核电汽轮机结构设计及运行特点研究

2021-01-04伍赛特

科技创新与应用 2021年16期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司,上海 200438）

1 核电厂

核电厂是将核燃料铀（钚）在反应堆内裂变链式反应中产生的能量转变为电能的发电厂[1]。核燃料产生的裂变能主要以热能的形式出现,其经过一次和二次冷却剂的载带和转换,最终以蒸汽驱动汽轮发电机组发电。核电厂按反应堆类型可以划分为轻水堆核电厂、重水堆核电厂、石墨气冷堆核电厂和快中子增殖堆核电厂等。轻水堆包括压水堆和沸水堆,石墨气冷堆分为天然铀气冷堆和高温气冷堆,快中子增殖堆分为钠冷、气冷的快中子堆和熔盐热中子堆。

压水堆核电厂正常运行时,向环境排放的放射性物质低于火电厂煤粉灰中的放射性含量,根本不产生二氧化硫等有害气体[2]。同气冷堆、重水堆、沸水堆等堆型比较,其具有功率密度高、结构紧凑、安全易控、技术成熟、造价和发电成本低等优点,因此成为世界上核电厂最广泛采用的堆型[3]。目前,我国的大亚湾和秦山等核电厂均采用压水堆发电。预计在快中子增殖堆和其他堆型成熟之前,压水堆将继续保持其优势。

2 压水堆核电厂

压水堆核电厂是以压水反应堆将核裂变能转换为热能,再产生蒸汽而发电的电厂。压水堆堆芯装在压力容器内,水既作为慢化剂,又作为核芯内燃料元件的一次冷却剂,将堆芯热量带到蒸汽发生器一次侧,传给二次侧的水,温度降低后由主泵再打入堆芯,形成一回路循环系统。蒸汽发生器二次侧的水吸收热量,产生一定压力的饱和蒸汽或微过热蒸汽,进入汽轮机做功。完成做功后的蒸汽进入凝汽器凝结成水,再用水泵送回蒸汽发生器的二次侧,形成二回路系统[4-5]。

3 压水堆核电厂的热力循环

从热力系统结构上看,核电热力循环与火电热力循环的区别是：在核电热力循环中,汽轮机的进口为饱和蒸汽或微过热蒸汽,通常不设中压缸,在高压缸和低压缸之间设置了汽水分离再热器,在汽水分离再热器中,高压缸排汽中水分被排走[6-8],并得到再热。

同火电汽轮机相比,进入核电汽轮机的主蒸汽是属于中等参数的饱和蒸汽[9-10],其等熵焓降、有效比焓降较小,因此其具有与火电汽轮机不同的特点。由于主蒸汽容积容量大,高压缸同低压缸一样,采用双流结构,且第一级叶片较高,使喷嘴调节过程较为困难,故一般采用节流调节。由于排汽容积流量大,要求增加低压缸数目以增加末级通流面积,或采用半速汽轮机以提高末级叶片高度。由于排汽余速损失对汽轮机效率有较大影响,故有时采用较高的设计背压,以降低排汽容积流量,从而降低余速损失[11]。

核电汽轮机高压缸各级都在湿蒸汽区进行工作,其排汽湿度将达23%。经汽水分离、再热后再进入低压缸做功[12-14],低压缸后5级还处于湿蒸汽区。若核电汽轮机只采用汽水分离而无再热时,则低压各级都工作于湿蒸汽区,因此均需配备除湿措施。

4 核电汽轮机的设计、结构和运行特点

核电汽轮机通常是指用于压水堆、沸水堆、重水堆和气冷堆等堆型核电厂的饱和蒸汽汽轮机[15-16],也称湿蒸汽汽轮机,其新蒸汽为含微量水分的饱和蒸汽或微过热蒸汽。高温气冷堆和快中子增殖堆核电厂能提供500℃以上的过热蒸汽,因此同火电厂一样,可采用亚临界压力或超临界压力的高温再热汽轮机,所用汽轮机类型和要求也与火电厂基本相同。

核电汽轮机的低压缸零部件通常采用火电汽轮机相同的材料制成,高压内外缸、隔板套、隔板体、动叶和静叶[17]、隔板外环和其他元件,均采用高耐蚀材料制作。

火电汽轮机相应的设计要点可推广应用于核电汽轮机,然而,核电汽轮机的汽耗量和容积流量较大,因此机组各部件尺寸明显大于火电汽轮机。为了提高运行的经济性和安全性,必须设置机外汽水分离器和机内叶片除湿设施,以排除机组外部和内部水分,这样将使设计复杂化。但蒸汽在核电汽轮机内膨胀过程的焓降较小,可以不设中压缸,采用较少的热力过程级。同时,由于蒸汽温度低于所用金属材料的蠕变断裂温度,使材料的使用环境得到改善,这样又减少了设计的复杂性。

在核电热力系统中,即使装设了汽水分离再热器,也只有核电汽轮机低压前两级在干蒸汽区工作,其他各级仍处于湿蒸汽环境。转动部件表面,尤其是长叶片顶部,受到水滴的侵蚀。在侵蚀、腐蚀联合作用下,从转动部件甩出来的水滴,使静止部件也受到损伤,在具有较大压差部件的连接面,可能出现拉伸腐蚀现象。为此,需采取完善的除湿结构控制水分的含量和特性,选用恰当金属材料提高部件的抗侵蚀、腐蚀能力。

5 核电汽轮机的结构设计特点

5.1 核电汽轮机转速的选择

随着汽轮机功率的增大,末级叶片受到结构强度和气体动力学的限制将增强,采用提高汽轮机背压,降低排汽容积流量而降低余速损失的方法,又将降低机组热效率。因此,核电大功率饱和1汽轮机通常采用1500r/min（50Hz）或1800r/min（60Hz）的半速结构,这样可以在相同的材料许用应力条件下,增加低压转子各级的平均直径和末级叶片高度,从而获得4倍的末级通流面积,还可以提高低压缸效率,其增加值可超过高压缸因采取半转速而降低效率的数值,从而提高整机的效率。

理论和实践证明,采用半速汽轮机,通流部分效率可以提高1.0%～1.5%。美国生产的部分水冷堆核电厂汽轮机,即使功率不大,转速也都设计为1800r/min。采用半速汽轮机并在末级动叶片顶部圆周速度适中的情况下,可以获得较大的末级通流面积,还可以使其低压部分和火电大功率半速汽轮机的低压部分广泛通用。

与全速汽轮机相比,半速汽轮机的高和宽都增加了近1倍,低压缸数目虽可减少,但汽轮机总重量将增加50%左右,造价高60%左右。随着技术进步,50Hz的大功率汽轮机已开始采用全速结构[18]。中国大亚湾核电厂900MW汽轮机亦采用3000r/min结构。

德国西门子公司对核电汽轮机的汽缸数、末级叶片高度和整机长度与机组功率、转速之间的关系进行了研究,给出了相应的计算结果。汽轮机采用半转速结构,可以减少汽缸数和整机长度,但增加了汽缸尺寸。

德国进行的经济技术计算又表明,核电汽轮机由于燃料成本较低,凝汽器的最佳压力一般比火电汽轮机更高。通常而言,决定凝汽器压力的冷却系统对提高全速和半速核电汽轮机的极限功率有显著影响。

5.2 汽缸配置和分缸压力

在核电汽轮机中蒸汽的焓降较小,可采用较少的热力过程级。所以核电汽轮机通常只分高压和低压两段,无需配备中压缸。同时,汽轮机的进、排汽部分和管道系统中的汽流能量损失相对增大。

核电汽轮机因为进汽压力、温度低,高压缸一般采用单层缸结构。由于蒸汽容积流量大,高压缸和低压缸都采用分流结构。

低压缸的运行工况与火电汽轮机的低压段近似,但半速汽轮机的低压缸因体积庞大,通常采用内外缸结构,以降低汽缸的热应力和螺栓应力,低压缸数量亦要增加。

5.3 转子和叶轮

工业发达国家采用真空除气熔炼的合金钢整块锻件加工及制造核电汽轮机的高压转子和叶轮。过去,由于技术工艺等问题,限制了锻件毛坯的直径和长度,因此低压转子多采用套装叶轮的结构,这种结构在火电机组上的使用效果总体较好。但在核电汽轮机中,由于在湿蒸汽区工作,在套装叶轮的键槽内出现应力腐蚀断裂。目前,由于技术的发展,高压转子和低压转子均可采用整锻转子,从而解决了上述问题。

5.4 盘车装置

当功率相同时,核电汽轮机转子转动惯量为火电汽轮机转子的3～4倍,轴承摩擦力矩则为2～3倍,故盘车力矩大。盘车时必须用顶轴油泵将轴颈顶起,顶轴油泵开动的台数需根据轴承出现的摩擦情况而定。

5.5 汽水分离再热器的设置

采用汽水分离再热器可使效率相对提高2%。由于经济和安全原因,汽水分离再热器一般布置在低压缸两侧,并将联合截止阀装于紧靠低压缸入口处。

蒸汽再热过程可分为单级再热和两级再热。单级再热时通过主蒸汽加热。采用两级再热时,第1级用高压缸抽汽加热,第2级用主蒸汽加热。究竟采用哪一种再热方式,要通过综合经济比较来确定。

以1000MW级核电汽轮机为例,其通常设置2台或4台汽水分离再热器。该装置通常为巨大卧式容器,内设汽水分离器和蒸汽再热器。分离器结构为多层不锈钢人字形带钩波纹板,再热器为两级管式,采用低肋鳍片不锈钢管,加热蒸汽在管内流动,被加热蒸汽在管外流动[19]。

外置汽水分离再热器和连通管道系统大幅增加了贮汽容积,因此必须装设庞大的中间调节阀和安全阀。为了减少中间蒸汽容积,取消低压缸的主汽调节阀和降低压力损失,某些国家将汽水分离器布置在汽轮机通流部分内部。以英国AEI公司设计的1台1000MW汽轮机为例,其采用了该类结构。在汽轮机高压缸第6级后装有特殊隔板,其叶片型线设计使蒸汽具有高圆周速度。甩到外围上的水滴与供给水加热器的汽流一起抽出。直接装在汽水分离器后的第7级隔板装有小曲率叶片,以便该级和随后各级动叶片上汽流稳定。内置式分离器与外置式分离器一样,分离器入口蒸汽湿度为10.5%,而出口处为2.5%。5.6机内除湿、防腐结构

高压缸的各级都在湿蒸汽环境中工作,高速湿蒸汽流中的微小水滴不仅影响汽轮机效率,并对汽轮机零部件有很大的浸蚀和腐蚀作用。故通常对核电汽轮机要采用特殊的除湿、防蚀结构。

（1）在动叶片蒸汽入口侧的背弧上开齿形沟槽,利用动叶片旋转的离心力,将凝结在叶片表面上的水膜顺着齿形沟槽沿圆周方向甩出,进行汽水分离。

（2）静叶片上典型除湿结构是隔板采用中空静叶片,在静叶片背弧上开槽,水分经糟进入中空叶片内腔,抽入凝汽器。

（3）在隔饭和叶片围带之间设置环状去湿腔和疏水孔,有效地排出湿蒸汽中的水分。

（4）在低压转子末几级叶片上部进汽边约1/3处镶焊硬质合金片或经特殊热处理。

（5）为了减少水滴对转动叶片的撞击作用,将静叶片和动叶片的轴向间隙设计成根部尽可能小,向外缘逐步增加,国外许多公司把低压部分最后几级的外缘轴向间隙增大到100mm,或更大些。

（6）在汽缸、隔板和汽封等构件的中分面,以及在隔板与汽缸的接触密封面上,堆焊或喷涂钛、高镍铬合金和蒙乃尔合金等抗蚀材料的喷涂覆盖层或密封环。同时可在隔板和高压缸的缝隙浸蚀面堆焊不锈钢含金。为减少支承面的水蚀,美国GE公司广泛采用隔板成组结构,每两个相邻隔板用螺栓沿水平中分面和轴向连续为一隔板组,将隔板组设在第二块隔板（沿流向排序）上的凸缘装在汽缸洼窝中,接触面焊以钴铬合金。从而大幅增加了隔板间和隔板与汽缸接触部位的压紧力,防止这些表面的浸蚀。

6 核电汽轮机运行特点

6.1 运行中疏水量大

核电汽轮机组正常运行时应确保正确地将这部分水排掉。在汽轮机启动前或停机后,甚至在汽轮机低负荷时,都应开启疏水阀。所有疏水管道都应装设自动逆止阀,防止汽轮机进水。当甩负荷时防止水分蒸发驱使汽轮机严重超速[20]。

6.2 蒸汽旁路系统容量大

当汽轮机甩负荷时,应迅速将来自蒸汽发生器的多余蒸汽排入凝汽器,使反应堆能按规定的速率减负荷,并避免主蒸汽系统安全阀动作。在启动和停堆期间控制反应堆冷却剂平均温度。

6.3 严格控制主蒸汽压力变化值

由于要严格控制反应堆堆芯温度,在5s内压力下降值不得超过7.1%～11%,压力升高值不得越过5.7%,否则必须停堆停机。

6.4 严格的水质管理

蒸汽发生器对水质要求较高,通常会对50%或100%凝结水进行净化,其方法是使凝结水经过混合床,除去由于凝汽器管或管板泄漏及系统腐蚀所产生的盐垢、二氧化硅及铜、铁等杂质,确保送往蒸汽发生器的水质合格。秦山核电厂设有除氧循环水泵,在启动前,用除氧循环水泵冲洗给水管道,待管道干净以后再往除氧器送汽。直至符合蒸汽发生器进水标准为止。核电厂一般会设置应急给水系统及专用的应急水池和应急电源（如柴油发电机组）,以保证故障时有足够的水和可靠的电源。