核電汽輪機組排汽特性分析

徐　炯，　周一工

上海電氣電站集團　上海　201199

核電汽輪機組排汽特性分析

徐炯，周一工

上海電氣電站集團上海201199

汽輪機的排汽特性是影響自身性能的重要因素。從理論方面分析了影響核電汽輪機組排汽損失的因素，針對當前主流核島堆型，根據汽輪機組排汽損失最優原理研究了如何選配汽輪機末級長葉片與低壓缸，進而提升汽輪機組的性能。同時對核電汽輪機組多工況運行時的耦合優化與低壓排汽面積選取進行了分析。

核電；汽輪機；排汽特性

核電汽輪機組效率是決定核電能源利用效率的關鍵因素之一，切實提高核電汽輪機組的效率是核電常規島領域一個重要的研究方向。

根據目前主流的核電堆型，筆者從減少汽輪機排汽損失的角度出發，分析如何根據不同的堆型及冷端特性選配汽輪機末級長葉片與合適的低壓缸數量，以達到汽輪機效率最優。

1　核電汽輪機組效率計算方法

汽輪機是將熱能轉化為機械能的動力機械設備，核電汽輪機將從核島得到的能量，通過蒸汽的熱力循環轉化為機械能，蒸汽動力裝置流程如圖1所示。不同的核電堆型，核能與熱能的交換過程并不相同。對于核電汽輪機而言，其基本工作過程建立在蒸汽熱力循環的基礎上。理想的蒸汽熱力循環稱為朗肯循環[1]，其溫熵關系圖如圖2所示。

圖1　蒸汽動力裝置流程示意圖

圖2　朗肯循環溫熵關系圖

過程4-5-6中，水從熱源中定壓吸熱，成為飽和蒸汽。過程6-1中，飽和蒸汽在過熱器中定壓吸熱，成為過熱蒸汽。過程1-2中，高溫高壓蒸汽在汽輪機內絕熱膨脹作功。過程2-3中，乏汽在冷凝器內放熱，等溫等壓冷凝，成為飽和水。過程3-4中，凝結水在給水泵中絕熱壓縮，壓力升高后再次進入熱源進行循環。

朗肯循環的熱效率ηt為：

(1)

式中：Wnet為循環凈功；q1為吸熱量；q2為放熱量；h1為新蒸汽焓；h2為乏汽焓；h3和h4分別為凝結水和過冷水的焓。

通過數量級和近似值簡化后，得：

(2)

朗肯循環為理想的可逆循環，而實際上，汽輪機工作過程全部都是不可逆過程，尤其是蒸汽經過汽輪機的絕熱膨脹過程，與理想可逆過程相比有明顯差別。

在汽輪機實際運行過程中，有流動損失、機械損失和電機損失等。用汽輪機相對內效率ηi、機械效率ηm和發電機效率ηg來表示損失后的能量轉換效率[2]，則汽輪機組的實際效率為：

(3)

在分析了汽輪機組的蒸汽動力循環過程后可知，要提高汽輪機組的熱經濟性，主要可以采用以下幾種方法[2]： ① 提高蒸汽初參數，即增加凈功；② 冷端優化，即降低排汽損失；③ 采用多級回熱循環，即減少有效能的不可逆損失。

由于核電汽輪機的初參數已經由核島特性確定，并且核電汽輪機已經采用了多級回熱循環提高循環效率，因此筆者將從如何減少核電汽輪機排汽損失的角度，根據最佳效率原則，對核電汽輪機排汽面積進行優化選型分析。

2　影響核電汽輪機排汽損失的因素

由于大容量核電汽輪機多以半速運行，因此相對于全速機組，長葉片的設計強度對核電汽輪機而言有充足的余量并更具穩定性[3-4]。汽輪機末級長葉片排汽具有的動能，少部分在末級葉片出口的擴壓器內靠壓力恢復被回收，大部分則作為損失而排入凝汽器。同時，由于低壓末級長葉片出口的排汽速度很快，因此核電汽輪機的排汽損失占總損失的比例較大。按照分類，排汽損失分為軸向排汽損失和徑向排汽損失[5]。

在設計汽輪機長葉片時，需考慮沖角、反動度、速度分布等三元流場特性，保證葉片級效率在一定范圍內最優。除此之外，確定最佳余速損失是汽輪機末級長葉片選型的基本原則。排汽余速矢量如圖3所示。

圖3　排汽余速矢量示意圖

圖3中C2為排汽余速，C2a為軸向排汽余速，C2u為徑向排汽余速，U2為轉速，W2為蒸汽出口速度。

根據圖3，可導出：

C2=C2a+C2u

(4)

C2a=Gv/Fa

(5)

式中：Gv為排汽容積流量；Fa為葉片排汽面積。

2.1　排汽面積

由式(5)可知，增加排汽面積可以使排汽能量減小，進而減小軸向余速損失。

由圖3可知，當軸向排汽時，徑向排汽余速最小且為零，即C2u=0。而實際情況是，葉片的葉型出汽角β2受到葉片幾何成形及加工制造等方面的限制，不可能為零。因而，存在一個最佳的葉片喉部面積Fasinβ2，對應一個最佳的排汽速度。

其次，排汽面積與末級葉片的根部直徑及葉片高度有關，且與排汽的分流數有關，所以葉片越長，排汽面積越大。

從理論上而言，末級長葉片選型的一個基本原則為： 葉片越長，葉型出汽角越小，軸向余速及徑向余速就越小，即總余速損失就越小，則效率就越高。

實際工程應用中，末級葉片的sinβ2平均值為0.3～0.45。為了滿足機組特殊性能的要求，在設計時，滿足葉片強度要求而限制葉片高度，一般末級葉片的sinβ2平均值最大不超過0.60。

2.2　排汽容積流量

通過分析式(5)可得到長葉片設計或者選型的另一個基本原則： 在葉片根部直徑及葉高不變的條件下，存在一個最佳通流量Gv0[6]。

設計葉片工況時，絕對出汽角越小，其低負荷的氣動性能就越好。在三元流場設計時，通過優化焓降分配，使每一個徑向流量段排汽余速矢量圖接近最理想的軸向排汽狀況，即：

tanβ2=C2a/U2

(6)

Gv0=FaU2tanβ2

(7)

上述公式建立了排汽容積流量與葉片根部直徑、葉片高度、葉型出汽角之間的關系。在相同通流能力及同為最佳軸向排汽的條件下，不同葉型出汽角的葉片，其高度和排汽面積也是不同的[7]。

同樣容積流量下，排汽面積越大，葉型出汽角就越小，即喉節比就越小。僅在相同出汽角、相同喉節比的條件下，排汽面積才與容積流量成正比。受葉片結構強度和葉片成形的限制，葉型的平均喉節比在0.3～0.6之間，因此，相對于某一容積流量，對應的排汽面積也有一定范圍。

對于每一個特定的長葉片，按上述公式計算求得的容積流量Gv0稱為該葉片的最佳通流量。

2.3　三元流場特性

根據最佳軸向排汽原則，在選定動葉片后，還必須針對流場特性進行流場設計，必要時可對匹配的靜葉片進行優化。主要的流場特性包括[7-8]： ① 根部反動度大于10%；② 動靜葉片的沖角符合設計準則；③ 徑向壓力及速度分布均勻；④ 葉柵流道速度和壓力分布下的損失小。

3　汽輪機末級長葉片和低壓缸選型

低壓缸選型的關鍵參數是排汽容積流量，排汽容積流量與核島容量及汽輪機冷端背壓有關。以國內某公司的長葉片產品為例，基本按25%間隔形成不同排汽面積的長葉片，適應不同地域冷端特性及不同堆型的需求。每個長葉片具有4個固有的特征容積流量： 零功率容積流量、排汽損失最小容積流量、最高效率軸向排汽容積流量、阻塞容積流量[9]。

長葉片選型的基本原則是使機組的排汽容積流量處在葉片的最佳容積流量附近一定范圍內。對于調峰機組，為兼顧低負荷小容積流量的效率，可選擇排汽面積較小的葉片。對于帶基本負荷的機組，可以選擇排汽面積較大的葉片，以適應額定負荷下最高效率的排汽損失[10]。

以項目A為例，根據核島參數及冷端特性，可選擇兩個方案，一是采用兩個26m2的低壓缸，二是采用兩個20m2的低壓缸。兩個方案具體參數隱去，僅提供數量級比較，對比見表1，排汽損失曲線如圖4所示。

表1　項目A排汽方案對比

圖4　項目A排汽損失對比曲線

由表1和圖4對比可知： 采用兩個26m2低壓缸的方案，在額定工況下排汽損失遠低于兩個 20m2低壓缸的方案，在夏季工況下排汽損失則略高于兩個20m2低壓缸方案。根據排汽損失及排汽流量對功率損失的折算，綜合核電機組額定工況和夏季工況，選擇1700mm等級長葉片機組經濟性更高。

以項目B為例，根據核島參數及冷端特性，可選擇兩個方案，一是采用兩個26m2的低壓缸，二是采用三個20m2的低壓缸。兩個方案參數具體參數隱去，僅提供數量級比較，對比見表2，排汽損失曲線如圖5所示。

表2　項目B排汽方案對比

圖5　項目B排汽損失對比曲線

由表2和圖5對比可知： 采用三個20m2低壓缸的方案，在額定工況下排汽損失遠低于兩個 26m2低壓缸的方案，在夏季工況下排汽損失與兩個26m2低壓缸方案基本相當。根據排汽損失及排汽流量對功率損失的折算，綜合核電機組額定工況和夏季工況，選擇1400mm等級長葉片機組效率更高。當然，實際在機組選型過程中還需要考慮三個低壓缸和兩個低壓缸對成本的影響，綜合技術經濟性對低壓缸進行選型。

結合兩個項目的對比，長葉片選型按軸向排汽，即最小余速損失原則，葉型出汽角應在軸向 ±10° 范圍內。由于長葉片的設計強度有充足余量，安全可靠性不是長葉片選擇的限制因素。選擇長葉片的類型時，應考慮額定負荷工況下盡量處在軸向排汽最佳的流動狀況。這樣，選出的核電機型是合適的，經濟性高，同時又有最佳的氣動性能。

4　結束語

筆者對影響核電汽輪機排汽損失的因素進行了分析，介紹了如何計算末級長葉片最佳葉型出汽角和最佳容積流量，旨在提高核電汽輪機組的發電效率。同時結合兩個核電項目的案例，根據核電汽輪機組排汽損失最優原理，分析了低壓排汽面積的選取、汽輪機末級長葉片及低壓缸數量的選配。當然，筆者的研究對于龐大的發電機組系統而言，只是極小的一部分，性能優化的道路仍然需要不斷探索。

[1] 沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].5版.北京： 高等教育出版社,2016.

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[3] 何阿平,陽虹,彭澤瑛.大型核電機組半速汽輪機長葉片系列的研發[J].電力設備，2008,9(7)： 9-12.

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[5] 周代偉，周英.600MW等級空冷汽輪機二排汽末級長葉片開發[J].上海電氣技術，2008，1(1)： 28-32.

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[10] 彭澤瑛.關注汽輪機排汽端選配對經濟性的影響[J].熱力透平,2009，38(1)： 1-4.

(編輯： 啟德)

Exhaust characteristics of the turbine is an important factor affecting its performance. The factors influencing the exhaust steam loss of nuclear power turboset were analyzed theoretically. Aiming at the current mainstream nuclear island type and according to the optimal principle on exhaust steam loss of the turboset, studied how to improve the performance of the turboset by selecting the last-stage blade and the low pressure cylinder for the steam turbine. At the same time, the coupling optimization and the selection of low pressure exhaust area were analyzed for nuclear steam turboset under multiple working conditions.

NuclearPower；Turbine；ExhaustCharacteristics

TM621.3；TK262

B

1674-540X(2017)04-027-04

2017年6月

徐炯(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事火電、核電等能源產業研究工作，E-mail: xujiong@shanghai-electric.com