羅吉江

（山東核電有限公司，煙臺 265116）

AP1000核電廠采用美國西屋第三代核電技術建造的百萬級汽輪發(fā)電機組，濕蒸汽汽輪機為三菱－哈動聯(lián)合供貨的半速汽輪機。眾所周知，壓水堆核電汽輪機的初始汽源為核島蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽，壓水堆核電汽輪機的高壓缸葉片全部工作在濕蒸汽區(qū)，汽輪機低壓缸的大多數(shù)級工作在濕蒸汽區(qū)。濕蒸汽對汽輪機的通流部件產(chǎn)生嚴重的侵蝕。減少和避免濕蒸汽對汽輪機的侵蝕，對核電汽輪機的安全、經(jīng)濟運行具有重要意義。

1 AP1000核電汽輪機的特點

1.1 結構特點

AP1000核電汽輪機為單軸、中間再熱、反動式、四缸、六排汽凝汽式半速汽輪機，其型號為TC6F－54。汽輪機由一個高壓缸、三個低壓缸組成，每個汽缸的通流部分均是兩邊各10級的雙流對稱布置。高壓缸為單層缸，低壓缸為雙層缸結構。汽輪機的高壓轉子及低壓轉子均為無中心孔合金鋼整鍛轉子，一個高壓轉子、三個低壓轉子通過剛性聯(lián)軸器連接成一個軸系，再通過剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機轉子相連。每根轉子都由一對徑向軸承支承，推力軸承位于1號低壓缸和2號低壓缸之間。低壓缸的末級葉片長度為1 375mm。汽機本體疏水為自流疏水，通過疏水節(jié)流孔板或疏水閥排到凝汽器中。

1.2 熱力系統(tǒng)

來自蒸汽發(fā)生器的蒸汽通過4個截止閥和4個調(diào)節(jié)閥進入高壓汽輪機，在高壓缸內(nèi)膨脹做功以后，排汽進入2臺外置式汽水分離再熱器，被加熱后通過6根管道分別進入3個低壓缸。汽輪機的回熱系統(tǒng)為兩高、四低、一除氧，高壓汽輪機的抽汽段分別為汽水分離再熱器和6、7號高壓加熱器提供加熱蒸汽，高壓缸的排汽向除氧器提供蒸汽，低壓汽輪機的第3、5、7、8 級后的抽汽段分別向第4～1 號低壓加熱器提供蒸汽。另外汽輪機還布置有40%額定蒸發(fā)量的旁排管路。

1.3 主要參數(shù)

額定功率： 1 251MW

額定主蒸汽壓力：5.38MPa（a）

額定主蒸汽溫度：268.6℃

額定主蒸汽流量：6 066t／h

主蒸汽濕度： 0.45%

高壓缸排汽濕度：12.1%

額定再熱蒸汽壓力：0.932MPa（a）

低壓缸排汽壓力：4.4kPa（a）

設計冷卻水溫度：16℃

額定給水溫度： 226.7℃

低壓末級葉片長度：1 375mm

額定轉速： 1 500r／min

2 濕蒸汽對汽輪機的危害

壓水堆核電站汽輪機絕大部分級處于濕蒸汽區(qū)，因此其通流部分去濕和防蝕的設計完善與否，對機組的經(jīng)濟性和安全可靠性有直接影響。

2.1 濕蒸汽降低了汽輪機的經(jīng)濟性

濕蒸汽的膨脹過程在焓熵圖中汽水分界線以下的區(qū)域內(nèi)進行。首先，由于濕汽中水分的存在，減少了汽流的有效做功流量；其次，水分的存在將引起熱力損失、氣體動力損失和直接的阻滯損失等，這些損失的存在致使核電經(jīng)濟性較差。一般可近似地認為級的平均濕度增大1%，級的內(nèi)效率降低1%，所以蒸汽濕度的增加降低了級的效率。

2.2 濕蒸汽導致核電汽輪機部件的侵蝕

壓水堆核電站汽輪機整個高壓缸均處于濕蒸汽中，低壓缸又較早地進入濕蒸汽區(qū)，并有較大的排汽濕度。濕蒸汽使核電站汽輪機中的零部件受到不同方式的侵蝕，包括濕蒸汽流經(jīng)表面的沖蝕和結合面間的隙蝕。此外，在低壓缸過渡區(qū)的高應力區(qū)還會發(fā)生應力腐蝕。在汽輪機內(nèi)過熱或飽和蒸汽膨脹做功，穿過飽和線后，會有水滴凝結析出使水蒸氣濕度增加。若汽輪機內(nèi)濕度過大而不采取措施，末幾級葉片會發(fā)生侵蝕，工作數(shù)年后就會損壞，甚至斷裂。

2.3 濕蒸汽限制了機組的調(diào)峰特性

由于飽和蒸汽放熱系數(shù)大，大大提高蒸汽到金屬表面的放熱、傳熱強度，在經(jīng)常甩負荷或大幅度變負荷時，可能使汽輪機部件出現(xiàn)很高的熱應力而引起疲勞損害。所以對于核電汽輪機來說，限制其負荷變化率和變化次數(shù)是必要的。

2.4 汽輪機超速風險加大

汽缸內(nèi)轉子和靜子的表面都存在水膜，凹坑及中間汽水分離器內(nèi)部存在水分，壓力降低時的閃蒸現(xiàn)象將產(chǎn)生大量氣體，使轉子在甩負荷和事故停機時汽輪機超速的風險增大。一般甩負荷后轉速可能繼續(xù)增加到115%～125%。

3 AP1000 核電汽輪機去濕防蝕技術的應用

為了減少或避免濕蒸汽對汽輪機的危害，AP1000核電汽輪機除設置了汽缸本體疏水等常規(guī)火電的防沖蝕技術外，還采用了以下方法：

3.1 采用半速機

AP1000核電汽輪機采用1 500r／min的半速汽輪機。半速機具有抗蝕能力強的特點。在同樣末級葉片情況下，由于半速機葉片的圓周速度u降低，轉動部件的離心應力也降低，同時葉片的水蝕明顯減輕。侵蝕速率可用以下實驗公式估算：

式中，u為葉頂圓周速度，x為蒸汽濕度。

在采用相同的葉片材料、相同的防蝕措施情況下，半速汽輪機葉片的侵蝕情況遠沒有全速汽輪機嚴重。

3.2 選擇了合適的分缸壓力

分缸壓力高，低壓缸級數(shù)多，汽輪機末級濕度可能超出允許范圍；分缸壓力低，分離效果好，但對高壓缸要求提高；在只采用一級外置式汽水分離去濕的條件下，若以緩解汽輪機的水蝕為目標，最佳分缸壓力應為Pr＝（0.1～0.15）P0（P0為初始進汽壓力）。

3.3 汽輪機配汽方式采用節(jié)流調(diào)節(jié)

AP1000核電汽輪機沒有調(diào)節(jié)級，汽輪機的功率調(diào)節(jié)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式：將新汽經(jīng)過一定的節(jié)流之后引入汽輪機中做功。由于節(jié)流過程是一個等焓降壓過程，壓力降低對應飽和溫度降低，因此飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，這樣當蒸汽膨脹到排汽點時，可控制濕度在允許的范圍之內(nèi)，這是非常有效的降低水蝕的途徑；但節(jié)流過程產(chǎn)生了能量損失，降低了機組的效率。

3.4 配置汽水分離再熱器

AP1000核電每臺機組配置2臺汽水分離再熱器，分別布置在汽輪機兩側；汽水分離再熱器將高壓缸排出的濕蒸汽（濕度約12%）進行除濕、加熱，使之變?yōu)橛屑s100℃過熱度的過熱蒸汽，再進入低壓缸做功，確保低壓缸末級葉片排汽濕度控制在10%左右。額定工況下汽水分離再熱器進／出口溫度為178.6／257.0℃。汽水分離再熱器的使用降低了低壓缸內(nèi)的蒸汽濕度，改善了汽輪機的末級葉片的工作條件，提高了汽輪機的相對內(nèi)效率，減少和防止了濕蒸汽對汽輪機零部件的侵蝕作用。

3.5 使用空心靜葉抽吸除濕技術

低壓末級葉片采用空心葉片，靜葉表面有吸水縫，能夠破壞水膜，減少大水滴的產(chǎn)生，同時通過壓力差使得水滴進入靜葉空腔?？招撵o葉通過環(huán)形通道與壓力比它低的低壓加熱器或凝汽器連通，從而形成負壓。這樣通過靜葉表面的吸水縫即可將靜葉表面的凝結水膜吸走，降低通流部分的濕度和水蝕，提高流動效率，如圖1所示。

圖1 空心靜葉圖

3.6 適當增大動、靜葉間間隙

隨著動靜葉片之間的軸向間隙的增加，動葉腐蝕的現(xiàn)象將會降低。選取一個最佳的動靜葉間隙，以降低低壓末級葉片的腐蝕速率。當動靜間隙被放大以后，動葉片上飛出的水滴隨著動靜間隙的增大而變小，從而被再次霧化，減輕沖蝕，如圖2所示。

圖2 動靜葉間隙示意圖

3.7 設置“捕水器”

LP末三級靜葉在靜葉環(huán)上設計有“捕水器”，將水分捕捉后疏出。低壓靜葉持環(huán)上的疏水捕捉器根據(jù)水珠受離心力作用被拋向外緣的原理設計，當水珠被拋向外緣后，經(jīng)過捕水口槽道進入環(huán)形捕水室，然后通過疏水通道流入凝汽器，如圖3所示。

圖3 捕水器示意圖

3.8 在較易受濕蒸汽侵蝕的部位采用防腐材料或在表面堆焊不銹鋼

根據(jù)水滴的運動規(guī)律，在水滴沖刷嚴重的地方鑲嵌硬質(zhì)合金或者進行表面硬化處理，以提高材料的抗沖蝕性能。

高壓缸使用材料為碳鋼，隔板套和內(nèi)軸封套為12%Cr合金鋼，外軸封為低合金鋼。在前后軸封（變形最大）處的汽缸中分面、隔板套密封面和中分面堆焊防腐蝕的低合金鋼，如圖4所示。

圖4 高壓缸材質(zhì)分布圖

在低壓內(nèi)缸及排汽導流環(huán)易腐蝕部位堆焊不銹鋼覆層；水平中分面易腐蝕部位堆焊INCONEL覆層，如圖5所示。

另外在汽輪機的末三級動葉頂部鑲有足夠長的司太立合金。

圖5 低壓內(nèi)缸中分面水平覆層

4 結論

由于核電汽輪機使用的蒸汽為飽和蒸汽，汽輪機的侵蝕在國內(nèi)外早期核電機組中普遍存在，隨著科技的發(fā)展，AP1000核電汽輪機在設計、制造等方面均采取了很多措施、方法，侵蝕問題得以緩解。在運行中也應制定相應的措施，加強去濕防蝕的意識，嚴格按照規(guī)程操作，精心保養(yǎng)。在運行中注意以下幾點：

1）控制好蒸汽發(fā)生器的水位，確保蒸汽發(fā)生器出口蒸汽濕度在設計范圍內(nèi)；

2）加強蒸汽發(fā)生器出口濕度的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時調(diào)整；

3）控制好汽輪機本體和抽汽段疏水閥，防止蒸汽濕度增大或發(fā)生水擊事件；

4）保證汽水分離再熱器的正常運行，避免其因故障而停止運行；

5）注重停機后的汽輪機保養(yǎng)。

如果對此認識不足或處理不當，侵蝕腐蝕問題仍會發(fā)生，雖然它一般不會直接引起事故與危害性大的損壞，但卻明顯地降低了機組的可靠性和經(jīng)濟性，也可能成為損壞事故的原因。

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