伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司,上海 200438）

1 核電廠

核電廠是將核燃料鈾（钚）在反應(yīng)堆內(nèi)裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電廠[1]。核燃料產(chǎn)生的裂變能主要以熱能的形式出現(xiàn),其經(jīng)過(guò)一次和二次冷卻劑的載帶和轉(zhuǎn)換,最終以蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。核電廠按反應(yīng)堆類(lèi)型可以劃分為輕水堆核電廠、重水堆核電廠、石墨氣冷堆核電廠和快中子增殖堆核電廠等。輕水堆包括壓水堆和沸水堆,石墨氣冷堆分為天然鈾氣冷堆和高溫氣冷堆,快中子增殖堆分為鈉冷、氣冷的快中子堆和熔鹽熱中子堆。

壓水堆核電廠正常運(yùn)行時(shí),向環(huán)境排放的放射性物質(zhì)低于火電廠煤粉灰中的放射性含量,根本不產(chǎn)生二氧化硫等有害氣體[2]。同氣冷堆、重水堆、沸水堆等堆型比較,其具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全易控、技術(shù)成熟、造價(jià)和發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn),因此成為世界上核電廠最廣泛采用的堆型[3]。目前,我國(guó)的大亞灣和秦山等核電廠均采用壓水堆發(fā)電。預(yù)計(jì)在快中子增殖堆和其他堆型成熟之前,壓水堆將繼續(xù)保持其優(yōu)勢(shì)。

2 壓水堆核電廠

壓水堆核電廠是以壓水反應(yīng)堆將核裂變能轉(zhuǎn)換為熱能,再產(chǎn)生蒸汽而發(fā)電的電廠。壓水堆堆芯裝在壓力容器內(nèi),水既作為慢化劑,又作為核芯內(nèi)燃料元件的一次冷卻劑,將堆芯熱量帶到蒸汽發(fā)生器一次側(cè),傳給二次側(cè)的水,溫度降低后由主泵再打入堆芯,形成一回路循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水吸收熱量,產(chǎn)生一定壓力的飽和蒸汽或微過(guò)熱蒸汽,進(jìn)入汽輪機(jī)做功。完成做功后的蒸汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)成水,再用水泵送回蒸汽發(fā)生器的二次側(cè),形成二回路系統(tǒng)[4-5]。

3 壓水堆核電廠的熱力循環(huán)

從熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,核電熱力循環(huán)與火電熱力循環(huán)的區(qū)別是：在核電熱力循環(huán)中,汽輪機(jī)的進(jìn)口為飽和蒸汽或微過(guò)熱蒸汽,通常不設(shè)中壓缸,在高壓缸和低壓缸之間設(shè)置了汽水分離再熱器,在汽水分離再熱器中,高壓缸排汽中水分被排走[6-8],并得到再熱。

同火電汽輪機(jī)相比,進(jìn)入核電汽輪機(jī)的主蒸汽是屬于中等參數(shù)的飽和蒸汽[9-10],其等熵焓降、有效比焓降較小,因此其具有與火電汽輪機(jī)不同的特點(diǎn)。由于主蒸汽容積容量大,高壓缸同低壓缸一樣,采用雙流結(jié)構(gòu),且第一級(jí)葉片較高,使噴嘴調(diào)節(jié)過(guò)程較為困難,故一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)。由于排汽容積流量大,要求增加低壓缸數(shù)目以增加末級(jí)通流面積,或采用半速汽輪機(jī)以提高末級(jí)葉片高度。由于排汽余速損失對(duì)汽輪機(jī)效率有較大影響,故有時(shí)采用較高的設(shè)計(jì)背壓,以降低排汽容積流量,從而降低余速損失[11]。

核電汽輪機(jī)高壓缸各級(jí)都在濕蒸汽區(qū)進(jìn)行工作,其排汽濕度將達(dá)23%。經(jīng)汽水分離、再熱后再進(jìn)入低壓缸做功[12-14],低壓缸后5級(jí)還處于濕蒸汽區(qū)。若核電汽輪機(jī)只采用汽水分離而無(wú)再熱時(shí),則低壓各級(jí)都工作于濕蒸汽區(qū),因此均需配備除濕措施。

4 核電汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)

核電汽輪機(jī)通常是指用于壓水堆、沸水堆、重水堆和氣冷堆等堆型核電廠的飽和蒸汽汽輪機(jī)[15-16],也稱(chēng)濕蒸汽汽輪機(jī),其新蒸汽為含微量水分的飽和蒸汽或微過(guò)熱蒸汽。高溫氣冷堆和快中子增殖堆核電廠能提供500℃以上的過(guò)熱蒸汽,因此同火電廠一樣,可采用亞臨界壓力或超臨界壓力的高溫再熱汽輪機(jī),所用汽輪機(jī)類(lèi)型和要求也與火電廠基本相同。

核電汽輪機(jī)的低壓缸零部件通常采用火電汽輪機(jī)相同的材料制成,高壓內(nèi)外缸、隔板套、隔板體、動(dòng)葉和靜葉[17]、隔板外環(huán)和其他元件,均采用高耐蝕材料制作。

火電汽輪機(jī)相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可推廣應(yīng)用于核電汽輪機(jī),然而,核電汽輪機(jī)的汽耗量和容積流量較大,因此機(jī)組各部件尺寸明顯大于火電汽輪機(jī)。為了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,必須設(shè)置機(jī)外汽水分離器和機(jī)內(nèi)葉片除濕設(shè)施,以排除機(jī)組外部和內(nèi)部水分,這樣將使設(shè)計(jì)復(fù)雜化。但蒸汽在核電汽輪機(jī)內(nèi)膨脹過(guò)程的焓降較小,可以不設(shè)中壓缸,采用較少的熱力過(guò)程級(jí)。同時(shí),由于蒸汽溫度低于所用金屬材料的蠕變斷裂溫度,使材料的使用環(huán)境得到改善,這樣又減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

在核電熱力系統(tǒng)中,即使裝設(shè)了汽水分離再熱器,也只有核電汽輪機(jī)低壓前兩級(jí)在干蒸汽區(qū)工作,其他各級(jí)仍處于濕蒸汽環(huán)境。轉(zhuǎn)動(dòng)部件表面,尤其是長(zhǎng)葉片頂部,受到水滴的侵蝕。在侵蝕、腐蝕聯(lián)合作用下,從轉(zhuǎn)動(dòng)部件甩出來(lái)的水滴,使靜止部件也受到損傷,在具有較大壓差部件的連接面,可能出現(xiàn)拉伸腐蝕現(xiàn)象。為此,需采取完善的除濕結(jié)構(gòu)控制水分的含量和特性,選用恰當(dāng)金屬材料提高部件的抗侵蝕、腐蝕能力。

5 核電汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇

隨著汽輪機(jī)功率的增大,末級(jí)葉片受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣體動(dòng)力學(xué)的限制將增強(qiáng),采用提高汽輪機(jī)背壓,降低排汽容積流量而降低余速損失的方法,又將降低機(jī)組熱效率。因此,核電大功率飽和1汽輪機(jī)通常采用1500r/min（50Hz）或1800r/min（60Hz）的半速結(jié)構(gòu),這樣可以在相同的材料許用應(yīng)力條件下,增加低壓轉(zhuǎn)子各級(jí)的平均直徑和末級(jí)葉片高度,從而獲得4倍的末級(jí)通流面積,還可以提高低壓缸效率,其增加值可超過(guò)高壓缸因采取半轉(zhuǎn)速而降低效率的數(shù)值,從而提高整機(jī)的效率。

理論和實(shí)踐證明,采用半速汽輪機(jī),通流部分效率可以提高1.0%～1.5%。美國(guó)生產(chǎn)的部分水冷堆核電廠汽輪機(jī),即使功率不大,轉(zhuǎn)速也都設(shè)計(jì)為1800r/min。采用半速汽輪機(jī)并在末級(jí)動(dòng)葉片頂部圓周速度適中的情況下,可以獲得較大的末級(jí)通流面積,還可以使其低壓部分和火電大功率半速汽輪機(jī)的低壓部分廣泛通用。

與全速汽輪機(jī)相比,半速汽輪機(jī)的高和寬都增加了近1倍,低壓缸數(shù)目雖可減少,但汽輪機(jī)總重量將增加50%左右,造價(jià)高60%左右。隨著技術(shù)進(jìn)步,50Hz的大功率汽輪機(jī)已開(kāi)始采用全速結(jié)構(gòu)[18]。中國(guó)大亞灣核電廠900MW汽輪機(jī)亦采用3000r/min結(jié)構(gòu)。

德國(guó)西門(mén)子公司對(duì)核電汽輪機(jī)的汽缸數(shù)、末級(jí)葉片高度和整機(jī)長(zhǎng)度與機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,給出了相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。汽輪機(jī)采用半轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu),可以減少汽缸數(shù)和整機(jī)長(zhǎng)度,但增加了汽缸尺寸。

德國(guó)進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)技術(shù)計(jì)算又表明,核電汽輪機(jī)由于燃料成本較低,凝汽器的最佳壓力一般比火電汽輪機(jī)更高。通常而言,決定凝汽器壓力的冷卻系統(tǒng)對(duì)提高全速和半速核電汽輪機(jī)的極限功率有顯著影響。

5.2 汽缸配置和分缸壓力

在核電汽輪機(jī)中蒸汽的焓降較小,可采用較少的熱力過(guò)程級(jí)。所以核電汽輪機(jī)通常只分高壓和低壓兩段,無(wú)需配備中壓缸。同時(shí),汽輪機(jī)的進(jìn)、排汽部分和管道系統(tǒng)中的汽流能量損失相對(duì)增大。

核電汽輪機(jī)因?yàn)檫M(jìn)汽壓力、溫度低,高壓缸一般采用單層缸結(jié)構(gòu)。由于蒸汽容積流量大,高壓缸和低壓缸都采用分流結(jié)構(gòu)。

低壓缸的運(yùn)行工況與火電汽輪機(jī)的低壓段近似,但半速汽輪機(jī)的低壓缸因體積龐大,通常采用內(nèi)外缸結(jié)構(gòu),以降低汽缸的熱應(yīng)力和螺栓應(yīng)力,低壓缸數(shù)量亦要增加。

5.3 轉(zhuǎn)子和葉輪

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采用真空除氣熔煉的合金鋼整塊鍛件加工及制造核電汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子和葉輪。過(guò)去,由于技術(shù)工藝等問(wèn)題,限制了鍛件毛坯的直徑和長(zhǎng)度,因此低壓轉(zhuǎn)子多采用套裝葉輪的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在火電機(jī)組上的使用效果總體較好。但在核電汽輪機(jī)中,由于在濕蒸汽區(qū)工作,在套裝葉輪的鍵槽內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂。目前,由于技術(shù)的發(fā)展,高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子均可采用整鍛轉(zhuǎn)子,從而解決了上述問(wèn)題。

5.4 盤(pán)車(chē)裝置

當(dāng)功率相同時(shí),核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為火電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的3～4倍,軸承摩擦力矩則為2～3倍,故盤(pán)車(chē)力矩大。盤(pán)車(chē)時(shí)必須用頂軸油泵將軸頸頂起,頂軸油泵開(kāi)動(dòng)的臺(tái)數(shù)需根據(jù)軸承出現(xiàn)的摩擦情況而定。

5.5 汽水分離再熱器的設(shè)置

采用汽水分離再熱器可使效率相對(duì)提高2%。由于經(jīng)濟(jì)和安全原因,汽水分離再熱器一般布置在低壓缸兩側(cè),并將聯(lián)合截止閥裝于緊靠低壓缸入口處。

蒸汽再熱過(guò)程可分為單級(jí)再熱和兩級(jí)再熱。單級(jí)再熱時(shí)通過(guò)主蒸汽加熱。采用兩級(jí)再熱時(shí),第1級(jí)用高壓缸抽汽加熱,第2級(jí)用主蒸汽加熱。究竟采用哪一種再熱方式,要通過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。

以1000MW級(jí)核電汽輪機(jī)為例,其通常設(shè)置2臺(tái)或4臺(tái)汽水分離再熱器。該裝置通常為巨大臥式容器,內(nèi)設(shè)汽水分離器和蒸汽再熱器。分離器結(jié)構(gòu)為多層不銹鋼人字形帶鉤波紋板,再熱器為兩級(jí)管式,采用低肋鰭片不銹鋼管,加熱蒸汽在管內(nèi)流動(dòng),被加熱蒸汽在管外流動(dòng)[19]。

外置汽水分離再熱器和連通管道系統(tǒng)大幅增加了貯汽容積,因此必須裝設(shè)龐大的中間調(diào)節(jié)閥和安全閥。為了減少中間蒸汽容積,取消低壓缸的主汽調(diào)節(jié)閥和降低壓力損失,某些國(guó)家將汽水分離器布置在汽輪機(jī)通流部分內(nèi)部。以英國(guó)AEI公司設(shè)計(jì)的1臺(tái)1000MW汽輪機(jī)為例,其采用了該類(lèi)結(jié)構(gòu)。在汽輪機(jī)高壓缸第6級(jí)后裝有特殊隔板,其葉片型線設(shè)計(jì)使蒸汽具有高圓周速度。甩到外圍上的水滴與供給水加熱器的汽流一起抽出。直接裝在汽水分離器后的第7級(jí)隔板裝有小曲率葉片,以便該級(jí)和隨后各級(jí)動(dòng)葉片上汽流穩(wěn)定。內(nèi)置式分離器與外置式分離器一樣,分離器入口蒸汽濕度為10.5%,而出口處為2.5%。5.6機(jī)內(nèi)除濕、防腐結(jié)構(gòu)

高壓缸的各級(jí)都在濕蒸汽環(huán)境中工作,高速濕蒸汽流中的微小水滴不僅影響汽輪機(jī)效率,并對(duì)汽輪機(jī)零部件有很大的浸蝕和腐蝕作用。故通常對(duì)核電汽輪機(jī)要采用特殊的除濕、防蝕結(jié)構(gòu)。

（1）在動(dòng)葉片蒸汽入口側(cè)的背弧上開(kāi)齒形溝槽,利用動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)的離心力,將凝結(jié)在葉片表面上的水膜順著齒形溝槽沿圓周方向甩出,進(jìn)行汽水分離。

（2）靜葉片上典型除濕結(jié)構(gòu)是隔板采用中空靜葉片,在靜葉片背弧上開(kāi)槽,水分經(jīng)糟進(jìn)入中空葉片內(nèi)腔,抽入凝汽器。

（3）在隔飯和葉片圍帶之間設(shè)置環(huán)狀去濕腔和疏水孔,有效地排出濕蒸汽中的水分。

（4）在低壓轉(zhuǎn)子末幾級(jí)葉片上部進(jìn)汽邊約1/3處鑲焊硬質(zhì)合金片或經(jīng)特殊熱處理。

（5）為了減少水滴對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的撞擊作用,將靜葉片和動(dòng)葉片的軸向間隙設(shè)計(jì)成根部盡可能小,向外緣逐步增加,國(guó)外許多公司把低壓部分最后幾級(jí)的外緣軸向間隙增大到100mm,或更大些。

（6）在汽缸、隔板和汽封等構(gòu)件的中分面,以及在隔板與汽缸的接觸密封面上,堆焊或噴涂鈦、高鎳鉻合金和蒙乃爾合金等抗蝕材料的噴涂覆蓋層或密封環(huán)。同時(shí)可在隔板和高壓缸的縫隙浸蝕面堆焊不銹鋼含金。為減少支承面的水蝕,美國(guó)GE公司廣泛采用隔板成組結(jié)構(gòu),每?jī)蓚€(gè)相鄰隔板用螺栓沿水平中分面和軸向連續(xù)為一隔板組,將隔板組設(shè)在第二塊隔板（沿流向排序）上的凸緣裝在汽缸洼窩中,接觸面焊以鈷鉻合金。從而大幅增加了隔板間和隔板與汽缸接觸部位的壓緊力,防止這些表面的浸蝕。

6 核電汽輪機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

6.1 運(yùn)行中疏水量大

核電汽輪機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)確保正確地將這部分水排掉。在汽輪機(jī)啟動(dòng)前或停機(jī)后,甚至在汽輪機(jī)低負(fù)荷時(shí),都應(yīng)開(kāi)啟疏水閥。所有疏水管道都應(yīng)裝設(shè)自動(dòng)逆止閥,防止汽輪機(jī)進(jìn)水。當(dāng)甩負(fù)荷時(shí)防止水分蒸發(fā)驅(qū)使汽輪機(jī)嚴(yán)重超速[20]。

6.2 蒸汽旁路系統(tǒng)容量大

當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí),應(yīng)迅速將來(lái)自蒸汽發(fā)生器的多余蒸汽排入凝汽器,使反應(yīng)堆能按規(guī)定的速率減負(fù)荷,并避免主蒸汽系統(tǒng)安全閥動(dòng)作。在啟動(dòng)和停堆期間控制反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度。

6.3 嚴(yán)格控制主蒸汽壓力變化值

由于要嚴(yán)格控制反應(yīng)堆堆芯溫度,在5s內(nèi)壓力下降值不得超過(guò)7.1%～11%,壓力升高值不得越過(guò)5.7%,否則必須停堆停機(jī)。

6.4 嚴(yán)格的水質(zhì)管理

蒸汽發(fā)生器對(duì)水質(zhì)要求較高,通常會(huì)對(duì)50%或100%凝結(jié)水進(jìn)行凈化,其方法是使凝結(jié)水經(jīng)過(guò)混合床,除去由于凝汽器管或管板泄漏及系統(tǒng)腐蝕所產(chǎn)生的鹽垢、二氧化硅及銅、鐵等雜質(zhì),確保送往蒸汽發(fā)生器的水質(zhì)合格。秦山核電廠設(shè)有除氧循環(huán)水泵,在啟動(dòng)前,用除氧循環(huán)水泵沖洗給水管道,待管道干凈以后再往除氧器送汽。直至符合蒸汽發(fā)生器進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)為止。核電廠一般會(huì)設(shè)置應(yīng)急給水系統(tǒng)及專(zhuān)用的應(yīng)急水池和應(yīng)急電源（如柴油發(fā)電機(jī)組）,以保證故障時(shí)有足夠的水和可靠的電源。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前,核能發(fā)電依然是我國(guó)能源建設(shè)體系的重要發(fā)展方向之一,核電汽輪機(jī)作為能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中最為關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備,其重要性自然不言而喻。考慮到其當(dāng)前的技術(shù)水平,未來(lái)核電汽輪機(jī)依然會(huì)向著更大裝機(jī)容量及更高參數(shù)的技術(shù)方向而不斷發(fā)展。