提高汽轮机组的热经济性，主要可以采用以下几种方法[2]： ① 提高蒸汽初参数，即增加净功；② 冷端优化，即降低排汽损失；③ 采用多级回热循环，即减少有效能的不可逆损失。

由于核电汽轮机的初参数已经由核岛特性确定，并且核电汽轮机已经采用了多级回热循环提高循环效率，因此笔者将从如何减少核电汽轮机排汽损失的角度，根据最佳效率原则，对核电汽轮机排汽面积进行优化选型分析。

2　影响核电汽轮机排汽损失的因素

由于大容量核电汽轮机多以半速运行，因此相对于全速机组，长叶片的设计强度对核电汽轮机而言有充足的余量并更具稳定性[3-4]。汽轮机末级长叶片排汽具有的动能，少部分在末级叶片出口的扩压器内靠压力恢复被回收，大部分则作为损失而排入凝汽器。同时，由于低压末级长叶片出口的排汽速度很快，因此核电汽轮机的排汽损失占总损失的比例较大。按照分类，排汽损失分为轴向排汽损失和径向排汽损失[5]。

在设计汽轮机长叶片时，需考虑冲角、反动度、速度分布等三元流场特性，保证叶片级效率在一定范围内最优。除此之外，确定最佳余速损失是汽轮机末级长叶片选型的基本原则。排汽余速矢量如图3所示。

图3　排汽余速矢量示意图

图3中C2为排汽余速，C2a为轴向排汽余速，C2u为径向排汽余速，U2为转速，W2为蒸汽出口速度。

根据图3，可导出：

C2=C2a+C2u

(4)

C2a=Gv/Fa

(5)

式中：Gv为排汽容积流量；Fa为叶片排汽面积。

2.1　排汽面积

由式(5)可知，增加排汽面积可以使排汽能量减小，进而减小轴向余速损失。

由图3可知，当轴向排汽时，径向排汽余速最小且为零，即C2u=0。而实际情况是，叶片的叶型出汽角β2受到叶片几何成形及加工制造等方面的限制，不可能为零。因而，存在一个最佳的叶片喉部面积Fasinβ2，对应一个最佳的排汽速度。

其次，排汽面积与末级叶片的根部直径及叶片高度有关，且与排汽的分流数有关，所以叶片越长，排汽面积越大。

从理论上而言，末级长叶片选型的一个基本原则为： 叶片越长，叶型出汽角越小，轴向余速及径向余速就越小，即总余速损失就越小，则效率就越高。

实际工程应用中，末级叶片的sinβ2平均值为0.3～0.45。为了满足机组特殊性能的要求，在设计时，满足叶片强度要求而限制叶片高度，一般末级叶片的sinβ2平均值最大不超过0.60。

2.2　排汽容积流量

通过分析式(5)可得到长叶片设计或者选型的另一个基本原则： 在叶片根部直径及叶高不变的条件下，存在一个最佳通流量Gv0[6]。

设计叶片工况时，绝对出汽角越小，其低负荷的气动性能就越好。在三元流场设计时，通过优化焓降分配，使每一个径向流量段排汽余速矢量图接近最理想的轴向排汽状况，即：

tanβ2=C2a/U2

(6)

Gv0=FaU2tanβ2

(7)

上述公式建立了排汽容积流量与叶片根部直径、叶片高度、叶型出汽角之间的关系。在相同通流能力及同为最佳轴向排汽的条件下，不同叶型出汽角的叶片，其高度和排汽面积也是不同的[7]。

同样容积流量下，排汽面积越大，叶型出汽角就越小，即喉节比就越小。仅在相同出汽角、相同喉节比的条件下，排汽面积才与容积流量成正比。受叶片结构强度和叶片成形的限制，叶型的平均喉节比在0.3～0.6之间，因此，相对于某一容积流量，对应的排汽面积也有一定范围。

对于每一个特定的长叶片，按上述公式计算求得的容积流量Gv0称为该叶片的最佳通流量。

2.3　三元流场特性

根据最佳轴向排汽原则，在选定动叶片后，还必须针对流场特性进行流场设计，必要时可对匹配的静叶片进行优化。主要的流场特性包括[7-8]： ① 根部反动度大于10%；② 动静叶片的冲角符合设计准则；③ 径向压力及速度分布均匀；④ 叶栅流道速度和压力分布下的损失小。

3　汽轮机末级长叶片和低压缸选型

低压缸选型的关键参数是排汽容积流量，排汽容积流量与核岛容量及汽轮机冷端背压有关。以国内某公司的长叶片产品为例，基本按25%间隔形成不同排汽面积的长叶片，适应不同地域冷端特性及不同堆型的需求。每个长叶片具有4个固有的特征容积流量： 零功率容积流量、排汽损失最小容积流量、最高效率轴向排汽容积流量、阻塞容积流量[9]。

长叶片选型的基本原则是使机组的排汽容积流量处在叶片的最佳容积流量附近一定范围内。对于调峰机组，为兼顾低负荷小容积流量的效率，可选择排汽面积较小的叶片。对于带基本负荷的机组，可以选择排汽面积较大的叶片，以适应额定负荷下最高效率的排汽损失[10]。

以项目A为例，根据核岛参数及冷端特性，可选择两个方案，一是采用两个26m2的低压缸，二是采用两个20m2的低压缸。两个方案具体参数隐去，仅提供数量级比较，对比见表1，排汽损失曲线如图4所示。

表1　项目A排汽方案对比

图4　项目A排汽损失对比曲线

由表1和图4对比可知： 采用两个26m2低压缸的方案，在额定工况下排汽损失远低于两个 20m2低压缸的方案，在夏季工况下排汽损失则略高于两个20m2低压缸方案。根据排汽损失及排汽流量对功率损失的折算，综合核电机组额定工况和夏季工况，选择1700mm等级长叶片机组经济性更高。

以项目B为例，根据核岛参数及冷端特性，可选择两个方案，一是采用两个26m2的低压缸，二是采用三个20m2的低压缸。两个方案参数具体参数隐去，仅提供数量级比较，对比见表2，排汽损失曲线如图5所示。

表2　项目B排汽方案对比

图5　项目B排汽损失对比曲线

由表2和图5对比可知： 采用三个20m2低压缸的方案，在额定工况下排汽损失远低于两个 26m2低压缸的方案，在夏季工况下排汽损失与两个26m2低压缸方案基本相当。根据排汽损失及排汽流量对功率损失的折算，综合核电机组额定工况和夏季工况，选择1400mm等级长叶片机组效率更高。当然，实际在机组选型过程中还需要考虑三个低压缸和两个低压缸对成本的影响，综合技术经济性对低压缸进行选型。

结合两个项目的对比，长叶片选型按轴向排汽，即最小余速损失原则，叶型出汽角应在轴向 ±10° 范围内。由于长叶片的设计强度有充足余量，安全可靠性不是长叶片选择的限制因素。选择长叶片的类型时，应考虑额定负荷工况下尽量处在轴向排汽最佳的流动状况。这样，选出的核电机型是合适的，经济性高，同时又有最佳的气动性能。

4　结束语

笔者对影响核电汽轮机排汽损失的因素进行了分析，介绍了如何计算末级长叶片最佳叶型出汽角和最佳容积流量，旨在提高核电汽轮机组的发电效率。同时结合两个核电项目的案例，根据核电汽轮机组排汽损失最优原理，分析了低压排汽面积的选取、汽轮机末级长叶片及低压缸数量的选配。当然，笔者的研究对于庞大的发电机组系统而言，只是极小的一部分，性能优化的道路仍然需要不断探索。

[1] 沈维道，童钧耕.工程热力学[M].5版.北京： 高等教育出版社,2016.

[2] 朱怡文.影响汽轮机经济性的因素及其影响值的计算方法[J].广东电力,1999,12(6)： 7-9.

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[4] 吴宗鑫,张作义.先进核能系统和高温气冷堆[M].北京： 清华大学出版社,2004.

[5] 周代伟，周英.600MW等级空冷汽轮机二排汽末级长叶片开发[J].上海电气技术，2008，1(1)： 28-32.

[6] 史立群.汽轮机低压缸进汽腔室气动分析及方案研究[J].热力透平,2015,44(1)： 13-17.

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[10] 彭泽瑛.关注汽轮机排汽端选配对经济性的影响[J].热力透平,2009，38(1)： 1-4.

(编辑： 启德)

Exhaust characteristics of the turbine is an important factor affecting its performance. The factors influencing the exhaust steam loss of nuclear power turboset were analyzed theoretically. Aiming at the current mainstream nuclear island type and according to the optimal principle on exhaust steam loss of the turboset, studied how to improve the performance of the turboset by selecting the last-stage blade and the low pressure cylinder for the steam turbine. At the same time, the coupling optimization and the selection of low pressure exhaust area were analyzed for nuclear steam turboset under multiple working conditions.

NuclearPower；Turbine；ExhaustCharacteristics

TM621.3；TK262

B

1674-540X(2017)04-027-04

2017年6月

徐炯(1984—)，女，硕士，工程师，主要从事火电、核电等能源产业研究工作，E-mail: xujiong@shanghai-electric.com