史進淵，孔德萍

(1. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠320 MW核電機組是我國第一臺投入商業(yè)運行的核電機組，1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電，至2015年年底已安全、穩(wěn)定運行24年。按照國外核電機組的運行經(jīng)驗，當核電機組服役臨近原設計壽命時，通常實施運行許可證延續(xù)(OLE)。截至2016年3月，美國核管理委員會已經(jīng)批準了83臺核電機組的運行許可證延續(xù)[1]。秦一廠320 MW核電機組的原設計壽期為30年，汽輪發(fā)電機組經(jīng)過技術(shù)改造通常可延長使用20年。根據(jù)國外核電汽輪發(fā)電機組運行許可證延續(xù)經(jīng)驗，需要提前5年(即在2016年運行25年)確定秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組優(yōu)化升級改造的技術(shù)方案。考慮到國內(nèi)缺少核電汽輪發(fā)電機組的整體優(yōu)化升級改造的技術(shù)積累和業(yè)績，從2015年起，有關(guān)單位合作開展320 MW核電OLE項目的汽輪發(fā)電機組優(yōu)化升級改造技術(shù)方案的研究工作。

1 汽輪機與發(fā)電機的服役現(xiàn)狀分析

1.1 增容與延壽的可能性

秦一廠核電汽輪發(fā)電機組原設計銘牌功率為310 MW，供方保證功率(也稱最大連續(xù)功率TMCR)為330 MW。2007年發(fā)電機定子線圈改造后，銘牌功率改為320 MW。秦一廠一回路的安全分析都是建立在反應堆熱功率1035 MWt基礎(chǔ)上的，電廠試驗結(jié)果表明，汽輪發(fā)電機組的功率達到330 MW時，反應堆熱功率小于原設計方案TMCR工況對應的1025 MWt[2]，秦一廠核島設備還有一定的功率余量。秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組的原設計方案，二回路的設計是以汽輪機保證功率達到了330 MW以及閥門全開工況進入汽輪機的蒸汽量為2015 t/h(冷卻水溫18 ℃)為依據(jù)。試驗結(jié)果表明，汽輪發(fā)電機組的功率達到330 MW時，汽輪機的進汽量為1866.46 t/h，小于原設計方案的2015 t/h[2]，二回路也有一定的功率余量?；谝陨显颍匾粡S320 MW核電汽輪發(fā)電機組具有一定的增容潛力。

隨著運行時間增長并超過原設計壽期30年，飽和蒸汽核電汽輪機關(guān)鍵部件累積壽命損傷增大，呈故障集中出現(xiàn)趨勢，非計劃停運率快速上升。發(fā)電機存在絕緣事故頻發(fā)、發(fā)電機線圈絕緣損壞等安全風險。秦一廠核電汽輪發(fā)電機組原設計壽期為30年，再延續(xù)運行20年風險較大，沒有足夠的依據(jù)。為此，秦一廠320 MW機組的運行許可證延續(xù)，有必要對秦一廠320 MW汽輪機和發(fā)電機等關(guān)鍵部件進行優(yōu)化升級改造，使汽輪發(fā)電機組的使用壽期再延長20年。

1.2 汽輪機存在的問題

在秦一廠320 MW核電汽輪機的46級葉片(高壓缸9×2，低壓缸7×2×2)中，高壓缸18級葉片(9×2)全部葉片為反動式直葉片，低壓缸第1級至第4級葉片共有16級葉片(4×2×2=16)為反動式等截面葉片，低壓缸第5級至第7級還有12級(3×2×2)采用早期技術(shù)設計的扭葉片，末級葉片高度為869 mm，這些早期設計的汽輪機葉片的級效率比較低。

汽輪機2號軸瓦和3號軸瓦夏季金屬溫度或回油溫度比較高，尤其是夏天海水溫度較高的期間，兩臺冷油器的冷卻水流量開到最大，2號軸瓦回油溫度短時達到78.1 ℃(汽輪機產(chǎn)品說明書上報警值設置是77 ℃，停機值是82 ℃)，除極限狀態(tài)天氣外，其余時間回油溫度均在正常范圍內(nèi)。在夏季高溫天氣，海水溫度達到35 ℃時，冷油器出口溫度達到45 ℃，高于設計值38～42 ℃(40±2 ℃)，控制室顯示的汽輪機2號軸瓦回油溫度為78 ℃，現(xiàn)場表計為80 ℃，超過77 ℃報警值，接近82 ℃停機值。

主汽調(diào)節(jié)閥高負荷段存在調(diào)節(jié)特性不佳問題。主汽調(diào)節(jié)閥為柱塞式單座閥，共有4個，閥徑342 mm(13.438 in)，采用節(jié)流配汽，4臺閥門同步開啟，均由單獨油動機控制。4個調(diào)節(jié)閥油動機的最大物理開度分別為：265 mm、266 mm、268 mm、269 mm。汽輪機功率達到300 MW時，調(diào)節(jié)閥開度在37%左右，可實現(xiàn)快速動態(tài)響應。功率提升至320 MW后，由于進汽量變化，調(diào)節(jié)閥開度控制在41%左右，一般不超過45%。2014年夏季調(diào)節(jié)閥開度達到最大值51%，從流量特性曲線來看，不利于汽輪機DEH的控制，影響汽輪機調(diào)節(jié)閥快速動態(tài)響應。

1.3 發(fā)電機存在的問題

秦一廠320 MW汽輪發(fā)電機，是上海發(fā)電機廠生產(chǎn)的第一代雙水內(nèi)冷發(fā)電機。秦一廠發(fā)電機原設計銘牌功率為310 MW，原設計最大功率為330 MW。秦一廠320 MW汽輪發(fā)電機定子額定電壓18 kV，低于恰西瑪同類核電汽輪發(fā)電機額定電壓20 kV。由于定子額定電壓18 kV偏低，增容后定子線圈電流增大，改造增容的技術(shù)難度較大。

發(fā)電機和勵磁機的風溫都超過原設計的40 ℃報警值，后來制造廠修改了報警值，改為45 ℃。再次增容后，又面臨風溫都超過45 ℃的風險。機座端部表面溫度升高，某些地方超過100 ℃，機座端部外表面油漆變色，原因有可能是2007年發(fā)電機增容后，局部漏磁增大所致。

1.4 優(yōu)化升級改造的目標

1)通過汽輪機與發(fā)電機的技術(shù)改造，秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組在設計壽命30年的基礎(chǔ)上運行許可證再延續(xù)20年，累計安全經(jīng)濟運行50年。

2)汽輪機與發(fā)電機的技術(shù)改造完成后，秦一廠320 MW汽輪發(fā)電機組的功率增加至改造方案一340 MW，或改造方案二350 MW。

3)通過優(yōu)化升級的技術(shù)改造，提高秦一廠汽輪機與發(fā)電機的安全可靠性，解決汽輪機與發(fā)電機存在問題的安全隱患，消除影響機組安全運行的主要風險。

4)汽輪機與發(fā)電機的改造部件(不包括易損件與消耗品)的設計使用壽命不少于30年，改造后汽輪機與發(fā)電機大修周期不少于6年，質(zhì)保期內(nèi)不得出現(xiàn)由于改造原因而導致汽輪機與發(fā)電機的強迫停運，汽輪機與發(fā)電機除碳刷消耗品外所有經(jīng)過改造易損件的使用壽命不少于一個大修周期。

2 汽輪機優(yōu)化升級改造采用新技術(shù)

2.1 汽輪機改造方案的熱力參數(shù)

汽輪機改造方案一，通過對汽輪機高壓缸與低壓缸的通流部分進行優(yōu)化升級改造，提高汽輪機的功率，功率由320 MW提升至340 MW/330 MW，即供方保證功率TMCR與冬季工況的功率超過340 MW，夏季工況功率達到330 MW。

汽輪機改造方案二，通過對高壓缸與低壓缸的通流部分進行優(yōu)化升級改造，提高汽輪機的功率，功率由320 MW提升至350 MW/340 MW，即供方保證功率TMCR與冬季工況的功率超過350 MW，夏季工況功率達到340 MW。

汽輪機原設計方案熱力計算結(jié)果列于表1，汽輪機的兩個優(yōu)化升級改造方案的熱力計算結(jié)果列于表2和表3。在表1～表3中，反應堆熱功率Wth估算公式為

表1 汽輪機原設計方案熱力計算結(jié)果

表2 汽輪機改造方案一的熱力計算結(jié)果

表3 汽輪機改造方案二的熱力計算結(jié)果

(1)

式中：G0——主蒸汽流量，t/h；

h0——主蒸汽焓，kJ/kg；

hf——給水焓(kJ/kg)。

2.2 汽輪機優(yōu)化改造的新技術(shù)

通過采用先進的整體通流優(yōu)化設計技術(shù)、高效彎扭葉片設計技術(shù)、三維彎扭馬刀型動葉片與靜葉片、末級905 mm長葉片、低壓缸進汽口與排汽缸等汽輪機通流部分優(yōu)化設計技術(shù)，以顯著提高汽輪機的效率為主要技術(shù)手段來增大汽輪機的功率。采用整體圍帶葉片、新型整體高壓內(nèi)缸、新型斜撐板低壓內(nèi)缸等成熟結(jié)構(gòu)，簡化汽缸內(nèi)部組件結(jié)構(gòu)，明顯改善機組密封性，以提高汽輪機的安全性，有利于加工、安裝與檢修的質(zhì)量保障，也有利于電廠現(xiàn)場裝配與檢修，有效縮短了現(xiàn)場的安裝、調(diào)試與檢修時間。

保留原有汽輪機外缸，兩個改造方案的相同部分包括：汽輪機優(yōu)化升級改造的部件包括高壓轉(zhuǎn)子、高壓靜葉片與動葉片、高壓內(nèi)缸、低壓轉(zhuǎn)子、低壓靜葉片與動葉片、低壓內(nèi)缸、低壓軸承、DEH系統(tǒng)等。汽輪機改造方案二和改造方案一的主要區(qū)別是，改造方案二還更換了主汽調(diào)節(jié)閥、外缸軸封、高低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓、低壓轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器等部件。

2.3 汽輪機問題的消缺措施

針對秦一廠核電汽輪機320 MW負荷附近高壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性不佳問題，通流改造后高壓調(diào)節(jié)閥進汽量增加后調(diào)節(jié)閥特性會進一步惡化的問題，高壓調(diào)節(jié)閥的改造方案一是替換閥芯部分，以改善高壓調(diào)節(jié)閥密封性；高壓調(diào)節(jié)閥的改造方案二是更換兩個高壓主汽調(diào)節(jié)閥。結(jié)合汽輪機DEH控制系統(tǒng)的改造，給出綜合的解決方案。

針對到夏季高溫天氣發(fā)生的汽輪機2號軸瓦回油溫度超過報警值的問題，推薦采用32號潤滑油、采板式換熱器、提升工業(yè)水泵功率(流量)等三條消缺措施?？紤]到2016年與2017年夏季的高溫，2號軸瓦回油還有可能超過報警值，不能等到2018年改造中再解決這些問題，建議在下一次大修中安排相關(guān)項目，實施改進措施，以保證汽輪機的安全運行。

3 發(fā)電機優(yōu)化升級改造采用新技術(shù)

3.1 發(fā)電機改造方案基本參數(shù)

發(fā)電機改造方案一，通過更換轉(zhuǎn)子線圈、護環(huán)、勵磁系統(tǒng)、空氣冷卻器、水系統(tǒng)以及監(jiān)測系統(tǒng)等易損件，定子線圈導線截面不變，轉(zhuǎn)子線圈導線截面放大，轉(zhuǎn)子線圈絕緣減薄，提高發(fā)電機功率，適當提高功率因數(shù)，發(fā)電機具備增容到340 MW的能力。

發(fā)電機改造方案二，在改造方案一的基礎(chǔ)上，再更換定子線圈，定子與轉(zhuǎn)子線圈導線截面均放大，定子與轉(zhuǎn)子線圈絕緣均減薄，提高發(fā)電機功率，發(fā)電機增容到350 MW。更換定子線圈后，秦一廠核電汽輪發(fā)電機改造后功率可以達到350 MW。

發(fā)電機原方案基本參數(shù)列于表4，發(fā)電機兩個優(yōu)化升級改造方案的基本參數(shù)列于表5。

表4 發(fā)電機原設計方案基本參數(shù)

表5 發(fā)電機兩個優(yōu)化升級改造方案基本參數(shù)

3.2 發(fā)電機優(yōu)化改造的新技術(shù)

秦一廠320 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機屬于第一代大型汽輪發(fā)電機，1000 MW火電與核電汽輪發(fā)電機技術(shù)屬于第三代汽輪發(fā)電機。改造方案二定子線圈的絕緣設計，采用成熟的18 kV汽輪發(fā)電機定子絕緣三代新技術(shù)，線圈絕緣工作場強由原來的2.0 kV/mm提高到2.5 kV/mm；開發(fā)新型線圈內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)和防暈結(jié)構(gòu)，提高定子線圈絕緣及電氣性能。通過對發(fā)電機端部固定絕緣方式的研究, 開發(fā)發(fā)電機定子整機防暈結(jié)構(gòu)。采用低、中、中高、高阻帶相結(jié)構(gòu)的高電壓防暈結(jié)構(gòu)，以降低溫升。更換上下層定子線圈，采用第三代發(fā)電機技術(shù)，調(diào)整定子線圈空、實心導線尺寸，定子線圈導線截面積增加約9.3%。應用1000 MW核電汽輪發(fā)電機技術(shù)，定子線棒上下層連接采用球型接頭技術(shù)，并采用絕緣盒灌膠固化代替手包云母帶絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣可靠性更好，免去了端部電位外移法測量絕緣表面電位。應用1000 MW火電汽輪發(fā)電機技術(shù)，定子線圈端部采用了整體灌膠固定結(jié)構(gòu)，減小端部線圈受到應力，提高端部線圈防暈能力以及端部線圈整體性和阻尼系數(shù)，并可以防止異物進入、提高端部防水、防灰能力。

更換發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈及其絕緣件、墊塊，轉(zhuǎn)子線圈導線截面積增加約5.84%。更換汽側(cè)、勵側(cè)護環(huán)及護環(huán)絕緣，護環(huán)材料由原來的18Mn5Cr4WN改為強度更好的1Mn18Cr18N。更換轉(zhuǎn)子主引線、引水拐角、絕緣引水管、密封件等。取消發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵端聯(lián)軸器，更改軸頭。發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵側(cè)新配一套進水管，利用原有刷架底架，新制作一套進水支座，更換新設計的安全型刷架、底架和外罩。

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機原設計方案，采用三機勵磁系統(tǒng)，改造方案一和改造方案二均采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。通過發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)由三機勵磁改為靜態(tài)勵磁，具有軸系縮短、效率提高、運行可靠性提高、勵磁系統(tǒng)響應速度提高等優(yōu)點。增加勵磁變壓器，若增容至340 MW，勵磁變壓器容量為3000 kVA，變比18 kV/0.95 kV(考慮8%裕度)；若增容至350 MW，勵磁變壓器容量為3150 kVA，變比18 kV/0.97 kV(考慮8%裕度)。

采用EPC增容改造服務模式，對秦一廠320 MW汽輪發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)進行技術(shù)升級和優(yōu)化改造。制造商承包所有與發(fā)電機相關(guān)設備的性能診斷、工程設計、現(xiàn)場改造施工、試驗等工作，并提供個性化定制的一條龍服務。

3.3 發(fā)電機機問題的消缺措施

通過空冷器改造，滿足增容后發(fā)電機冷卻的需要。用穿片式空氣冷卻器替代原有的繞簧式冷卻器，在空冷器小室位置不變的前提下，提高換熱器的換熱效率及換熱功率，消除夏季發(fā)電機風溫超過原設計40 ℃報警值以及汽側(cè)和勵側(cè)存冷風約有8 ℃的溫差等缺陷。

針對現(xiàn)有發(fā)電機機座結(jié)構(gòu)，兩個改造方案采用了防漏磁設計，預防機座端部溫度隨增容進一步升高。改造方案二對發(fā)電機定子線圈結(jié)構(gòu)進行了重新設計優(yōu)化，定子端部結(jié)構(gòu)采用1000 MW火電及1000 MW核電汽輪發(fā)電機的先進成熟技術(shù)，改進定子線圈端部冷卻風路設計，以消除發(fā)電機機座兩端表面溫度過高缺陷，降低發(fā)電機座端部表面溫度。

4 經(jīng)濟效益與社會效益分析

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組的優(yōu)化升級改造之前的機組功率為320 MW，優(yōu)化升級改造的經(jīng)濟效益與社會效益分析取改造后的平均功率，即改造方案一的平均功率為335 MW，改造方案二的平均功率為345 MW。根據(jù)電力可靠性管理中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[4]，秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組的利用小時，取2004年至2013年10年的平均利用小時數(shù)TUTH為7744.455 h。秦一廠320 MW核電機組優(yōu)化升級改造后，每年新增發(fā)電量計算公式為

ΔGAG=(NOLE-N0)TUTH

(2)

式中：ΔGAG——發(fā)電機組每年新增發(fā)電量；

NOLE——發(fā)電機組優(yōu)化升級改造后的功率；

N0——發(fā)電機組優(yōu)化升級改造前的功率；

TUTH——年利用小時數(shù)。

分析經(jīng)濟效益時，上網(wǎng)電價近似取浙江省火電機組上網(wǎng)電價范圍的下限值0.3853元/kW·h(0.3853～0.4226元/kW·h)[5]。為了簡化分析，假定改造前后的廠用電量、核能成本等運營成本與各種稅率的變化忽略不計。分析社會效益時，供電煤耗取2019年全國火電機組平均值307 g/kW·h[6]，按晉北煙煤計算,燃用1 t標準煤產(chǎn)生2.804 2 t CO2、0.016 45 t SO2和0.003 729 t NOx[7]。秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組的優(yōu)化升級改造方案的經(jīng)濟效益與社會效益的分析結(jié)果列于表6。由表6知，兩個改造方案的經(jīng)濟效益良好，節(jié)能減排社會效益顯著，可以為浙江省“技術(shù)減煤”做出積極貢獻。綜合考慮經(jīng)濟與社會效益，改造方案二比改造方案一更優(yōu)。

表6 經(jīng)濟效益與社會效益分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)鑒于秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組原設計壽命是30年，實施運行許可證延續(xù)，有必要對秦一廠320 MW汽輪機和發(fā)電機進行優(yōu)化升級改造，使汽輪發(fā)電機組的使用壽命再延長20年。

2)秦一廠320 MW核電汽輪機原設計通流部分共有46級，其中有34級葉片(高壓缸9×2，低壓缸4×2×2)為等截面直葉片，另有兩個低壓缸末三級共有12級葉片(3×2×2)為早期設計的扭葉片，與同類型機組的先進水平相比有明顯差距。

3)對秦一廠汽輪機與發(fā)電機的優(yōu)化升級改造方案進行了深入的研究，得出了汽輪機與發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)的優(yōu)化升級改造的兩個方案，方案一增容至340 MW，方案二增容至350 MW，并針對存在問題提出了消缺措施，工程上可行。

4)秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組的兩個優(yōu)化升級改造方案，主要通過提高汽輪發(fā)電機組的效率來達到提效增容的效果，所采用的汽輪機先進的整體通流優(yōu)化技術(shù)和第三代發(fā)電機技術(shù)均是成熟技術(shù)，技術(shù)方案先進，技術(shù)路線合理可行。

5)秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機組優(yōu)化升級改造目的實施，可以實現(xiàn)已有發(fā)電設備資產(chǎn)的增值，兩個優(yōu)化升級改造方案，經(jīng)濟效益與社會效益顯著。綜合考慮經(jīng)濟效益與社會效益，推薦更優(yōu)的改造方案二。

6)秦一廠320 MW核電機組OLE項目的汽輪發(fā)電機組優(yōu)化升級改造技術(shù)方案，涉及延壽、提高效率、增容、消缺和提高經(jīng)濟效益與社會效益等內(nèi)容。優(yōu)化升級改造技術(shù)方案的深入細致的研究工作，為改造項目的成功實施，奠定了扎實的技術(shù)基礎(chǔ)，并制定了美好的“藍圖”。

致謝：本項目的有關(guān)工作，得到了楊宇、鄧志成、汪勇、徐佳敏以及齊漣、鄒遠波、山雪峰等人的大力支持，在此深表謝意。