徐　炯，　周一工

上海電氣電站集團(tuán)　上海　201199

核電汽輪機(jī)組排汽特性分析

徐炯，周一工

上海電氣電站集團(tuán)上海201199

汽輪機(jī)的排汽特性是影響自身性能的重要因素。從理論方面分析了影響核電汽輪機(jī)組排汽損失的因素，針對當(dāng)前主流核島堆型，根據(jù)汽輪機(jī)組排汽損失最優(yōu)原理研究了如何選配汽輪機(jī)末級長葉片與低壓缸，進(jìn)而提升汽輪機(jī)組的性能。同時(shí)對核電汽輪機(jī)組多工況運(yùn)行時(shí)的耦合優(yōu)化與低壓排汽面積選取進(jìn)行了分析。

核電；汽輪機(jī)；排汽特性

核電汽輪機(jī)組效率是決定核電能源利用效率的關(guān)鍵因素之一，切實(shí)提高核電汽輪機(jī)組的效率是核電常規(guī)島領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

根據(jù)目前主流的核電堆型，筆者從減少汽輪機(jī)排汽損失的角度出發(fā)，分析如何根據(jù)不同的堆型及冷端特性選配汽輪機(jī)末級長葉片與合適的低壓缸數(shù)量，以達(dá)到汽輪機(jī)效率最優(yōu)。

1　核電汽輪機(jī)組效率計(jì)算方法

汽輪機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，核電汽輪機(jī)將從核島得到的能量，通過蒸汽的熱力循環(huán)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，蒸汽動(dòng)力裝置流程如圖1所示。不同的核電堆型，核能與熱能的交換過程并不相同。對于核電汽輪機(jī)而言，其基本工作過程建立在蒸汽熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上。理想的蒸汽熱力循環(huán)稱為朗肯循環(huán)[1]，其溫熵關(guān)系圖如圖2所示。

圖1　蒸汽動(dòng)力裝置流程示意圖

圖2　朗肯循環(huán)溫熵關(guān)系圖

過程4-5-6中，水從熱源中定壓吸熱，成為飽和蒸汽。過程6-1中，飽和蒸汽在過熱器中定壓吸熱，成為過熱蒸汽。過程1-2中，高溫高壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)絕熱膨脹作功。過程2-3中，乏汽在冷凝器內(nèi)放熱，等溫等壓冷凝，成為飽和水。過程3-4中，凝結(jié)水在給水泵中絕熱壓縮，壓力升高后再次進(jìn)入熱源進(jìn)行循環(huán)。

朗肯循環(huán)的熱效率ηt為：

(1)

式中：Wnet為循環(huán)凈功；q1為吸熱量；q2為放熱量；h1為新蒸汽焓；h2為乏汽焓；h3和h4分別為凝結(jié)水和過冷水的焓。

通過數(shù)量級和近似值簡化后，得：

(2)

朗肯循環(huán)為理想的可逆循環(huán)，而實(shí)際上，汽輪機(jī)工作過程全部都是不可逆過程，尤其是蒸汽經(jīng)過汽輪機(jī)的絕熱膨脹過程，與理想可逆過程相比有明顯差別。

在汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，有流動(dòng)損失、機(jī)械損失和電機(jī)損失等。用汽輪機(jī)相對內(nèi)效率ηi、機(jī)械效率ηm和發(fā)電機(jī)效率ηg來表示損失后的能量轉(zhuǎn)換效率[2]，則汽輪機(jī)組的實(shí)際效率為：

(3)

在分析了汽輪機(jī)組的蒸汽動(dòng)力循環(huán)過程后可知，要提高汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，主要可以采用以下幾種方法[2]： ① 提高蒸汽初參數(shù)，即增加凈功；② 冷端優(yōu)化，即降低排汽損失；③ 采用多級回?zé)嵫h(huán)，即減少有效能的不可逆損失。

由于核電汽輪機(jī)的初參數(shù)已經(jīng)由核島特性確定，并且核電汽輪機(jī)已經(jīng)采用了多級回?zé)嵫h(huán)提高循環(huán)效率，因此筆者將從如何減少核電汽輪機(jī)排汽損失的角度，根據(jù)最佳效率原則，對核電汽輪機(jī)排汽面積進(jìn)行優(yōu)化選型分析。

2　影響核電汽輪機(jī)排汽損失的因素

由于大容量核電汽輪機(jī)多以半速運(yùn)行，因此相對于全速機(jī)組，長葉片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度對核電汽輪機(jī)而言有充足的余量并更具穩(wěn)定性[3-4]。汽輪機(jī)末級長葉片排汽具有的動(dòng)能，少部分在末級葉片出口的擴(kuò)壓器內(nèi)靠壓力恢復(fù)被回收，大部分則作為損失而排入凝汽器。同時(shí)，由于低壓末級長葉片出口的排汽速度很快，因此核電汽輪機(jī)的排汽損失占總損失的比例較大。按照分類，排汽損失分為軸向排汽損失和徑向排汽損失[5]。

在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)長葉片時(shí)，需考慮沖角、反動(dòng)度、速度分布等三元流場特性，保證葉片級效率在一定范圍內(nèi)最優(yōu)。除此之外，確定最佳余速損失是汽輪機(jī)末級長葉片選型的基本原則。排汽余速矢量如圖3所示。

圖3　排汽余速矢量示意圖

圖3中C2為排汽余速，C2a為軸向排汽余速，C2u為徑向排汽余速，U2為轉(zhuǎn)速，W2為蒸汽出口速度。

根據(jù)圖3，可導(dǎo)出：

C2=C2a+C2u

(4)

C2a=Gv/Fa

(5)

式中：Gv為排汽容積流量；Fa為葉片排汽面積。

2.1　排汽面積

由式(5)可知，增加排汽面積可以使排汽能量減小，進(jìn)而減小軸向余速損失。

由圖3可知，當(dāng)軸向排汽時(shí)，徑向排汽余速最小且為零，即C2u=0。而實(shí)際情況是，葉片的葉型出汽角β2受到葉片幾何成形及加工制造等方面的限制，不可能為零。因而，存在一個(gè)最佳的葉片喉部面積Fasinβ2，對應(yīng)一個(gè)最佳的排汽速度。

其次，排汽面積與末級葉片的根部直徑及葉片高度有關(guān)，且與排汽的分流數(shù)有關(guān)，所以葉片越長，排汽面積越大。

從理論上而言，末級長葉片選型的一個(gè)基本原則為： 葉片越長，葉型出汽角越小，軸向余速及徑向余速就越小，即總余速損失就越小，則效率就越高。

實(shí)際工程應(yīng)用中，末級葉片的sinβ2平均值為0.3～0.45。為了滿足機(jī)組特殊性能的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)，滿足葉片強(qiáng)度要求而限制葉片高度，一般末級葉片的sinβ2平均值最大不超過0.60。

2.2　排汽容積流量

通過分析式(5)可得到長葉片設(shè)計(jì)或者選型的另一個(gè)基本原則： 在葉片根部直徑及葉高不變的條件下，存在一個(gè)最佳通流量Gv0[6]。

設(shè)計(jì)葉片工況時(shí)，絕對出汽角越小，其低負(fù)荷的氣動(dòng)性能就越好。在三元流場設(shè)計(jì)時(shí)，通過優(yōu)化焓降分配，使每一個(gè)徑向流量段排汽余速矢量圖接近最理想的軸向排汽狀況，即：

tanβ2=C2a/U2

(6)

Gv0=FaU2tanβ2

(7)

上述公式建立了排汽容積流量與葉片根部直徑、葉片高度、葉型出汽角之間的關(guān)系。在相同通流能力及同為最佳軸向排汽的條件下，不同葉型出汽角的葉片，其高度和排汽面積也是不同的[7]。

同樣容積流量下，排汽面積越大，葉型出汽角就越小，即喉節(jié)比就越小。僅在相同出汽角、相同喉節(jié)比的條件下，排汽面積才與容積流量成正比。受葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和葉片成形的限制，葉型的平均喉節(jié)比在0.3～0.6之間，因此，相對于某一容積流量，對應(yīng)的排汽面積也有一定范圍。

對于每一個(gè)特定的長葉片，按上述公式計(jì)算求得的容積流量Gv0稱為該葉片的最佳通流量。

2.3　三元流場特性

根據(jù)最佳軸向排汽原則，在選定動(dòng)葉片后，還必須針對流場特性進(jìn)行流場設(shè)計(jì)，必要時(shí)可對匹配的靜葉片進(jìn)行優(yōu)化。主要的流場特性包括[7-8]： ① 根部反動(dòng)度大于10%；② 動(dòng)靜葉片的沖角符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；③ 徑向壓力及速度分布均勻；④ 葉柵流道速度和壓力分布下的損失小。

3　汽輪機(jī)末級長葉片和低壓缸選型

低壓缸選型的關(guān)鍵參數(shù)是排汽容積流量，排汽容積流量與核島容量及汽輪機(jī)冷端背壓有關(guān)。以國內(nèi)某公司的長葉片產(chǎn)品為例，基本按25%間隔形成不同排汽面積的長葉片，適應(yīng)不同地域冷端特性及不同堆型的需求。每個(gè)長葉片具有4個(gè)固有的特征容積流量： 零功率容積流量、排汽損失最小容積流量、最高效率軸向排汽容積流量、阻塞容積流量[9]。

長葉片選型的基本原則是使機(jī)組的排汽容積流量處在葉片的最佳容積流量附近一定范圍內(nèi)。對于調(diào)峰機(jī)組，為兼顧低負(fù)荷小容積流量的效率，可選擇排汽面積較小的葉片。對于帶基本負(fù)荷的機(jī)組，可以選擇排汽面積較大的葉片，以適應(yīng)額定負(fù)荷下最高效率的排汽損失[10]。

以項(xiàng)目A為例，根據(jù)核島參數(shù)及冷端特性，可選擇兩個(gè)方案，一是采用兩個(gè)26m2的低壓缸，二是采用兩個(gè)20m2的低壓缸。兩個(gè)方案具體參數(shù)隱去，僅提供數(shù)量級比較，對比見表1，排汽損失曲線如圖4所示。

表1　項(xiàng)目A排汽方案對比

圖4　項(xiàng)目A排汽損失對比曲線

由表1和圖4對比可知： 采用兩個(gè)26m2低壓缸的方案，在額定工況下排汽損失遠(yuǎn)低于兩個(gè) 20m2低壓缸的方案，在夏季工況下排汽損失則略高于兩個(gè)20m2低壓缸方案。根據(jù)排汽損失及排汽流量對功率損失的折算，綜合核電機(jī)組額定工況和夏季工況，選擇1700mm等級長葉片機(jī)組經(jīng)濟(jì)性更高。

以項(xiàng)目B為例，根據(jù)核島參數(shù)及冷端特性，可選擇兩個(gè)方案，一是采用兩個(gè)26m2的低壓缸，二是采用三個(gè)20m2的低壓缸。兩個(gè)方案參數(shù)具體參數(shù)隱去，僅提供數(shù)量級比較，對比見表2，排汽損失曲線如圖5所示。

表2　項(xiàng)目B排汽方案對比

圖5　項(xiàng)目B排汽損失對比曲線

由表2和圖5對比可知： 采用三個(gè)20m2低壓缸的方案，在額定工況下排汽損失遠(yuǎn)低于兩個(gè) 26m2低壓缸的方案，在夏季工況下排汽損失與兩個(gè)26m2低壓缸方案基本相當(dāng)。根據(jù)排汽損失及排汽流量對功率損失的折算，綜合核電機(jī)組額定工況和夏季工況，選擇1400mm等級長葉片機(jī)組效率更高。當(dāng)然，實(shí)際在機(jī)組選型過程中還需要考慮三個(gè)低壓缸和兩個(gè)低壓缸對成本的影響，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對低壓缸進(jìn)行選型。

結(jié)合兩個(gè)項(xiàng)目的對比，長葉片選型按軸向排汽，即最小余速損失原則，葉型出汽角應(yīng)在軸向 ±10° 范圍內(nèi)。由于長葉片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有充足余量，安全可靠性不是長葉片選擇的限制因素。選擇長葉片的類型時(shí)，應(yīng)考慮額定負(fù)荷工況下盡量處在軸向排汽最佳的流動(dòng)狀況。這樣，選出的核電機(jī)型是合適的，經(jīng)濟(jì)性高，同時(shí)又有最佳的氣動(dòng)性能。

4　結(jié)束語

筆者對影響核電汽輪機(jī)排汽損失的因素進(jìn)行了分析，介紹了如何計(jì)算末級長葉片最佳葉型出汽角和最佳容積流量，旨在提高核電汽輪機(jī)組的發(fā)電效率。同時(shí)結(jié)合兩個(gè)核電項(xiàng)目的案例，根據(jù)核電汽輪機(jī)組排汽損失最優(yōu)原理，分析了低壓排汽面積的選取、汽輪機(jī)末級長葉片及低壓缸數(shù)量的選配。當(dāng)然，筆者的研究對于龐大的發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)而言，只是極小的一部分，性能優(yōu)化的道路仍然需要不斷探索。

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(編輯： 啟德)

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，碩士，工程師，主要從事火電、核電等能源產(chǎn)業(yè)研究工作，E-mail: xujiong@shanghai-electric.com