核电汽轮机的选型

核电汽轮机选型关键问题分析

0、前言

核电汽轮机作为核电站常规岛最重要的设备，它的参数选择、结构形式等直接影响核电站的效率、运行安全、成本以及电厂的投资回报率，所以在核电站常规岛建设方案中必须将汽轮机的选型工作放在突出的位置。

1、核电汽轮机选型分析

对于核电汽轮机来讲，反应堆的堆功率和主蒸汽参数等已经确定。所以影响汽轮机方案制定最主要的因素是汽水分离再热系统的参数、背压、机组转速、机组结构形式。

1.1 主要热力参数的选取

1.1.1 汽水分离再热系统主要参数的选择

以湿蒸汽作为工质的核电汽轮机，必需采用去湿措施。降低蒸汽湿度的有力手段是外部去湿和中间再热，即在高低压缸或高中压缸之间设置汽水分离再热器。影响蒸汽最终湿度的主要参数是分缸压力和汽水分离再热器出口温度。

分缸压力值对汽轮机经济性、汽水分离再热器设计参数都有很大的影响。一般情况下，为了降低蒸汽的最终湿度，分缸压力应该取低些，这样可以简化低压缸的设计，降低低压缸的制造成本，但是较低的分缸压力会增加汽水分离再热器、连通管、再热主汽阀和截止阀的尺寸而加大制造成本。如果提高分缸压力值，汽水分离再热器、连通管、再热阀门等尺寸会相应减少。降低了制造成本，但低压缸的通流级数需要相应增加，加大了低压缸的制造成本。

汽水分离再热歪统墓监的再热一般通过汽缸中问抽汽加热和新蒸汽加热来实现。用抽汽再热时，一般汽水分离再热器出Ｅｌ的温度较低，热力损失也较低（在较小温差下热交换）。同时，用抽汽再热时，再热器后的蒸汽温度将随着汽轮机负荷的下降而自动下降，这样对低压缸末级叶片工作产生有利的影响。用新汽再热时，可以使再热器出Ｅｌ获得较高的再热温度。但是将引起明显的热力损失，尤其在分缸压力较低时。先用抽汽再用新蒸汽再热能使再热器后的温度获得最高值，而热力损失又比只用新蒸汽时低，所以也是目前大容量核电汽轮机汽水分离再热系统普遍采用的汽缸中间抽汽和新蒸汽两级再热加热方式。

当再热蒸汽温度一定时，再热器进出Ｅｌ的温差随分缸压力的提高而减少，汽轮机通流部分的蒸汽湿度损失增大。

综上所述，汽水分离再热系统的选择需要综合考虑分缸压力、再热蒸汽的温度等对汽轮机效率的影响并结合连通管、再热阀门、汽水分离再热器和低压缸等的综合制造成本进行分析比较后确定。

１.１.２背压的选择

从热力学上讲，在汽轮机进Ｅｌ蒸汽焓值不变的情况下，降排汽压力会加大汽轮机的焓降值。蒸汽可以充分膨胀做功，汽轮机的效率越高，机组出力也大。在汽轮机进汽温度不变的条件下，排汽温度每降低ＩＯ￣Ｃ，装置效率可提高３．５％左右，凝汽器压力每改变ｌｋＰａ，汽轮机功率平均改变１％一２％。但是背压也不是越低越好，也不能以汽轮机极限背压来确定最佳背压值。汽轮机背压的选取应该结合汽轮机的效率、综合投资成本等多种因素来确定。

首先。在末级叶片尺寸不变的情况下，降低背压，会增加蒸汽的流速，汽轮机的余速损失也会增大，当蒸汽流速达到临界值时，此时汽轮机的背压降低到阻塞背压，继续降低背压，汽轮机的出力不会增加，反而会减少。所以背压降低有个底线，即必须高于汽轮机阻塞背压。

其次，凝汽器的背压要受到循环冷却水温和循环冷却水量的影响。为了降低凝汽器压力，必须通过增加冷却水流量

或冷却面积来减小冷却水温升或降低冷凝器端差。如果增加冷却水流量，则循环水管道和滤网的尺寸及循环水泵的扬程都要增加，循环水泵房也要加大，建设成本和运行费用都会增加；如果增加冷凝器面积则冷凝器的制造成本要加大，冷凝器空问尺寸的增大还会增加汽轮机厂房的建设成本。同时背压降低排汽比容会增加，末级叶片长度要相应加长，这样汽轮机主机制造成本也要增加。

一般认为，汽轮机背压对应的饱和温度应比循环冷却水温度高12℃一l5℃，20℃冷却水温对应的汽轮机背压大约是4．9kPa，16℃冷却水温对应的汽轮机背压可以降到4．4kPa 或更低。所以对于冷却水温低的地区背压可以选得低些，当然汽轮机背压的选择必须将凝汽器面积和汽轮机结构形式以及相关设备的投资成本通过技术经济比较选出最佳方案。

1.2 汽轮机转速的选择

核电汽轮机分为全转速核电汽轮机和半转速核电汽轮机。在电网频率是60Hz的国家中，大部分采用半转速机组，在电网频率为50Hz的国家中，全转速机组和半转速机组都有使用，在我国已经投运和在建的机组中全转速数量稍多(见表1)，但是从世界范围来看还是半转速核电机组数量多些，设计、制造和运行经验要丰富些。

1.2.1 全转速核电汽轮机

我国全部火电机组和大部分核电机组普遍采用全转速汽轮机，全转速汽轮机的设计、制造技术已经非常成熟，国内几个大的制造厂都已经有自己完善的设计和制造体系，在技术七完全可以满足核电的设计要求。全转速汽轮机部件尺寸小、重量轻、便于运输和安装，目前国内制造厂现有设备都可以加工各种部件，国内厂家完全可以保证转子、汽缸等原材料的供应交货进度和质量要求。因此全转速汽轮机具有投资小、建设周期短、回报率快的特点。所以对于火电机组以及单机功率低于1 000MW的核电汽轮机来说，全转速汽轮机是一个比较好的选择。

随着机组功率的不断增加，对于大功率凝汽式汽轮机需要很大的排汽面积，为了增大排汽面积就必须增加低压排汽缸的数量或增加末级叶片的高度。所以对于通过容积流量比较大的那段通流部分做成双分流或多分流，来控制末级叶片平均直径和高度的增大，但是对于1 000MW 以上的核电汽轮机由于受机组轴系长度、轴系稳定性、转子的临界转速等限制，一般最多采用3—4个低压缸，所以增大末级叶片的排汽面积只能通过增加末级叶片高度来解决。随着叶高的增加，叶片的应力不断增大，采用全转速汽轮机可能超过叶片材料的许用应力，目前叶片材料很难满足强度要求，从核电机组安全性上很难满足要求。

1.2.2 半转速核电汽轮机

相对于全转速汽轮机增高末级叶片的高度受到叶片材料应力和强度的限制，采用半转速汽轮机在同样的末级叶片应力和强度的情况下，通过增加叶片高度可使汽轮机的功率大约增加4倍。采用半转速汽轮机在满足末级nt‘高增加的同时，叶片的应力又不会超过叶片材料的许用应力，因此采用半转速机组有利于降低叶片的设计难度，便于长叶片的开发。同时较长叶片的采用有利于冷端优化的实现。

与全转速汽轮机相比，采用半转速汽轮机可以降低转动部件的应力，可以减少汽轮机的余速损失，减少叶片水蚀量。反应堆功率不变的情况下，可以采用更长的末级叶片来增加排汽面积，进而减少排汽缸的数量，缩短轴系长度，增加轴系稳定性，降低厂房的建设成本。更重要的是在长叶片高度不变的条件下，通过汽缸数量的增加可以大幅度提高单机的极限功率和机组效率，实现与更大功率反应堆的匹配

1.2.3 全转速和半转速汽轮机的比较

全转速和半转速汽轮机的比较见表2。

通过比较分析可以看出，半转速机组效率、余速损失、安全可靠性等都优于全转速机组，但是半转速机组部件尺寸大，加工制造、运输和安装都较全转速机组难，所以对于1 000MW 以下核电汽轮机采用全转速是不错的选择；对于1 000MW等级核电机组必须从技术上、经济上进行充分的论证来决定汽轮机转速的选择；在反应堆功率高于1 200NW 以上的机组半转速是唯一的选择。

1．3 汽轮机结构形式的选择

1．3．1 汽缸形式的选择

汽缸是汽轮机最重要的部件之一，也是汽轮机中重量最大，形状和受力状态最复杂的一个部件。核电汽轮机一般由1个双分流的高压缸(或高中压合缸)和2～3个双分流的低压缸组成。

核电汽轮机高压部分有两种方式可供选择。一种是传统的双分流形式的高压缸，形式与常规火电中压缸相似；另一种是高中压合缸结构，即把双分流高压缸改为单流的高压缸和中压缸，同时将汽轮机再热蒸汽的进口由传统的低压缸进汽改为中压缸进汽，这种结构的高中压汽缸使蒸汽的膨胀过程更充分，所以效率要比单纯的高压缸要高些，基本上可以达到火电机组的水平。

核电汽轮机低压缸各大公司设计理念各不相同，一般有以下3种主要模式可供选择：

(1)传统的轴承箱座缸式低压缸形式。

此种形式低压内缸落在外缸上，外缸落在基础上。此种结构轴承座的刚性小，汽缸承受的真空载荷大，轴系受真空的影响较大，对基础承力能力要求要高。这种形式结构相对紧凑，可以应用在轴系相对较长及转子重量较轻的全转速汽轮机上，对于大容量半转速汽轮机低压转子来说这种支撑形式不是特别合适。

(2)低压外缸、内缸、轴承箱落地结构形式。

此种结构低压汽封体支撑在轴承箱上，汽封体与低压外缸通过波纹补偿节相连接，可以起到密封和补偿低压缸轴向膨胀量的作用。此种结构可以保证无论在何种工况下，端部汽封中心与机组转子同心，可以保证轴承座的刚性不受真空变化的影响，增加了轴系的稳定性，低压内缸的落地更可以保证低压动静间隙不受真空的影响，保证了机组的安全运行。这种形式汽缸落地最为彻底，适合于任何机组，是目前最先进的汽缸结构形式。

(3)低压外缸落在冷凝器上，内缸通过两端轴承座直接坐于基础上的结构形式。

此种结构外缸下半直接坐落在凝汽器壳体(喉部)上并与其焊接形成刚性连接，低压内、外缸之间采用柔性O形密封环密封，在保证蒸汽不会外泄的同时又允许内、外缸相对运动。这种结构在任何工况下都不受冷凝器真空的影响，减少了由于汽缸荷载变化对动静间隙的影响，也保证了良好的轴系对中和轴承的稳定性。同时外缸支撑在冷凝器上减少了基础的投资和建设周期，此种结构适应面也较广。

1.3.2 转子结构形式的选择

转子是汽轮机最重要的部套之一，也是对汽轮机安全运行影响最大的部件。转子设计时需要重点进行转子飞裂安全分析、应力侵蚀裂纹分析、强度分析等方面的工作。核电汽轮机转子按加工、装配方式可分为套装转子、整锻转子和焊接转子。每种形式的转子都有自己的优缺点(见表3)，所以必须根据机组的实际情况进行具体分析。

从表3的比较可以看出，套装转子对机组安全运行影响比较大，所以对于全转速核电汽轮机来说更不宜采用。对于半转速汽轮机，由于转动部件应力水平低，采用哪种转子形式应该从安全性、成本以及交货周期进行多方面考核来确定转子形式。

1.3.3 未级叶片的选择

大功率机组末级长叶片发出的功率约占机组总功率的1／10，随着核电汽轮机容量的不断增加，需要更长的末级长叶片来提高整个机组的效率和降低制造成本。末级叶片是汽轮机中最关键的部件，开发长叶片需要大量的科研投入以确保机组长时间安全运行。

对于现在已经运行全转速核电汽轮机来说，末级叶片普遍不是很长，大亚湾和岭澳一期末叶片长度为945mm，秦山二期的末叶片长度为977mm。虽然在火电机组上已经有更长的末叶片在运行，但核电的设计理念与火电有很大不同，安全性要求更高，所以全转速核电汽轮机叶片可选择的范围要小得多。

半转速机组由于转速低，叶片设计难度大大降低，目前有运行经验的末级长叶片有49英寸、52英寸、54英寸、57英寸等，而西门子新开发的72英寸末级长叶片将用于芬兰EPR 核电站汽轮机上。所以对于半转速汽轮机来说，可供选

择的末级叶片范围大得多。

2 结束语

本文通过上述各方面的分析，阐明了核电汽轮机选型时需要重点考虑的因素，并对各方案的优缺点进行了简单的埘比分析。可以为相关技术人员提供核电汽轮机选型的基本参考。