核電汽輪機的特點分析

黃鵬飛 黃 偉

（1.海南核電有限公司，海南 昌江 572700；2.國網吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130021）

0 引言

世界核電發展已經走過半個世紀的歷程，其作為一種清潔能源，技術已經成熟，安全可靠性得到了實踐驗證，供應能力較強，已成為國家能源電力戰略的重要組成部分。本文通過對核電汽輪機和常規火電汽輪機的比較，了解了核電汽輪機獨有的設計特點以及與火電機組的差異。

1 核電廠汽輪機概述

汽輪機是將蒸汽的熱能轉換成機械能的蝸輪式機械。它的主要用途是在熱力發電廠中做帶動發電機的原動機。在采用化石燃料（煤、石油和天然氣）和核燃料的發電廠中，基本上都采用汽輪機作原動機。有時，汽輪機還直接用來驅動泵，以提高電廠的經濟性或安全性。

來自蒸汽發生器的高溫高壓蒸汽經主汽閥、調節閥進入汽輪機。由于汽輪機排氣口的壓力大大低于進汽壓力，蒸汽在這個壓差作用下向排氣口流動，其壓力和溫度逐漸降低，部分熱能轉換為汽輪機轉子旋轉的機械能。做完功的蒸汽稱為乏汽，從排氣口排入凝汽器，在較低的溫度下凝結成水。此凝結水由凝結水泵抽出送往蒸汽發生器構成封閉的熱力循環。為了吸收乏汽在凝汽器放出的凝結熱，并保持較低的凝結溫度，必須用循環水泵不斷地向凝汽器供應冷卻水。由于汽輪機的尾部和凝汽器不能絕對密封，其內部壓力又低于外界大氣壓，因而會有空氣漏入，最終進入凝汽器的殼側。若任空氣在凝汽器內積累，必使凝汽器內壓力升高，導致乏汽壓力升高，減少蒸汽對汽輪機做的有用功；同時積累的空氣還會帶來乏汽凝結放熱的惡化。這兩者都會導致熱循環效率的下降，因而必須將凝汽器殼側的空氣抽出。

2 核電汽輪機特點

2.1 核電汽輪機基本特點

2.1.1 蒸汽初參數低且濕度大

反應堆供給汽輪機的蒸汽參數較低,壓力一般為4.0～7.0MPa，濕度為0.25%～0.40%，溫度大約270℃，即為略帶濕度的飽和蒸汽。這比常規火電汽輪機初參數低得多。

在常規火電機組中蒸汽大部分處于過熱蒸汽狀態，只有在低壓缸末幾級處于濕蒸汽狀態下。核電汽輪機只有低壓缸前幾級處于過熱狀態，其余部分都處于飽和線之下的濕蒸汽狀態。

2.1.2 進汽量和容積流量大

由于核電汽輪機初參數低,其有效焓降僅為常規火電汽輪機的50%左右,致使同等功率機組,核電汽輪機的進汽量是火電機組的2倍,而容積流量則為4～6倍,同時疏水量也猛增。

2.1.3 單機功率大且承擔基本負荷

因為核電站投資成本高,運行費用低,所以核電汽輪機都設計成大功率的,并承擔電網的基本負荷。近期投運的機組,功率均在600～1500MW之間,最大的單機功率已達到1580MW（法國），并準備生產2000MW的機組,以進一步降低成本。

2.2 核電汽輪機設計制造特點

2.2.1 結構

由于蒸汽初參數低和容積流量大,核電汽輪機在設計制造時,絕大多數采用1個高壓缸加2～4個低壓缸的結構。相同功率的常規火電汽輪機,毫無例外地由1個高壓缸、1個中壓缸再加1～2個低壓缸。核電汽輪機一般無中壓缸,高壓缸都是雙流程,和火電汽輪機中壓缸一樣。低壓缸由于容積流量大需要較大排汽面積,一般為2個 (600～700MW)或3～4個(1200MW以上),其汽缸體積大、重量大。

2.2.2 轉速選擇

常規火電汽輪機多采用全速(3000r/min或3600r/min)，極少采用半速(1500r/min或1800r/min)。核電機組因為進汽量和排汽容積流量很大,所以有必要采用半速機組。

2.2.3 材料使用方面的特點

核電汽輪機進汽參數低，高溫、高壓的濕蒸汽具有極強的侵蝕性，因此核電汽輪機選材考慮的主要問題是材料的防侵蝕性能。在濕蒸汽環境中工作的汽輪機受到的侵蝕一般有沖擊侵蝕、縫隙侵蝕和沖刷侵蝕三種。

2.2.4 去濕、防蝕及汽水分離再熱器（MSR）

基于臺風“珍珠”(2006)ARW-WRF(版本2.2)分辨率為2 km的模擬資料,利用諧波分析和渦度收支分析方法,對臺風“珍珠”螺旋雨帶的發展機制進行了討論,結論如下:

核電站二回路的蒸汽參數低,進汽為飽和蒸汽,工作段大部分為濕蒸汽,所以要采取去濕、防蝕、提高蒸汽干度的措施,以保證核電的安全,并提高效率。

在核電汽輪機中必須增設汽水分離再熱器 (MSR),其作用是:將高壓缸排汽引入MSR,對濕蒸汽進行汽水分離,去除其中水分后,再用抽汽或新汽對其進行再熱,使蒸汽進入低壓缸前有70～80℃的過熱度,最終的排汽濕度控制在10%左右,以提高效率、保證機組安全。如秦山核電站采用兩級再熱,熱效率提高2.2%,更重要的是保證了機組安全。

2.2.5易超速

由于核電汽輪機組多數級工作在濕蒸汽區，通流部分及管道表面覆蓋一層水膜，導致機組甩負荷時，壓力下降，水膜閃蒸為汽，引起汽流速迅增，這是核汽輪機組易超速的主要原因。為防止超速，采用下列措施：

（1）完善汽輪機的去濕和疏水結構，減少部件和通道中凝結水。

（2）在汽水分離再熱器后蒸汽進入低壓缸前的官道上裝備快速關閉的截止閥。

2.3核電汽輪機運行維護特點

2.3.1運行特點

2.3.2 運行性能考核特點

火電汽輪機的運行考核要求為滿負荷下連續運行168h，且平均負荷率需達到95%～100%，主要設備完好，現場無跑、冒、滴、漏現象。而對于核電汽輪機的運行考核要求為在滿負荷下連續運行100h，除此之外核電汽輪機的運行考核還額外增加了示范運行的要求。示范運行是指500h的連續運行，目的是驗證機組在啟動、停機、部分負荷運行、變負荷和商業運行所要求的在滿負荷運行條件下的可靠性。示范運行應該在機組升負荷結束，反應堆達到額定熱功率(RTO)后開始。進行示范運行時，要求實際功率不得低于額定功率的80%，在不是供應方的原因造成的機組達不到額定功率的情況下盡可能地接近額定功率。

2.3.3 維護特點

由于核電汽輪機工作蒸汽為飽和蒸汽，經過汽輪機作功后濕度較大，一般對于汽輪機零部件的沖刷比較大，因此維護時注意檢查結合面的漏汽、零部件的侵蝕、管道的沖刷腐蝕、疏水的排放情況等。從核電汽輪機的維護特點而言與常規火電相比沒有太大的區別。

［1］顧國華，俞堅清．壓水堆核電汽輪機的特點[J]．動力工程,1994(14):16－22.

［2］崔宏博．核電汽輪機組特點研究[J]．東方電氣評論,2005(12):192－199.

［3］翦天聰．汽輪機原理[M]．北京:電力出版社,2002:68－74.