核電廠汽輪機功率背壓特性分析

吳其方，王志強

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

核電廠汽輪機功率背壓特性分析

吳其方，王志強

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

文章采用通用計算法對某核電廠投標廠家所提供的汽輪機功率背壓特性曲線進行了校核分析。通過功率背壓特性曲線的分析對比，論證該核電廠汽輪機冷端優化，判斷在該核電廠現有廠址條件下汽輪發電機組投標方案中凝汽器面積設置的合理性。

核電廠；汽輪機；功率背壓特性；分析

核電廠與火電廠的蒸汽熱力系統相比，核電廠的初參數低且濕度大，核電機組蒸汽參數低為略帶濕度的飽和蒸汽，這比常規火電發電機組初參數低得多；核電汽輪機有效焓降僅為常規火電汽輪機的50%左右， 所以汽輪機的進汽量和容積流量大，同等電功率核電汽輪機的進汽量是火電汽輪機組的2倍，而容積流量則為4～6倍，因此核電廠投資費用比較高［1］。核反應堆的熱功率高，相對應的汽輪機設計容量通常很大，單機功率高；與火電機組相比，核電機組的啟停速度慢而且功率調節能力較差，因此核電機組在電網發電機組結構中通常為大功率機組，承擔電網的基本負荷。常規島的汽輪發電機應盡可能地選擇最大的功率輸出，即最大限度地將核反應堆熱功率轉換為電站輸出的有用功率（電功率），以提高核電廠的經濟性能指標。另一方面，壓水堆核電站的熱效率較低，一般為30%～35%；核反應堆的堆功率和主蒸汽參數等相對固定，反應堆型號確定后，與之相匹配的汽輪機功率等級也就確定；為使其熱力系統達到最佳狀況，提高其熱效率，可通過改進汽輪機的通流部分結構、對回熱系統進行設計優化、優化汽輪機冷端參數等措施，來盡可能地增大汽輪機的出力。

大功率機組末級長葉片發出的功率約占機組總功率的10%，汽輪機的通流部分結構優化，主要指增大末級葉片，以增加排汽面積，減少余速損失。末級葉片的研發與生產受到材料及制造工藝的制約，一種新的末級長葉片的設計制造周期很長，所以制造廠一般采用已經成熟的定型產品，不會為某個核電廠專門設計制造新型號葉片［7］。核電站二回路的汽水分離再熱加7級抽汽回熱系統設計，經過世界上絕大多數的核電機組運行證明是成熟、可靠、經濟的，改進提高的空間很小。對新建核電廠來說，結合電廠址自身條件對汽輪機的冷端參數進行優化是提高電廠經濟性的最有效途徑之一。

1　 功率背壓特性

汽輪機功率背壓特性指的是末級葉片在背壓微小變化情況下，機組功率與之對應發生的變化，功率與背壓的變化曲線是汽輪機冷端優化的重要參考，也稱為微增出力曲線［3］。在高于阻塞背壓范圍內，隨著汽輪機背壓降低，汽輪機出力隨之增大，為保證換熱充分，凝汽器的冷卻面積隨之增大。

在變工況計算中，通常認為調節級和末級變化較大，而其他壓力級組在工況變化不大時，效率基本不變；但當調節閥開度不變，調節級通流面積不變時，可認為調節級相對內效率基本不變，也就是說，背壓變化將主要影響末級相對內效率，因而只核算末級工況變化引起機組功率變化就足夠。對凝汽式汽輪機，背壓微小變化時，末級相對內效率的變化主要是由于末級余速損失的變化引起的，其他損失較小可以忽略。當不計排汽缸的損失和凝汽器喉部的阻力損失時，則認為凝汽器壓力等于汽輪機的背壓，在正常運行時，可認為凝汽器壓力變化對機組運行功率的影響等同于汽輪機背壓變化對機組功率的影響。

采用通用汽輪機微增出力計算汽輪機背壓變化時的功率所發生的變化，圖1為通用計算法示意圖，以下3個公式為功率變化計算公式。

式中：G——通過末級葉片的蒸汽流量；

i——焓值；

ζ——余速損失系數取0.85；

hc——末級后無擴壓器時的余速損失；

F——末級排汽面積；

Ca——末級排汽軸向速度；

r——代表額定工況；

s——代表夏季工況。

利用汽輪機微增出力的通用計算方法不僅可以實時計算出汽輪機冷端參數變化時汽輪機功率的變化值，可在缺少廠商提供的微增出力曲線的情況下對冷端系統進行預優化，同時采用這組公式可以簡單地計算功率背壓變化曲線，反過來也可以對廠家提供的曲線進行校核，以判斷設備選取情況是否合理［2］。

2　 汽輪機組背壓特性

汽輪發電機組采購招標時，常規島設計單位按技術規格書的要求提供了機組參數表及熱力系統平衡圖。廠家通過熱力平衡和通流截面的計算，給出了汽輪發電機組的功率背壓特性曲線圖（見圖2）。由于受廠址條件前期模化分析的限制，在技術規格書中已經要求TMCR工況時的凝汽器真空為5.1 kPa，海水循環冷卻水的流量限定為59 m3/s［5］。

3　 采用通用計算方法校核

該核電廠汽輪發電機招標時已經確定了最大循環冷卻水量，也確定了TMCR的凝汽器壓力，汽輪機的相對內效率是決定發電機組功率的關鍵。某汽輪機發電機組廠家提供了末級排汽面積，同時也提供TMCR及夏季工況（CCR）下的熱力平衡圖，因此可以采用通計算方法對廠家的CCR工況進行微增出力計算，并對CCR工況進行背壓曲線校核。經過計算，通用算法下CCR工況約降低功率6.68 %。

經過校核后的功率背壓特性曲線如圖3所示。

圖1　功率背壓通用計算示意圖Fig.1　General-purpose computing of power back-pressure

圖2　汽輪發電機組的功率背壓特性曲線圖Fig.2　Characteristic curve of turbine power back-pressure

4　 結論

循環冷卻水建立了凝汽器真空，在蒸汽初參數不變情況下，凝汽器壓力的高低對機組出力影響很大。在凝汽器壓力降到阻塞壓力前，隨著真空的降低，末級葉片蒸汽焓降不斷大，汽輪機出力增加。冷端優化簡單地說就是對汽輪發電機組的凝汽器進行優化設計，根據經濟性最大化的原則，找到設計的最佳背壓和冷卻系統的最佳配置。在凝汽器熱力設計時，在汽輪機的排汽量、排汽焓（汽輪機的熱力特性）確定后，通過技術經濟比較，綜合地確定凝汽器壓力、冷卻面積、冷卻水量的最佳值［6］。在制造廠末級葉片型號已經確定的情況下，核電廠冷端優化主要因素為冷卻水量及溫升、凝汽器換熱面積、背壓。冷端優化的目的就是對機組設計背壓、機組微增功率、凝汽器換熱面積、循環水冷卻倍率及凝汽器進水溫度等參數進行多方案比選。

以上采用通用算法進行校核，廠家提供的功率背壓曲線在CCR工況下的數值要低于校核的數據。也就是說在背壓升高時，微增出力的變化實際上應該是平緩一些，理論上驗證了結合循環冷卻水量可以進一步優化TMCR工況時所選定的背壓。在現有廠址冷卻水條件下，增大凝汽器面積，在適當的范圍降低背壓，有利于盡可能地提高單個核電汽輪機組的功率。從電站運行經濟性的角度來說，與所增加的設備及工程投資相比，后期運行產生的效益顯然可觀［4］。

圖3　校核后汽輪發電機組的功率背壓特性曲線圖Fig.3　Characteristic curve of turbine power back-pressure (After checking)

［1］ 王世勇，柯嚴，徐大懋.核電站汽輪機冷端系統優化［J］.熱力透平，2008，37（4）：230-234.（WANG Shi-yong，KE Yan，XU Da-mao. Optimization for the Cold End System of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Thermal Turbine， 2008，37（4）， 230-234.）

［2］ 徐大懋，柯嚴，等.汽輪機微增出力通用計算方法及應用研究［J］.熱能動力工程，2010，25（6）：605－608.（XU Da-mao， KE Yan. Common Calculation Method and Applied Study for Turbine Slight Increasing Output［J］. Thermal Power Engineering， 2010， 56（6）， 605-608.）

［3］ 林湖，周蘭欣，等.背壓變化對汽輪機功率影響的計算修正［J］.汽輪機技術，2004，46（1）：18-20.（LIN Hu， ZHOU Lan-xin， et al. Calculation Correction for Backpressure Changes on Steam Turbine Power［J］. Turbine Technology， 2004，46（1）， 18-20.）

［4］ 羌成仁，歐陽仲華.核電站汽輪機冷端優化［J］.能源技術，2005，26（3）：131-133.（QIANG Cheng-ren， OUYANG Zhong-hua. Optimization of the Cold End of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Energy Technology， 2005， 26（3）， 131-133.）

［5］ 黃家運，夏云，等.ACP1000汽輪發電機技術規范書［R］，上海：華東電力設計院，2 0 1 0.（HUANG Jia-Yun， XIA Yun et. al. Technical Specifications for ACP1000 Turbo-generator［R］，Shanghai：East China Electric Power Design Institute， 2012.）

［6］ 王世超.換熱器類型在核電廠中的應用研究［J］. 中國核電，2008，1（3）：270-275.（WANG Shi-Chao. Applied Study on Various Types of Heat Exchanger in Nuclear Power Plan［J］， China Nuclear Power， 2008， 1（3）， 270-275.）

［7］ Philippe Anglaret.半速機技術能使嶺澳二期多提供8%的可靠電力［J］.中國核電，2012，5（1）：98-99.（Philippe Anglaret. Semi-speed Turbine Technology Providing Ling Ao Ⅱ with Additional 8% Reliable Power Supply［J］， China Nuclear Power， 2012， 5（1）， 98-99.）

Analysis on the Characteristics of Steam Turbine Power Back Pressure in Nuclear Power Plant

WU Qi-fang，WANG Zhi-qiang
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd.， Fuqing of Fujian Prov. 350318， China）

This paper uses a common calculation method to check and analyze the characteristic curves of steam turbine power back pressure for a nuclear power plant， which was offered by the tender manufacturers. By analyzing and comparing the power back pressure characteristic curves， the paper discusses the optimization of nuclear power plant steam turbine cold end， and concludes the rationality of turbine condenser area settings in the tender manufacturer bidding program， under the existing site conditions of the nuclear power plant.

nuclear power plant； steam turbine； characteristics of power back pressure；analysis

TL623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0117-04

TL623

A

1674-1617（2016）02-0117-04

2016-03-15

吳其方（1975—），男，福建壽寧人，工程師，工學學士，從事核電廠常規島設計管理工作。