哈汽-三菱重工AP1000核电汽轮机

第53卷第3期2011年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0】53NO3JUN201L哈汽一三菱重工AP1000核电汽轮机谭宗立，杨晓辉哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要全面介绍了由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司与三菱重工设计制造的与AP1000核岛相匹配的核电汽轮机结构和主要系统。对核电汽轮机的技术特点进行了详细的分析和论述，有助于全面了解核电汽轮机的设计特点。关键词核电汽轮机；系统；结构；湿度分类号TK269文献标识码A文章编号10015884201103017304AP1000NUCLEARSTEAMTURBINEDESIGNEDBYHTCANDMHITANZONG1IYANGXIAOHUIHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHECONSTRUCTIONANDSYSTEMOFAPIO00NUCLEARSTEAMTURBINE，WHICHMEETTHEREQUIRMENTSOFAPIO00NUCLEARISLAND，MANUFACTUREDBYHTCMHITHISPAPERALSOANALYZESANDINTRODUCESTECHNICALFEATUREOFNUCLEARTURBINEINDETAILTHEREADERSCANKNOWTHEDESIGNINGFEATUREOFNUCLEARTURBINEBYREADINGTHISPAPERKEYWORDSNUCLEARTURBINE；SYSTEM；CONSTRUCTION；MOISTURE0前言HN1251538型核电汽轮机机组是一台单轴、四缸六排汽带中间汽水分离再热器的反动式凝汽式汽轮机。高压缸是210级对称双分流结构，3个低压缸采用相同设计，同样是210级对称双分流结构。本文将针对该型核电汽轮机的技术特点和关键技术问题进行详细的分析和论述。1汽轮机总体配置11蒸汽流程HN1251538型核电汽轮机由1个高压缸和3个低压缸组成，2个高压主汽调节联合阀布置在高压缸两侧，由核岛蒸汽发生器来的2根主蒸汽管道经主蒸汽联箱后分成4根主蒸汽管道分别与4个主汽阀进口相连。蒸汽由主汽阀进入调节阀，从调节阀出来的主蒸汽分别从高压缸中部上半和下半进入高压缸。高压缸为对称双分流布置，经高压缸做功后的蒸汽分别经调端和电端各3个排汽口排出，通过6个导汽管分别进入布置在汽轮机两侧的MSR壳体下半蒸汽进口。蒸汽在MSR通过分离器后分离出大概978的水分，汽水分离后的蒸汽向上通过MSR一级和二级再热器加热变成过热蒸汽，每个MSR壳体上部共有3个排汽口，再热后的蒸汽经低压进汽管由低压缸中部进入低压缸。蒸汽由中部经对称双分流的通流部分做功后经排汽日排入冷凝器。12汽轮机热力系统回热系统2级配置，由2个高压加热器、4个低压加热收稿日期20101104器和1个除氧器组成，汽水分离系统采用一级分离和二级再热。加热器的疏水除4号低压加热器配有疏水泵外，其它加热器采用逐级自流方式，高压加热器疏水按逐级自流至除氧器，1、2号低压加热器逐级自流至冷凝器，系统补水至冷凝器。4号低压加热器疏水自流至3号低压加热器。3、4号疏水汇集后由疏水泵给至4号低压加热器凝结水进口。高低压缸之间设有汽水分离再热器，对高压缸排汽进行汽水分离和二级再热，分离器的疏水经MSR疏水箱由疏水泵给至除氧器，再热器的疏水至7号高压加热器。凝结水系统主要由凝结水泵从冷凝器热井中抽取凝结水升压后依次经过轴封加热器、14号低压加热器，最后汇集到除氧器，经给水泵将除氧器中的凝结水升压后通过给水调节阀送至蒸汽发生器。低压缸的抽汽分别进入14号低压加热器，高压缸的抽汽进入6、7号高压加热器及MSR一级再热器，高压缸排汽除进入MSR外，还有部分进到除氧器。汽轮机旁路容量为40主蒸汽额定流量，旁路排放阀排出的蒸汽进入凝汽器。13汽轮机滑销系统本机组采用多死点滑销系统，汽轮机静子部件膨胀的死点有7处，分别位于3个低压缸中心及落地轴承箱上前轴承箱、低压与电机间轴承箱除外。绝对死点分别由预埋在基础中的两块横向定位键和两块轴向定位键定位，这样汽缸和轴承箱的定位键的轴向中心线和横向中心线的交点各自形成汽轮机的绝对死点。高压缸与轴承箱之间采用定中心梁结构，通过定中心梁将高压缸和轴承箱轴向连接在一起。汽轮机膨胀时，低压缸和轴承箱以独立的死点为中心向两端膨胀并通过电端和调端定中心梁推着高压缸、前轴承箱沿机组轴向向调速器端膨胀。转子绝对死点，即推力盘，位于低作者简介谭宗立1956，男，高级工程师，现任哈尔滨汽轮机厂有限责任公司副总经理。174汽轮机技术第53卷压1、2号之间的推力轴承内，是转子的绝对死点，当汽轮发电机转子受热，转子以推力盘定位向两端膨胀。当机组静子部件在膨胀与收缩时，推力轴承所在的前轴承箱也相应地轴向滑动，因而推力轴承也随之滑动，因此，称推力盘为机组的动静“相对死点”。高压轴承底面与台板之间安装时涂以高温润滑油脂，轴承箱下表面与基础台板靠润滑脂润滑，运行中要定期加注润滑油脂以保证良好的滑动效果。低压缸与冷凝器之间采用橡胶补偿节连接。这种滑销系统经运行证明，膨胀通畅，效果良好，滑销系统图如图1所示。图1滑销系统简图2汽轮机主要技术特点21高压模块高压模块通流部分采用210级对称双分流结构，蒸汽由汽缸中部通过进汽分流环流向调端、电端，为了提高效率，本机组不设凋节级，采用节流调节。叶片采用全三维设计F3D的双分流反动式叶片，高压转子叶片采用ISB枞树型叶根、整圈围带叶片结构，具有更好的阻尼特性，可降低由于离心力引起的静应力以及振动应力。高压模块由一个高压外缸、转子、隔板套、隔板等组成，如图2所示。图2高压模块不意图211高压缸设计特点高压外缸采用碳钢材料，在水平中分面处形成下半和上半。汽缸上下半结构基本对称，重量接近，热容量差别小。高压外缸由四只“猫爪”与下半汽缸一起整体铸出，位于下半水平法兰上，这样支撑点与水平中心线尽可能靠近。调端猫爪通过键支撑在调端轴承箱上，可在调端轴承箱上自由滑动。电端猫爪支撑在低压轴承箱下半上，可在轴承箱上以同样的方式自由滑动。汽缸下半通过H型定中心梁与相邻的轴承箱连接，可保持汽缸正确的轴向和横向定位。每个轴承箱都可以在基架上轴向自由滑动，但是位于纵向中心线的轴向定位键将限制它们横向运动。外缸通过猫爪从轴承箱上任何抬高的趋势将受到螺栓的限制。螺帽下方以及螺栓周围的间隙允许外缸猫爪随温度的变化而自由移动。在汽缸中部的上半和下半各布置2个进汽口，在调端、电端上半各布置1个排汽口，下半各布置2个排汽口。抽汽口布置在高压缸下半，抽汽管道采用弹性密封环结构，可以保证良好的密封效果，对中性能好，应力小。212去湿及防侵蚀、腐蚀设计高压部分各主要零部件材料的选择，既要考虑到有足够的强度性能又要有足够的抗侵蚀性能，所有材料在核电上都有大量的运行业绩。在结构设计上采取了适当的除湿措施来减少腐蚀扩散。为防止汽缸腐蚀，在可能发生腐蚀损害的地方堆焊了不锈钢，12CR材料应用于某些部件，如隔板套及高压汽封内环等采用ZGOCRL3NI4MO材料，不锈钢材质大大提高了抗腐蚀性能，不锈钢其侵蚀速率为合金钢225一CR一1MO的115，从而保证部件有足够的抗侵蚀性能。在高压外缸安装隔板套及端部内汽封的凸肩支承面处堆焊不锈钢保护层，这样做有两个目的一方面增加凸肩支承面的强度及耐磨性，另一方面提高支承面的抗侵蚀能力。另外，由于热应力的存在，汽缸中分面可能出现变形并引发缝隙侵蚀，一旦发生缝隙侵蚀，对汽缸中分面的危害是非常大的，将严重损坏汽缸中分面的密封性能及机组的使用寿命，虽然可能性小，也采取了相应预防措施在高压外缸与隔板套、内缸，内汽封的接合面及相应中分面处，堆焊不锈钢层。213疏水及去湿孔在排汽侧高湿度区的隔板套上，高压末几级动叶底部汽封槽处开设疏水去湿孔，用来把末几级动、静叶间隙处的积水导向抽汽口排出。高压外缸各腔室积水通过底部抽汽口排出，不需另设疏水孔，既能保证高压外缸各腔室不积水，又简化了缸体及外部疏水管道的设计。22低压模块低压模块通流部分采用210级对称双分流结构，蒸汽由汽缸中部通过进汽分流环流向调、电两端。叶片采用全三维设计F3D的双分流反动式叶片，动叶片采用ISB枞树型叶根、整圈围带叶片结构，具有更好的阻尼特性，可降低动应力，末级采用54IN超长动叶片。低压模块共由3个完全相同的低压缸组成，为了消除因温度梯度过大而引起的热变形，采用3层缸结构，即低压外缸、低压内缸和低压蒸汽室。轴承箱采用落地结构，满足安全运行的需要，如图3所示。221低压外缸低压外缸全部由钢板焊接而成，外缸为其内部的各部套提供支撑并把负荷转移至基础上，它要承受所有安装于外缸上部件的荷重以及真空负荷，并保证不产生过大的变形，从而保证运行安全可靠；低压外缸上下半分为3部分调端、电端和中部，各部分通过垂直中分面螺栓连接，方便加工运输；低压外缸上半采用了大、小圆弧构成的簿壁拱顶，端壁焊有撑管，下半为端壁与侧壁构成的长方形框架结构，在接近中第3期谭宗立等哈汽一三菱重工APL000核电汽轮机175图3低压模块示意图分面处四周设支脚，又称“裙边”。在排汽口处，沿纵向与横向焊上加强筋与撑管，这些措施加强了低压外缸的刚性。每个外缸上半有4个人孔，每边两个，可以在不开缸情况下，进行内部检查。两个大气阀位于外缸上半顶部，如外缸内压力达到设定值，大气阀的铅板会破裂，进行危急排汽，从而保护低压缸。222低压内缸每个低压缸只有一个低压内缸，内缸采用上下半结构，进汽口位于内缸上半中部，低压4级回热的抽汽口布置在下半。汽缸由下半4个撑脚水平支撑在基础上，所以内缸的重量直接由基础来承担，与传统的低压内缸落在外缸上的结构相比具有如下优点低压内缸中的静子部件不受外缸变形的影响；转子和汽缸在各种工况下如，真空变化、低压喷水低负荷运行等都保持完美的同心度，因为外缸的变形不影响它们的位置；能保证运行时动静间隙与安装时动静值的差值尽可能小，这样既可以保证通流效率，又可将因转子和静子零件接触而产生摩擦振动的危险降到最小，满足机组安全需要。低压内缸采用三维有限元分析，充分考虑了温度梯度对缸体应力的影响，内缸在不同的瞬态所承受的变形等因素，使低压内缸结构更加合理，提高了低压部分的可靠性，可维护性，低压内缸结构上的优化消除了因热膨胀和收缩导致的缸体扭曲及螺栓损坏的潜在因素，合理的装焊结构也增加了内缸的疲劳寿命。内缸上设有隔热罩，这种结构使每层缸的温度梯度大幅降低，有利于安全运行。223低压轴承箱低压轴承箱采用钢板焊接结构，轴承箱通过台板直接落在基础上。端部汽封支撑在轴承箱下半，汽封体与低压外缸之间采用膨胀节连接。轴承箱落地结构与传统的座缸结构相比大大提高了轴承的支持刚度，进而使轴承总刚度大大提高，从而提高了轴系的稳定性。汽封体支撑在轴承箱上可以保证汽封不受外缸变形的影响，这样转子与汽封在任何情况下都能保持完美的同心，保证了动静问隙的合理性，进而提高了安全性。22454INISB末级动叶低压末级动叶采用整体围带结构，叶根采用直枞树型结构，保证了安全的需要。在安装时每只叶片上的凸台拉筋和围带之间都留有合理的安装间隙，运行时由于离心力的作用，首先拉筋相接触，然后围带相接触，这样就大大增大了叶片阻尼，降低了振动应力。在动叶顶部装有弹性汽封，这样可以减少顶部的漏汽损失，提高机组的通流效率，女图4所示。末级叶片ISBGB阻尼图4末级动叶225去湿及防侵蚀、腐蚀设计除了低压缸进口几级外，通常核电汽轮机工作在湿蒸汽区域。因此有必要采取一些特殊的防护手段使其免受侵蚀、腐蚀的损坏。材料上选用抗腐蚀性能强的材料，结构上采用合理的去湿结构，增加去湿效果。对于动叶，首先采用不锈钢材料，增加抗腐蚀能力。结构上通过加大静叶和动叶的轴问问隙使水滴能充分的雾化，可以减少动叶的腐蚀。在末三级动叶片进汽边上镶有足够长的司太立合金片增加抗冲IIII力。对于静叶片，在湿度大的低压末级，静叶采用空心叶片结构，静叶片装焊在隔板外环上，外环采用空心结构并直接与冷凝器相通，如图5所示。在外环上设有与静叶片空腔相通的腔室，在运行时吸附在静叶片上的水滴由于压差的作用水滴通过叶片上的缝隙依次进入叶片空腔、隔板外环进而排入冷凝器。此种结构能有效去除末级水分，减少对末级动叶的侵蚀。轴向间隙雾化水滴图5末级动静叶去温及防侵腐蚀23整锻转子低压转子用低合金钢锻件加工而成。低压转子采用无中心孑L的整体转子。采用整锻转子可以大幅降低叶轮的切向应力，进而降低叶轮的合成应力，这样转子可以采用较低屈服强度的材料。转子材料通过选用更低的屈服应力这样可以显著降低SCC发生的可能性。同时，采用整锻转子能够有效减少产生汽轮机飞射物的可能性。片罐媲176汽轮机技术第53卷2，4主要阀门241高压主汽阁和调节阂2个高压主汽调节阀联合阀都布置在运转层上，分别位于高压缸的左右侧。每个高压主汽调节联合阀由2个主汽阀和2个调节阀组成，其中一个主汽阀的进汽端安装在刚性支撑上，另一个主汽阀进汽端安装在挠性支撑上，这样布置有利于阀门轴向膨胀。由于它们被固定在汽轮机的基础上，所以联合阀的维护和检查就非常容易，同时主蒸汽管道的反作用力也不会直接作用在汽缸上。主汽阀附带了一个预启阀。当机组启动时，调节阀全开，主汽阀的预启阀全开，因此当启动时汽轮机部件能被均匀地加热，并能用较小的力开启阀门。预起阀的设置可以使汽轮机从静止到接近额定转速时减小阀座附近的蒸汽流速，降低汽流激振力，这样可以减小对主汽阀的振动和阀座的冲刷腐蚀。永久性滤网固定在了每个主汽入口处。在机组首次安装时，可拆卸的悔耐性的滤网放霞在永久性过滤网的外面，这样在初次启动时可以阻止蒸汽中杂质，避免污染凝结水，在运行一段时间后，需要拆除临时滤网，维持机组的正常运行。调节阀是一个平衡类型阀门，仅较小的不平衡力施加在阀上，因此很容易被控制。主汽阀和调节阀都配备了一个后座，用来防止蒸汽从阀杆处泄漏，同时防止阀杆卡涩，保证运行的安全性。环绕在调节阀周围的具有多孔圆筒结构的消声器，可以减少低负荷时调节阀周围的压降，这样的设计可以减小调节阀振动和腐蚀的可能性，如图6所示。242再热主汽阀和调节阀进入低压缸的每根低压进汽管上分别装有1个再热主图6阀门示意图汽阀和1个再热调节阀，当负荷被切断或事故停机时以防止汽轮机跳闸时超速。再热主汽阀和再热调节阀采用碟阀结构，被设计成易开易关，并且完全打开时压降损失较小，它们都被安装在连通管处，引导蒸汽流向低压缸，并作为管道系统的一部分。每个阀门各有单独的油动机控制，再热主汽阀是开关两位阀，再热调节阀为可部分调节开度的阀门结构。3结束语哈汽一三菱重工百万等级半转速核电汽轮机采用了最新的第三代核电汽轮机设计技术，该机组各项先进技术的应用，使机组在安全性、出力、效率以及与AP1000核岛相匹配方面处于世界最先进水平。通过该机组的联合设计和合作制造会使哈汽公司在大容量核电汽轮机国产化设计、制造方面有一个质的飞跃，为更大容量的核电汽轮机自主设计开发和制造打下坚实的技术基础。上接第224页低压保安油压力开关进行恢复，停止启动油泵运行，然后对复位电磁阀1YV进行更换。复位电磁阀1YV更换后，汽轮机“挂闸”正常。但是，没过多久又重新出现汽轮机“挂闸”后随即掉闸的