钠冷快堆与常规火电汽轮机比较分析

高 风,董 慧

（东方汽轮机有限公司,四川 德阳 618000）

概述

改革开放以来,我国的经济发展迅速,人民生活水平极大提高,对电力的需求不断增加。截至到2022年5 月,全国发电装机容量约24.2 亿千瓦,其中大陆已投运的核电机组有54 台,煤电机组数将近3 000台。煤电装机容量约10.4 亿千瓦,占据了全球煤电装机的半壁江山,其中1 000 MW 级煤电机组1.37 亿千瓦,600 MW 级的3.6 亿千瓦,300 MW 级机组2.7亿千瓦,大容量高参数的煤电机组已占据主导地位。1985 年12 月,我国第一台600 MW 级元宝山电厂二期投运[1],截至2021 年底,我国已投运的600 MW 级火电机组有636 台。

我国已投运的核电机组按反应堆堆型分类有压水堆（51 台）、重水堆（2 台）、高温气冷堆（1 台）。压水堆具有结构紧凑、技术成熟和功率密度高的特点,目前在我国核电发展中占据主导地位。钠冷快堆（SFR）是钠冷快中子增殖堆的简称。不同于压水堆等中子慢化堆,快堆可以实现核燃料增殖,极大的提高了核燃料利用率又降低了放射性核废料产生量,并且可以利用和处理压水堆等中子慢化堆产生的乏燃料。我国首台钠冷快堆示范项目正在建设中,将成为我国第四种商用核电堆型,也是我国核能的一个重要应用方向,装机功率约600 MW[2],采用泳池式反应堆型。

钠冷快堆和常规火电均是将热能通过汽轮机转化为机械能,再通过发电机将机械能转化为电能。钠冷快堆和同功率常规火电机组汽轮机有较大的不同。

1 热力系统分析

核裂变堆是利用原子核裂变产生的能量来产生热能。铀-235 在受到一个中子轰击后分裂成质量较小的原子和一些中子,反应前后产生了质量亏损,根据质能方程,质量亏损转化成能量被工质利用产生热能。在压水堆核电站中,采用的是慢化后的中子,主要进行的是的铀-235 裂变反应,只有少量的铀-238 被转化成钚-239 再进行裂变,而快中子增殖堆（快堆）是利用能量较高的中子,可以大量将铀-238 被转化成钚-239,实现了燃料增殖[3]。压水堆采用轻水作为工质,轻水作为慢化剂和冷却剂使用,但其快中子吸收截面大。快中子增殖堆热流密度极高,需要慢化能力小并且传热能力强的工质,而金属钠可以满足这些条件,采用金属钠作为冷却工质的快中子反应堆即为钠冷快堆。

常规煤电是利用了煤燃烧产生的化学反应。电子键配对改变释放出了热量,反应前后原子核并没有改变。

钠冷快堆和常规煤电在能量的产生来源上有本质的区别,这种本质区别造成了热力系统的差异。

1.1 钠冷快堆热力系统

由于金属钠化学性质比较活泼,为防止泄漏和与水工质反应,钠冷快堆设置了三个回路,见图1。

图1 钠冷快堆系统流程

在一回路反应堆和二回路汽轮机工质间设置高压中间回路（钠）。金属钠常压下沸点是883 ℃,钠冷快堆一回路无需加压即可达到较高出口温度。为保证安全裕度,一回路出口工质温度控制在500 ℃左右,超过了临界温度,二回路压力采用18 MPa,此压力高于二回路汽轮机工质压力[4],因此钠冷快堆可以产生参数较高的过热蒸汽。相较于压水堆采用温度较低的饱和蒸汽参数,钠冷快堆主蒸汽品质有较大的提高,但仍低于600 MW 级常规火电亚临界参数。为提高机组效率和降低汽轮机末叶湿度,汽轮机普遍采用再热循环。从蒸汽循环的可靠性和经济性上分析,采用一次通过式过热循环,然后用主蒸汽或高压蒸汽进行加热汽水分离后的高压排汽是快堆汽轮机比较合适的蒸汽循环方式[5]。图2 为600 MW 级钠冷快堆汽轮机热平衡方案,该方案采用给水一次经过蒸汽发生器,高压排汽进入汽水分离器中,加热蒸汽采用高压缸两级抽汽。

图2 钠冷快堆汽轮机热平衡方案

1.2 常规火电热力系统

大型火力发电均采用水管锅炉,我国600 MW 级常规火电在30 多年的时间里,实现了从亚临界机组到超临界机组,再到超超临界机组的跨越。对于汽轮机,提高蒸汽压力和温度可以提高效率,从亚临界到超临界,锅炉实现了从自然循环锅炉到直流锅炉的升级,蒸汽压力参数的提升不再受水临界点的制约。得益于高温材料的开发和成熟,蒸汽温度也得到了极大提升。对于常规火电锅炉结构,工质回流到锅炉中再热不存在无法解决的问题。出于成本和效率综合考虑,目前常规火电最多可以做到二次再热。2015 年6月,我国首台660 MW 二次再热机组投运,这也是我国投运的第一台二次再热火电机组。如图3 所示,与一次再热机组相比,二次再热机组设置一个超高压缸,将排汽进行加热送入高压缸中,增加了一个再热回路。与一次再热相比,末级排汽湿度降低,可以提高蒸汽入口压力进一步提高效率,二次再热机组效率相对提高了2%。

图3 二次再热汽轮机热平衡方案

综上,钠冷快堆热力系统采用的是汽水分离再热,主蒸汽参数低于600 MW 级常规火力发电机组。表1 为一些同功率级机组热力参数比较。

表1 部分600 MW 级汽轮机参数

2 本体结构分析

600 MW 级常规火电机组在长期的发展过程中,已逐步形成了模块化设计方案,针对不同需求（供热、纯发电）使用环境（空冷、湿冷）,分别有不同的高效的模块化方案。早期东方汽轮机600 MW 级汽轮机采用三缸四排汽,高中压合缸方案。现由于蒸汽参数提高和效率的要求,东方汽轮机660 MW 级常规火电汽轮机湿冷机组主要采用四缸四排汽、反动式高压模块方案[6]；空冷机组采用改用三缸两排汽、反动式高压模块方案。钠冷快堆汽轮机属于600 MW 级超高压机组,根据其热力特性和参数需要量身定制机组类型。表2为钠冷快堆汽轮机参数与某型火电参数列表。

表2 汽轮机参数比较

2.1 汽轮机总体结构分析

如表2 中数据,钠冷快堆汽轮机主蒸汽参数低,采用汽水分离再热后蒸汽参数较低,可直接进入低压缸,因此与同功率级常规火电相比无中压缸结构。由于进入低压模块蒸汽量大,采用海水冷却设计背压低,因此低压末叶高度较高。钠冷快堆的整体设计布置方案见图4。

图4 钠冷快堆汽轮机整体布置方案

现东方汽轮机600 MW 级常规火电湿冷机组总体布置见图5。钠冷快堆以及其他压水堆核电汽轮机布置与常规火电机组布置的一大特点是汽轮机左右两侧各有一个汽水分离器。主蒸汽在高压缸做功后湿度较大,如不进行汽水分离,湿度过高的蒸汽会破坏动叶并加剧部件的腐蚀。因此,钠冷快堆如压水堆核电汽轮机设置了汽水分离器。高压排汽经过汽水分离后再经过高压缸两级参数较高抽汽混合加热,形成过热蒸汽再进入低压缸做功。常规火电机组高压排汽仍是过热蒸汽,直接进入锅炉中再热后进入中压模块,中压排汽再通过连通管进入低压缸做功。

图5 四缸四排汽湿冷汽轮机布置方案

2.2 主要部套分析

钠冷快堆汽轮机在各模块的设计方案中与同功率的常规机组对应模块相比有一些不同。表3 为部分机组的结构差异分析。

表3 部分汽轮机各模块对比

由于主蒸汽参数高,600 MW 级汽轮机均采用单流高压缸。钠冷快堆采用冲动式结构有利于减小跨距,增加机组稳定性和启停安全性。600 MW 级汽轮机高压模块均采用了双层缸结构,有利于减小内外汽缸压差,减小汽缸壁厚,减小外缸热应力,提高机组安全性。为方便抽汽口布置和减小机组启停胀差的影响,钠冷快堆高压模块设置两个隔板套。钠冷快堆高压排汽已是湿度较大的饱和蒸汽,为减少汽缸腐蚀,高压排汽缸部分堆焊一层不锈钢,这是与常规火电机组有较大不同的地方。图6 为钠冷快堆高压模块设计方案模型。

图6 钠冷快堆高压模块

钠冷快堆低压模块与常规火电湿冷机组低压模块结构无较大差别,均是采用双层缸,低压内缸均为双分流汽缸,内缸坐落在外缸上。由于钠冷快堆参数低,同等功率下低压模块进汽量大,并且背压低,导致低压末叶较长。针对低压蒸汽来自左右两侧汽水分离器并且蒸汽容量大的特点,每个低压模块设置两个进汽口,这是与常规火电机组在低压模块上最大的区别。

2.3 滑销系统分析

钠冷快堆借鉴成熟的常规火电机组滑销系统设计方案,高压缸通过下猫爪支撑在轴承箱上,除死点箱外,轴承箱底部安装自润滑滑块,可由汽缸推动沿轴向滑动。钠冷快堆高压进汽在机头侧,为减小进汽高压高温部分动静胀差,推力轴承布置在前轴承箱,前轴承箱为滑动轴承箱,整个滑销系统见图7。

图7 钠冷快堆滑销系统简图

600 MW 级常规超超临界火电机组比钠冷快堆汽轮机多了一个中压缸,高压、中压均为单流模块,为平衡推力,采用对置方案。推力轴承设置在高压、中压之间,前箱和高中压间轴承箱均可以沿轴向滑动,静子死点设置在中低压之间。图8 为常规超超临界火电四缸四排汽模块的滑销系统方案简图。

图8 常规火电滑销系统简图

3 结论

电力行业的发展关系到国计民生,火力发电机机组在保障电力供应和工业、民用供热等作出了巨大贡献,核能也将是我国能源保障的重要一部分,钠冷快堆也会有较大的发展。通过比较分析,热力系统的差异是导致钠冷快堆汽轮机和常规火电汽轮机结构差异的根源,采用汽水分离再热的汽轮机发电系统将是钠冷快堆核能利用的主要方式。参数低、可靠性要求高、大容量湿冷循环的汽轮机机组是钠冷快堆汽轮机的发展方向。