核電汽輪機組蒸汽參數及結構設計特點研究

冉志超　段青科

【摘 要】介紹了核電汽輪機組蒸汽參數設計情況，并與火電汽輪機組進行分析比較；其次論述了核電汽輪機組結構設計理念，詳細描述了核電汽輪機組外部尺寸、增設汽水分離再熱器MSR、低壓缸部分增加特殊的除濕防水措施設計，通過結構的優化設計，確保核電汽輪機組的長周期穩定運行。

【關鍵詞】核電汽輪機組；蒸汽參數；結構設計；特點

【Abstract】The nuclear power steam turbine steam parameter design was introduced，and compared with thermal power steam turbine unit is different；Structure design idea，secondly discusses the nuclear power steam turbine unit is described in a nuclear power steam turbine unit external dimensions，add separation of reheater of MSR，low pressure cylinder，increase special dehumidifier waterproof measures in design，improve the nuclear power steam turbine running for a long period of time.

【Key words】Nuclear power steam turbine；Steam parameter；Structure design；Technics characteristic

0 引言

全球目前共有可運營核電機組439臺，其中美國作為最大的核電發展國家，建有99臺核電機組，發電量占其電力來源的19%，而排名第二的法國建有58臺機組，核電占比達到77%，是全球對核電依賴最大的國家。相比之下，盡管中國核電裝機容量已達世界第四。根據十三五規劃，2020年中國運行核電裝機容量要達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦，而目前運行容量2831萬千瓦、在建2672萬千瓦的數字顯然還遠遠達不到要求。

核電汽輪機組由于蒸汽參數低，在不同的運行工況下，與常規火電汽輪機相比存在區別。也因蒸汽濕度較大，所以要對核電汽輪機組增加結構設計優化。

1 核電汽輪機蒸汽參數設計

核電汽輪機的主蒸汽來自于核島蒸汽發生器[1]。主蒸汽是含有一定濕度蒸汽，蒸汽濕度一般為0.2%～0.4%，飽和蒸汽的參數為6.4MPa，溫度為280℃。相對于火電汽輪機排氣壓力接近的情況下，核電汽輪機可用焓降相當于火電汽輪機可用焓降一半左右。

蒸汽參數對于核電汽輪機設計影響：

1.1 核電汽輪機通流部分設計級數少，減少中壓缸部分設計。

1.2 核電汽輪機低壓部分的體積和重量約為火電汽輪機組的2倍，設計上核電汽輪機低壓缸占汽輪機組全功率的比例較大，約為50%左右。

1.3 蒸汽參數特殊性，核電汽輪機加工成本增加，一般核電汽輪機組與火電汽輪機價格比約為1.3：1。

如在相同出力工況下，通過核電汽輪機的主蒸汽流量比火電汽輪機的主蒸汽流量大，一般約為火電汽輪機2倍。從而核電汽輪機組的通流面積要較大于火電汽輪機組。如某核電主蒸汽流量為5810.4t/h，而火電同類型機組的主蒸汽流量為2813.7t/h。超臨界火電機組汽輪機主蒸汽壓力和溫度分別為24.36MPa、600℃，核電汽輪機在此工況下，主汽閥前的蒸汽壓力為6.43MPa，溫度為280℃，焓值為2772.4kJ/kg。對以上數據比對分析不難發現，核電汽輪機組參數設計與火電存在著較大不同點，不同點也影響到核電汽輪機整體的結構設計。

2 核電汽輪機結構設計

2.1 外部尺寸

核電汽輪機組的蒸汽參數低、比容大[2]。通過上文數據比對，核電汽輪機在進汽管道和閥門的重量、尺寸要大很多。例如在核電汽輪機設計中，當設計輸出功率在600MW以上時，高壓缸結構設計一般采用雙流道設計理念，將增加低壓缸末級葉片高度設計，以上變化比將導致低壓缸外部尺寸增大。比如：第三代核電技術AP1000常規島汽輪機采用了三個低壓缸設計（見圖1），這種設計增加了凝汽器數量。因此在同等功率的火電汽輪機組，核電汽輪機組外部尺寸大于火電汽輪機。

2.2 增設汽水分離再熱器MSR

汽水分離再熱器（簡稱“MSR”）接收來自于高壓汽輪機的排汽（濕度：11%～13%），經過分離器去除水分（濕度：≤0.25%）和在1、2級加熱器的再次加熱，使進入低壓缸的蒸汽具有一定過熱度，繼續做功。因高壓缸的排汽中水分含量較大，如蒸汽未經分離水分，直接進入低壓缸繼續做功，必然對低壓轉子的葉片發生腐蝕，降低汽輪機的效率，從而增設MSR，這樣將提高汽輪機的熱效率。主要設計由以下幾個觀點（見圖2）：

2.2.1 去除高壓汽輪機排汽中的水分；

目的：防止汽輪機葉片腐蝕；方法：通過波紋板高效去除水分，濕度：將由11%～13% 降至0.25%

2.2.2 加熱蒸汽去除水分

目的：提高電站效率；方法：在通過第1、2級加熱器，用于加熱汽輪機組高壓缸排汽，第1級加熱器的汽源取自高壓缸第一段抽汽，第2級加熱器的汽源取自蒸汽發生器出口主蒸汽。

2.3 低壓缸增加除濕防水措施設計

為了防止汽輪機低壓缸部分的水蝕，對核電汽輪機低壓缸的末級動葉片采用空心靜葉抽吸技術[3]，末級動葉采用堆焊防水蝕材料、電火化硬化、高頻淬火、葉片表面噴涂等措施，已避免水滴對低壓缸動葉片的腐蝕。在隔板的外環加裝疏水環或在缸體的內壁車出疏水溝槽，使由噴嘴葉片出口撕裂下來的大水滴，在受到離心力的作用下發生徑向運動而被捕捉。多重的除濕防水措施設計，達到了有效的除濕效果，同時也降低水蝕，提高了核電汽輪機組使用壽命。

3 結論

本文主要介紹了核電汽輪機具有蒸汽參數低、流量大、濕度大等特點[4]，通過與火電汽輪機參數設計比對，認識到核電汽輪機組蒸汽參數對于核電汽輪機整體設計影響。核電汽輪機蒸汽參數為飽和蒸汽，經過汽輪機各缸作功后濕度增大，所以相對于火電汽輪機組，核電汽輪機從設計方面上，增加汽水分離器MSR、低壓缸增加除濕防水措施設計。隨著科技發展，核電技術的更新，核電汽輪機組的設計將不斷優化，新的設計保障了核電汽輪機組的安全、穩定運行。

【參考文獻】

[1]陳娟.核電汽輪機的特點及選型[J].熱能動力工程，2010，25（4）：459-462.

[2]崔宏博.核電汽輪機組特點研究[R].東方電氣評論，2005，19（4）：192-199.

[3]何阿平，沈國平.中國核電汽輪機發展與展望[J].熱力透平，2015，44（4）：225-232.

[4]孫為民，楊巧云.電廠汽輪機[M].北京：中國電力出版社，2010.

[責任編輯：田吉捷]