核電廠汽輪機現狀及趨勢研究

唐力 倪小帥 曹夢甜 高升強

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-0391

摘? 要：近年來，在社會經濟快速增長的背景下，國家相關部門越來越重視核電發展戰略。盡管核電廠汽輪機的技術發展相對成熟，但依然存在改良或技術換代的空間。因此分析國內核電廠汽輪機現狀，研究核電廠汽輪機發展趨勢，是一項十分重要的工作。本文不涉及運行及控制方面的技術，僅將國內核電廠汽輪機汽缸特點、轉速等主要技術區別羅列出來，以探討未來汽輪機技術的可能發展方向。

關鍵詞：汽輪機? 高壓缸? 高中壓合缸? 低壓缸? 轉速

中圖分類號：TK26? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0065-03

Research on the Status Quo and Trends of Nuclear Power Plant Steam Turbines

TANG Li? NI Xiaoshuai? CAO Mengtian*? GAO Shengqiang

（Research Institute of Nuclear Power Operations， Wuhan， Hubei Province， 430223? China）

Abstract： In recent years， in the context of rapid social and economic growth， relevant state departments have paid more and more attention to nuclear power development strategies. Although the technology development of nuclear power plant steam turbines is relatively mature， there is still room for improvement or technology replacement. Therefore， analyzing the current status of domestic nuclear power plant steam turbines and studying the development trend of nuclear power plant steam turbines is a very important task. This article does not involve the technology of operation and control， only the main technical differences such as the cylinder characteristics and speed of the steam turbines of domestic nuclear power plants are listed in order to explore the possible development direction of the steam turbine technology in the future.

Key Words： Steam turbine; High pressure cylinder; High and medium pressure cylinder; Low pressure cylinder; Speed

隨著我國經濟的發展，總用電量逐步增大。要提高核電裝機容量，就需要提高核熱功率，相應的，汽輪機功率也應與之匹配，因此提高汽輪機功率也是非常重要的一環。梳理發現，隨著技術的發展，汽輪機單機額定功率是逐步提高的，從最早的300MW到650MW，再到900MW，1000MW，1200MW甚至1750MW的各類型汽輪機都正在商運中。本文正是在總結目前國內核電廠汽輪機現狀特點的基礎上，探討未來汽輪機發展的可能趨勢。

1? 國內核電廠汽輪機現狀

國內核電廠汽輪機現狀見表1。表1中給出了各核電廠汽輪機的“額定功率”“末級葉片高度”“額定轉速”及“汽缸類型”4個參數。除石島灣高溫氣冷堆汽輪機為超臨界汽輪機外，從功率上看，隨著技術的發展，單機功率總是增加的，這與經濟發展、用電量增加和汽輪機技術的進步是相適應的;從汽機結構上看，隨著額定功率從220MW增加到1750MW，汽機的進氣量大幅增加，軸向推力大幅增加，為了保證汽機平衡，一般有雙流高壓缸和高中壓合缸兩種類型的布置。此外汽機的排氣量也增加，這就要求要么增加末級葉片的長度，要么增加低壓缸的數量;從汽機轉速上看，額定轉速則分為兩檔，分別為3000rpm和1500rpm。

石島灣高溫氣冷堆汽輪機較為特殊，為保證總的發電量輸出、熱效率以及總體經濟性，一回路氦氣溫度較高，出口溫度達到750℃，而蒸汽發生器出口溫度則達到了571℃，相應的，進入汽輪機的蒸汽參數也達到了火電汽輪機的參數級別;而又由于碳的慢化作用弱于水的慢化作用，不可能實現較大的一回路功率，因此與之匹配的二回路功率，即汽輪發電機總功率也不大。因此就出現了高溫氣冷堆汽輪機總功率小，而蒸汽參數較高的特點。總之，由于存在過大的差異，下文將目光聚焦在主流的核電廠汽輪機技術方面[1]。

2? 發展趨勢

2.1 末級葉片長度與低壓缸數量

上文已說明，隨著汽輪機功率的增加，末級葉片長度與低壓缸數量都相應增加。根據汽輪機的功率方程N電=D·H理·η內·η機·η電/860（D單位kg/h，H理單位kcal/kg，N電單位kw），要增大汽輪機功率，就需要增加比焓降或蒸汽流量。要增加比焓降，則蒸汽要進行更多的膨脹，產生更大的速度，而汽輪機需要在最佳速比范圍內工作，才能保證其工作效率，因此不能過大增加汽機轉速。此外汽機額定轉速的增加，受制于電網頻率的牽制，以及葉片材料的限制;而根據連續性方程，流速一定的情況下，要增加蒸汽流量，則必須增加排汽面積，可以采用增加低壓缸數量和增加末級葉片長度解決[2]。

2.2 增加末級葉片長度

增加末級葉片長度，受到葉片材料強度的制約。這是因為：1葉片跟隨轉子同步旋轉，受到離心力的作用，長度越長，離心力越大，葉片斷裂的風險越大。盡管可以采取降低轉速的辦法來降低離心力，如采用1500rpm的汽輪機技術。但即便采用這種技術，葉片也不可能無限制增加，總會受到離心力的制約;2葉片長度增加，汽缸缸體必定要加大，這會會帶來材料、制造、安裝及經濟性等多方面的制約。

2.3 增加低壓缸數量

增加低壓缸數量，對缸體本身沒有影響，但會受到轉子制造、運輸、安裝及運行等方面的影響。對于整煅轉子，制造、運輸及安裝，都會帶來較大的困難。

從表1中可以看出，按照核電廠建造的先后順序看，為增加汽輪機功率，普遍采用了增加葉片長度的方案，而低壓缸數量多數則為2～3個不等。這也就是說，由于材料，制造等技術方面的進步，低壓缸逐步實現了大型化，而不是簡單的進行數量上的堆疊[3]。

2.4 全速機與半速機

核電廠汽輪機轉速受外電網頻率的牽制，在極對數確定的情況下，其同步轉速也是確定的。正如上文所述，可以通過降低轉速，即采用1500rpm的汽輪機技術，來實現末級葉片長度的增加，最終提升功率的輸出。概括起來，全速機、半速機各有優劣[4]。

2.5 半速機相比全速機的優點

（1）提高汽機極限功率。

（2）改善末級葉片應力水平。

（3）半速機轉子數量少，整個軸系分段少，故機組振動較小。

2.6 半速機相比全速機的缺點

從表1可以看出，海南核電廠采用的是與秦二廠相同的技術，所以仍使用3000rpm汽輪機技術。除此之外，早期核電廠汽輪機多為全速機，新建電廠則普遍采用半速機，與經濟發展和技術發展相適應的。這也就是說，國內新建電廠采用1500rpm汽輪機技術是一個較為明顯的趨勢[5]。

2.7 雙流高壓缸或高中壓合缸

近年來，出現了一些采用高中壓合缸技術的機組，相比雙流高壓缸，高中壓合缸的特點如下。

（1）由于合缸兩側結構不同，蒸汽參數也不同，軸向推力的平衡問題，脹差等參數的控制，是值得關注的。

（2）由于高壓缸蒸汽參數較高，高壓缸蒸汽壓力較高，有蒸汽從高壓缸竄入中壓缸的可能性，因此兩缸接合處的蒸汽密封顯得非常重要。

（3）高中壓轉子制造工藝不一樣，相當于一臺機組要制造高壓轉子、中壓轉子和低壓轉子3種類型的轉子，較雙流高壓缸多出一個類型。

（4）中壓缸較高壓缸蒸汽參數要低，制造中壓缸在汽缸和轉子材料選擇上可能成本更低。

（5）合缸進汽管線均安裝在頭部，經閥組與汽水分離再熱器（MSR）連接，空間分布上較雙流高壓缸更為緊湊。

（6）核電廠汽輪機高中壓合缸一般共有13級葉片，較雙流高壓缸少，意味著可能的制造成本減少以及軸系長度變短[6]。

3? 結語

汽輪機是核電廠實現電能生產的重要一環，雖然汽輪機技術已經發展得較為成熟，但作為核電人，理應對其現狀和將來的技術發展方向有清晰的認知。

參考文獻

[1] 曾彬.基于模糊PID控制的核電廠汽輪機控制系統研究[D].上海： 上海交通大學，2018.

[2] 沈新生，林斌，張國棟，等.核電汽輪機狀態監測評估技術[J].設備監理，2019（8）：22-23.

[3] 張海軍.核電汽輪機超速影響因素分析[J].科技視界，2019（1）：11-13.

[4] 伍賽特.汽輪機技術研究現狀及發展趨勢[J].能源研究與管理，2019（4）：7-13.

[5] 季佳.百萬核電汽輪機故障安全控制技術的研究與應用[D].上海： 上海交通大學，2018.

[6] 余炎，李楊.核電汽輪機通流能力分析及優化[J].熱力透平，2019，48（3）：192-195.