大型壓水堆核電汽輪機(jī)再熱壓力的選擇

衛(wèi)棟梁 李曦濱 井芳波 宋 萍 夏開(kāi)君

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

大型壓水堆核電汽輪機(jī)再熱壓力的選擇

衛(wèi)棟梁 李曦濱 井芳波 宋 萍 夏開(kāi)君

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

本文介紹了大型核電汽輪機(jī)組再熱壓力合理選擇的方法， 論證了國(guó)內(nèi)在建的大型壓水堆核電汽輪機(jī)組MSR最佳再熱壓力范圍。

核電；汽輪機(jī)；再熱壓力

0 引言

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)在建和投運(yùn)的大型核電機(jī)組的主流機(jī)型有 CPR1000、 AP1000 及 EPR 等。 自主設(shè)計(jì)的 CAP1400、 ACP1000 等大型核電機(jī)組也已開(kāi)展了設(shè)計(jì)。

這些核電機(jī)組普遍采用二級(jí)再熱的 MSR 系統(tǒng)。汽輪機(jī)的排汽已帶有微量濕度，若不采用再熱措施， 汽輪機(jī)排汽濕度將超過(guò) 20%， 不僅低壓缸效率降低，并且遠(yuǎn)超出末級(jí)葉片許用范圍。所以核電機(jī)組必須采用汽水分離再熱器 （Moisture Separate Reheater， 簡(jiǎn)稱 MSR）來(lái)提高汽輪機(jī)的排汽干度。

圖1 為 1000MW～1700MW 壓水堆核電機(jī)組的主蒸汽流程圖。反應(yīng)堆出口濕蒸汽進(jìn)入一單流高壓缸膨脹做功后， 高壓排汽進(jìn)入 MSR， MSR 出口的干蒸汽再進(jìn)入一單流中壓缸做功，中壓缸排汽進(jìn)入多個(gè)雙流低壓缸做功，低壓排汽的乏汽進(jìn)入凝汽器。

圖1 壓水堆核電機(jī)組的主蒸汽流程圖

圖2 為核電和火電機(jī)組蒸汽膨脹過(guò)程線。從圖中可以看出， MSR 作用一定程度上和火電機(jī)組再熱系統(tǒng)類似，其作用可以減小汽輪機(jī)排汽濕度，提高機(jī)組循環(huán)效率。火電機(jī)組的最佳再熱壓力一般可以通過(guò)分析論證得到。核電機(jī)組最佳再熱壓力 （本文將汽水分離器入口壓力稱之為再熱壓力）也需要通過(guò)論證分析得到每種機(jī)型的最佳再熱壓力范圍。本文將通過(guò)對(duì)不同主汽參數(shù)、不同功率等級(jí)的核電機(jī)組計(jì)算、分析來(lái)找出典型核電機(jī)組最佳再熱壓力范圍。

圖2 核電和火電機(jī)組蒸汽膨脹過(guò)程線

1 MSR

MSR 由汽水分離器和兩級(jí)再熱器組成， 圖3為MSR縱剖面圖。

1.1 汽水分離器

汽水分離器是將帶有一定濕度的蒸汽進(jìn)行汽水分離， 分離后的蒸汽濕度可達(dá)到 0.5%， 接近飽和蒸汽。

1.2 再熱器

再熱器作用為將汽水分離器出口的飽和蒸汽加熱為干蒸汽。理論上再熱器級(jí)數(shù)越多機(jī)組循環(huán)效率越高，但隨著再熱級(jí)數(shù)增加，機(jī)組循環(huán)效率增加幅度變小。

MSR 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 （圖3 為 MSR 的典型結(jié)構(gòu)之一）、 設(shè)計(jì)難度大且機(jī)組投資成本增加。 所以當(dāng)代核電機(jī)組普遍采用兩級(jí)再熱。其中一級(jí)再熱蒸汽從高壓某級(jí)后抽汽，抽汽壓力按照各加熱器等焓升分配原則選取。被加熱蒸汽在再熱器出口溫度由抽汽壓力和加熱器端差確定。

圖3 MSR 縱剖面圖

2 再熱壓力的選取

2.1 計(jì)算模型

最佳再熱壓力的選取與 MSR出口溫度緊密相連， 而MSR 出口溫度由主蒸汽參數(shù)確定， 所以不同的反應(yīng)堆對(duì)應(yīng)的最佳再熱壓力范圍應(yīng)有差異。本文將 CPR1000、 CAP1400、 EPR 三種壓水堆作為模型進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 計(jì)算原則和條件

為了確保計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性，每種機(jī)組均按照下列條件進(jìn)行計(jì)算。

·機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)、排汽壓力、反應(yīng)堆熱功率保持額定值；

·通過(guò)變化再熱壓力，重新設(shè)計(jì)汽輪機(jī)的通流；

·計(jì)算邊界條件如電機(jī)效率、機(jī)械損失、回?zé)峒?jí)數(shù)、 加熱器端差、 抽汽管道壓損、 MSR 端差、壓損等保持一致。

·計(jì)算分析采用經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證的綜合熱平衡軟件。

2.3 再熱壓力與功率關(guān)系曲線

在保證汽輪機(jī)末級(jí)濕度在允許范圍內(nèi)前提條件下，對(duì)每種機(jī)型選取了不同的再熱壓力進(jìn)行計(jì)算。

熱力計(jì)算的結(jié)果表明再熱壓力與機(jī)組功率關(guān)系曲線為開(kāi)口向下的拋物線形式 （見(jiàn)圖4）。 隨著主蒸汽壓力的升高，拋物線的頂端向右偏移，即最佳的再熱壓力隨主汽壓力的升高而升高。由此可以得到最佳再熱壓力和主蒸汽壓力是相關(guān)的。

隨著主汽壓力越高， MSR 出口溫度上升， 機(jī)組中低壓膨脹過(guò)程線右移，中低壓可利用的焓降縮短，適當(dāng)提高再熱壓力可使蒸汽在中低壓缸充分膨脹，提高機(jī)組循環(huán)效率，所以隨著主汽壓力的升高，再熱壓力與功率關(guān)系曲線向右移動(dòng)。

圖4 再熱壓力與機(jī)組功率關(guān)系曲線

表1列出了再熱壓力變化引起的相關(guān)參數(shù)的定性變化趨勢(shì)。

再熱壓力過(guò)高，高壓排汽濕度減小，但高壓可用的總焓降減小；中低壓可用的總焓降雖然增加，但中低壓部分級(jí)次過(guò)早地進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，造成中低壓效率迅速下降；反之，再熱壓力過(guò)低，高壓可用的總焓降增大，但高壓排汽濕度增大，高壓缸效率減小，中低壓效率雖有上升趨勢(shì)，但其可利用的焓降減小。所以再熱壓力過(guò)高或過(guò)低均會(huì)引起汽輪機(jī)組循環(huán)效率下降。

表1 再熱壓力變化引起的相關(guān)參數(shù)的定性變化趨勢(shì)

2.4 實(shí)際工程的最佳再熱壓力范圍的選取

再熱壓力的選取對(duì)汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性及相關(guān)部件及整個(gè)電廠的設(shè)計(jì)具有重大的影響。圖5為國(guó)內(nèi)首臺(tái)百萬(wàn)等級(jí)核電機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際布置的照片， 從圖中可以看到， MSR的尺寸和汽輪機(jī)的本體部件相當(dāng)，已成為主機(jī)之一。從高壓缸排汽至再熱入口的部件主要有高壓排氣管、MSR本體、 再熱熱段管道及再熱閥門(mén)等。 這些部件的尺寸直接和再熱壓力的選擇相關(guān)。

圖5 國(guó)內(nèi)首臺(tái)百萬(wàn)等級(jí)核電機(jī)組實(shí)際布置圖

在工程設(shè)計(jì)中要充分考慮再熱壓力變化后對(duì)設(shè)備本身尺寸加大帶來(lái)的影響 （尺寸、 電廠布置、重量、 運(yùn)輸?shù)龋?由于核電機(jī)組蒸汽流量巨大的原因，所以特別在大容量機(jī)組的設(shè)計(jì)中要充分考慮。

鑒于此原因， 超大容量 （例如 EPR）、 較低進(jìn)汽參數(shù)的核電機(jī)組的再熱壓力，可以適當(dāng)取得高一些。這對(duì)優(yōu)化機(jī)組尺寸、電廠布置和平衡投資是特別有效的。

表2 列出了當(dāng)前世界最大單機(jī)容量的 EPR 核電機(jī)組在不同的再熱壓力設(shè)計(jì)時(shí)的高壓排汽管、中壓蝶閥的尺寸變化情況。可以看出，當(dāng)再熱壓力變化時(shí)，相關(guān)管道和設(shè)備的尺寸將發(fā)生很大的變化，需進(jìn)行綜合考慮。

表2 EPR機(jī)組在不同的再熱壓力設(shè)計(jì)時(shí)的高壓排汽管、中壓蝶閥的尺寸變化情況

根據(jù)國(guó)際上核電工程的經(jīng)驗(yàn)，早期的部分核電汽輪機(jī)發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕 （SCC）問(wèn)題， 嚴(yán)重影響了核電機(jī)組的可靠性。低壓汽輪機(jī)的應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在過(guò)熱區(qū)向濕蒸汽的過(guò)渡區(qū) (即wilson 區(qū))。 核電汽輪機(jī)膨脹線和飽和線的交點(diǎn)顯著高于再熱火電機(jī)組的交點(diǎn) （見(jiàn)圖2）。 所以核電機(jī)組的部件在過(guò)渡區(qū)的工作溫度高于火電機(jī)組，可達(dá) 30℃左右。

研究表明應(yīng)力腐蝕的程度和溫度密切相關(guān)，溫度愈高腐蝕惡化愈加劇烈。通過(guò)優(yōu)化再熱壓力，可以降低過(guò)渡區(qū)的工作溫度，將應(yīng)力腐蝕控制在合理的范圍內(nèi)，確保機(jī)組的可靠性。

根據(jù)以上綜合分析，得到壓水堆核電機(jī)組主汽壓力與最佳再熱壓力范圍 （見(jiàn)圖6）， 一般為主汽壓力的 13%～18%。

圖6 壓水堆核電機(jī)組主汽壓力與最佳再熱壓力范圍圖

表3列出了當(dāng)前已完成設(shè)計(jì)的核電機(jī)組再熱壓力參數(shù)。 從圖6 可以看出， CPR1000、 AP1000、EPR 壓水堆核電機(jī)組再熱壓力均處于上述論證的最佳再熱壓力范圍之內(nèi)。這些機(jī)組已有部分機(jī)型成功投運(yùn)，投運(yùn)機(jī)組性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)合理，其中合理選擇再熱壓力作出了貢獻(xiàn)。

表3 已完成設(shè)計(jì)的核電機(jī)組再熱壓力參數(shù)表

3 結(jié)論

通過(guò)詳細(xì)計(jì)算分析，得到了當(dāng)代大型壓水堆核電機(jī)組最佳再熱壓力的范圍，其可靠性得到了工程驗(yàn)證。自主設(shè)計(jì)的核電汽輪機(jī)組亦可采用同樣的方法得到合理的再熱壓力值。

The Option of Large Pressure Water Reator Nuclear Power Reheat Pressure

Wei Dongliang， Li Xibin， Jing Fangbo， Song Ping， Xia Kaijun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The paper introduced the way how to choose reheat pressure for nuclear power steam turbine.The optimum reheat pressure range was also introduced for nuclear power plantunder construction in china.

nuclear power,steam turbine,reheat pressure

衛(wèi)棟梁 （1978-）， 男， 工程師， 2001 年畢業(yè)于太原理工大學(xué)， 長(zhǎng)期從事汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)工作。