浅谈海上核电站用汽轮机组的特殊要求

摘要：随着中国海上民用核技术成熟，将陆上核电站的缩小版安装在船上而形成的海上浮动核电站的应用前景广阔。目前对于海上核电站用汽轮机组的研究较少，也未相关的执行标准，开展该技术的科学研究和技术储备，具有非常现实的意义。本文在介绍海上核电站及二回路系统的基础上，结合中国船级社规范及相关标准要求和国内外核电站汽轮机组的实际运行特点，对海上核电用汽轮机组的特殊要求进行简要分析和总结，为海上核电站领域市场开拓提供技术参考。

1 引言

海上核电站是一个全新的领域，目前相关规范标准对于核电领域涉及很少，也未给予特殊的要求。汽轮机组作为海上核电站二回路系统的核心装置之一，不仅要满足海上设备特殊的工作条件及要求，必须按照船用设备的标准及规范执行，同时又要满足核电类相关标准的要求，具有其特殊性。本文选取汽轮机组作为研究对象探讨其特殊要求。

2 二回路系统及汽轮机组

2.1 二回路系统介绍

海上核电站二回路系统与压水堆核电站二回路系统类似，工作流程为来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀后进入汽轮机。由于汽轮机排气口的压力大大低于进气压力，蒸汽在这个压差作用下向排气口流動，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换成为汽轮机转自旋转的机械能。做功后的乏汽，从排气口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水。此凝结水由凝结水泵抽出送往蒸汽发生器构成封闭的热力循环。凝结水通过水流量调节进入蒸汽发生器二次侧，吸收反应堆冷却剂热量转变成饱和蒸汽，从而转变成初蒸汽，完成一次完整的二回路汽水系统循环。

2.2 汽轮机组工作原理

汽轮机组作为二回路的主要设备，其主要功用在于将蒸汽发生器产生的饱和湿蒸汽供汽轮发电机组实现热工的转换，将蒸汽的热能转化为转轴的机械能，拖动发电机带动电负荷。

多级汽轮机中，蒸汽的热能转变成机械能是通过各个级的工作来完成的。汽轮机级的结构和工作原理，静叶片固定在隔板中，两个相邻静叶片间的气流通道称为喷嘴。当具有一定温度和压力的蒸汽通过汽轮机级时，首先在喷嘴中将蒸汽所具有的热能转变为动能，然后再动叶栅组成的气流通道中将蒸汽的动能转变为机械能。

3 海上核电用汽轮机组的特殊要求

船舶在风浪中航行，船体经常发生大幅度运动。为确保海上核电站系统、设备联接结构和操纵机构的稳定，海上核电站对系统和设备的可靠性要求要比陆用核电站更高。从核能安全分级角度来看，汽轮机不执行核安全或核安全相关功能，属于非安全级系统，其设计主要参考国内外相关标准的要求。

3.1 材料使用方面的特点：

海上核电站用汽轮机的工作环境特点是浮动式基础，对摇摆、倾斜、振动等要求较高，同时船舱空间位置及尺寸的限制，要求机组尺寸小，重量轻，结构简单。而相对于其它船用汽轮机，海上核电用汽轮机尺寸、重量都比同功率汽轮机要大;另外新蒸汽参数较低，蒸汽湿度大，比焓降低，容积流量相对较大，其尺寸大、重量也比同功率陆用汽轮机要大。因此对于材料的要求要比同功率的其他船用汽轮机要高。对于核电站用汽轮机而言，气缸承受着交变的热负荷和气流的冲击。汽轮机组在湿热的条件下工作，又受气流冲击，应确保在其使用的应力，温度和时间下不会开裂或发生超过允许范围的变形。

另外，考虑汽轮机蒸汽做功后可用的焓降减少，蒸汽湿度加大。目前国内外核电站在汽轮机叶轮叶片的选材上都做到了分级考虑。由于越到后面，蒸汽湿度越大，叶片最末级的材料要求越高。汽轮机最末级叶片的材料与前面几级的不同，最末级叶片为通常采用钛合金。

3.2 汽轮机高低压缸保护

高温高压的蒸汽在汽轮机中膨胀做功推动汽轮机，汽轮机作为一个相对密封的装置，必须考虑高低压缸内的压力突变，确保汽轮机内蒸汽压力在正常的工作范围内。因此除主蒸汽管路中设有安全阀外，汽轮机的高低压缸也应有一定的保护装置。现在运行的核电厂中，一般是在汽轮机高压缸设置卸载装置，并在低压缸排气段上部设置爆破膜，当压力达到设定值时，爆破膜自动爆破泄压。如下图9所示。其目就是为了防止高低压缸中的压力超过允许值，对汽轮机造成损坏。

3.3 设置汽水分离再热气器

前文提到由于压水堆核电站反应堆的特点，核电站用汽轮机的进气为饱和蒸汽，蒸汽参数较低。为减少蒸汽中水分引发的低压缸腐蚀和侵蚀，同时为了提高蒸汽的做功效率，核电用汽轮机组都设有汽水分离再热器，即将高压缸排出的湿度较大的蒸汽经过汽水分离再热器去湿、加热后变成微过热的高温蒸汽，进入低压缸继续做功。

汽水分离再热器分为汽水分离和再热两部分，湿蒸汽进入汽水分离器后，根据比重的不同，经过分离元件后，比重较大的水通过分离器的下部疏水孔排出，比重较小的蒸汽则通过分离器顶部的排汽孔排出;再热器为表面式换热器，利用新蒸汽作为放热源，新蒸汽凝结为水释放出大量潜热，受热蒸汽吸热变为过热蒸汽继续做功。

4 结语

本文简单介绍了海上核电站二回路系统，节选了一些相关标准未涉及但又是核电站用汽轮机组运行过程相对重要的几个问题，如材料问题，轴承、高低压缸保护要求和汽水分离再热气器问题作为探讨对象，在规范和标准要求的基础上，结合目前国内外核电站用汽轮机组的实际运行情况，提出了海上核电用汽轮机组的特殊要求，这些问题对维持汽轮机的正常运行及防止汽轮机严重损坏至关重要，对于海上核电用汽轮机组研究具有一定的参考意义。

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[2]核电那些事，带你一览各国“海上核电站”。

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作者简介：季佩（1986年11月），男，安徽省宿州市人，工程师，大学学士，从事核电厂运行。