核电汽轮机与火电汽轮机比较分析.pdf

收稿日期 2006210209 作者简介 杨晓辉 19722 男 工程师 现从事核电汽轮机设计工作 核电汽轮机与火电汽轮机比较分析 杨晓辉 单世超 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨150046 摘要 通过与火电汽轮机在热力设计 结构特性 材料选用和运行等方面的比较分析 阐述了核电汽轮机的设计特 点以及与火电汽轮机的差别 关键词 汽轮机 比较 差别 分类号 TK269 文献标识码 B 文章编号 100125884 2006 0620404203 Comparison ofNuclear Turbine to Fossil Turbine YANG Xiao2hui SHAN Shi2chao Harbin Turbine Company Li mited Harbin 150046 China Abstract Based on comparison with fossil turbine on ther mal design construction feature material and operation etc we can find the major design feature of the nuclear turbine and the difference between nuclear turbine and fossil turbine Key words turbine comparison difference 0 前 言 在核电站中由于与核电汽轮机配套的反应堆湿蒸汽参 数低 以及单回路的工质具有放射性等特点 所以把核电汽 轮机从现有汽轮机系列中分出来 1 核电汽轮机与常规火电汽轮机的差异 核电汽轮机的结构和原理基本上与火电汽轮机相同 在 系统组成与设计上也大致相似 但在设备的设计方面却存在 着许多差异 核电汽轮机在热力参数 结构特性 设计细节 与材料选用 运行维护方面具有一定的独特性 主要体现在 1 1 核电汽轮机热力设计参数的独特性 1 1 1 基本热力参数的差别 压水堆核电机组与火电机组相比初参数低得多且湿度 大 主蒸汽为略带湿度的饱和蒸汽 压力一般在5MPa 7MPa 湿度为0 25 0 5 核电机组总焓降约为同功率 火电机组的2 3 有效焓降仅为常规火电汽轮机的50 左 右 其汽耗显著增加 相应疏水量随之增大 同等容量核电 汽轮机的进汽量是火电机组的2倍 而容积流量则为4倍 6倍 蒸汽的容积流量增大 这就要求核电机组的通流面积 要大于火电机组 表1列举了哈汽公司为秦山二期核电站设计的核电 650MW汽轮机和为沁北电厂生产的超临界600MW火电汽 轮机的热力参数对照表 表1核电与火电基本热力参数对比表 额定工况 电站名称 额定出力 MW 主 蒸 汽 压力 MPa 温度 流量 t h 高 压 缸 排 汽压力 温度 MPa 热 再 热 后 压力 温度 MPa 低 压 进 汽 压力 温度 MPa 低压排汽 流 量 t h 秦山二期6506 412803 8661 062 182 50 999 2650 979 264 82 045 沁 北60024 25661 6644 13 3083 839 5661 043 369978 5 1 1 2 蒸汽热力过程的差别 在常规火电机组中蒸汽大部分处于过热蒸汽状态 只有 在低压缸末几级处于湿蒸汽状态下 核电汽轮机只有低压 缸前几级处于过热状态 其余部分都处于饱和线之下的湿蒸 汽状态 图1表示了蒸汽在汽轮机中的膨胀过程 图中线 段abcdef表示进汽压力24 2MPa的常规超临界中间再热机 组的热力过程线 饱和线上方为过热蒸汽区 下方为湿蒸汽 区 图中仅有低压缸中 ef段 末几级叶片处于饱和线以下的 湿蒸汽区工作 其余均在过热区 线段ABCDE表示进汽压 力6 41MPa的饱和蒸汽的膨胀过程曲线 AB表示蒸汽在高 压缸中的膨胀 在高压缸作功后排入汽水分离再热器进行去 湿再热后达到过热点C 然后进入低压缸膨胀线段CE 图中 仅有低压缸中 CD 段 前几级处于过热蒸汽状态 大部分处 于饱和线以下的湿蒸汽区工作 从核电与火电热力过程线 中 可以明显的看出两者间热力参数的差别 蒸汽膨胀过程 表明核电汽轮机基本是在湿蒸汽状态下工作 缸的效率要低 点 热耗也要比火电机组大些 见表2 第48卷 第6期 汽 轮 机 技 术 Vol 48 No 6 2006年12月 TURB I NE TECHNOLOGY Dec 2006 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 表2核电与火电湿度 效率参数对照表 电站名称 额定出力 MW 主蒸汽湿度 高压缸排汽湿度 低压缸进汽湿度 低压缸排汽湿度 高压缸效率 低压缸效率 机组热耗 kJ kW h 秦山二期6500 512 7011 9978 2380 19 970 沁 北6000001087 591 487 522 图1 1 1 3调节方式的差别 大容量的火电汽轮机普遍采用喷嘴调节配汽方式 这 种配汽方式只有在最后开启的那组调节阀的汽流受到节流 的影响 因此 节流导致的能量损失不会很大 所以 对于变 工况运行比较频繁的火电机组是最佳的配汽方式 核电机 组蒸汽参数低 流量大 采用喷嘴调节的调节级动叶片的应 力很高 同时 对于湿蒸汽在喷嘴出口会发生 凝结激波 使叶片出汽处产生裂纹 影响机组安全运行 另外 由于节 流配汽方式在阀门全开或稍有节流的额定负荷下要比喷嘴 配汽效率高 所以对于带基本负荷的核电汽轮机普遍采用节 流调节 1 2 核电汽轮机热力系统构成的独特性 核电站热力循环中增加了蒸汽的汽水分离再热循环 这 是核电站中常规岛部分与常规火电的最大不同之处 核电 汽轮机主蒸汽是饱和蒸汽 汽轮机通流部分湿度大 蒸汽对 叶片的腐蚀很大 高压缸的排汽湿度较大 如直接排入低压 缸将导致汽轮机零部件因水蚀而损坏 如果不采取措施低 压缸的排汽湿度将会达到20 多 对末级叶片的冲刷腐蚀相 当大 严重影响机组的安全运行和效率 所以 为了降低进入 低压缸蒸汽的湿度 提高蒸汽的温度 使其具有一定的过热 度 提高循环热效率 改善低压缸的工作条件 防止和减少湿 蒸汽对汽轮机低压缸零部件的腐蚀 在汽轮机高压缸和低压 缸 或中压缸 之间设有汽水分离再热器 汽水分离再热循环具有两个作用 首先起到汽水分离的 作用 经过汽水分离器可以除去高压缸排出蒸汽中98 的水 份 其次为了提高蒸汽的循环经济性 避免多级去湿 需要对 蒸汽进行中间再热 在核电站中 经过汽水分离后接近于干 蒸汽的蒸汽首先进入一级再热器进行加热 一级加热器一 般由高压缸抽汽作为加热汽源进行加热 加热后的蒸汽进入 由新蒸汽作为加热汽源的二级再热器进行加热 经过汽水 分离和两级再热后的蒸汽变成具有一定过热度的干蒸汽排 入低压缸 此时低压缸进汽蒸汽参数与常规火电机组相当 大大提高了低压缸的效率 改善了低压通流部分的工作条 件 防止或减少湿蒸汽对低压缸部件的腐蚀和侵蚀 核电机 组设计汽水分离系统作为中间再热提升低压缸进汽的温度 既提高机组效率又保障设备安全 与火电机组设置中间再热 器结构不同 功能相当 1 3 核电汽轮机通流设计的独特性 目前各大公司广泛应用可控涡流设计和全三元流设计 等方法进行通流部分和动 静叶片的设计 尤其是低压缸的 通流部分和末级长叶片的设计 在气动设计方面核电和火 电机组设计理念几乎完全相同 但是在强度设计 两相流设 计和通流结构设计上还是有些不同 1 3 1 动叶片强度设计方面 由于核电汽轮机叶片在安全性方面有更严格的要求 在 设计中采用了更好的材料和更严格的标准 为了保证叶片安 全可靠运行 动叶片和转子轮缘静应力必须限制在较低水 平 对于工作温度较低的动叶片 许用应力是依据屈服应力 数据建立起来的 由于核电汽轮机运行时的湿度比火电汽轮机大 这种环 境更易造成应力腐蚀裂纹 故动叶的叶根及叶根槽的许用应 力要比常规火电机组低 其许用值根据实际运行经验确定 对不调频叶片 要计算叶轮槽倒角半径处的峰值应力 这些 区域易产生应力腐蚀裂纹 同时 在这些区域的峰值应力也 包括了应力集中的影响 根据经验在低压过渡区不调频叶 片的许用安全系数大约是火电机组的2倍 3倍 对于调频叶片 其大部分安全系数核电与火电一样 这 是因为对于应力腐蚀敏感的区域发生在上游不调频叶片区 1 3 2 两相流的影响 在汽轮机低压缸中 有些级在饱和线以下的湿蒸汽区工 作 蒸汽从过热膨胀进入饱和区时要释放能量 会出现剧烈 的过冷现象 蒸汽中出现第一次成核和第二次成核 并在凝 结核表面产生剧烈的凝结 两相流对核电机组低压缸的影 响要比常规火电大得多 所以在动叶片设计时要重点考虑 两相流的影响 1 3 3 核电汽轮机湿度大 为了减少湿蒸汽对叶片的影响 必须采取必要的去湿结构 通常采用的结构有 在末三级动叶顶部采用蜂窝汽封减 少自由叶片顶部漏汽损失 可以收集叶片流道内的水汽 增 强去湿能力 减少湿气损失 末三级动叶进汽边焊有司太立 合金片 能有效地防止动叶片水蚀 提高机组效率和安全性 适当加大末几级的动 静叶片间的轴向距离 这样可以保证 水滴的充分雾化 减少水滴对叶片的冲击腐蚀 采用空心静 叶或带缝的静叶片等措施 1 4 核电汽轮机结构的独特性 1 4 1 汽缸设计的特点 由于蒸汽初参数低和容积流量大 与常规火电机组相 比 相同容量的核电汽轮机需要较大的通流能力和排汽面 积 核电汽轮机设计多采用1个高压缸 或高中压合缸 加 2 3个低压缸的结构且汽缸的尺寸和重量较常规火电要大 些 尤其对于半转速核电汽轮机汽缸的尺寸和重量更大 核 504第6期杨晓辉等 核电汽轮机与火电汽轮机比较分析 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 电汽轮机高压缸一般都是双流程结构形式且在材料选择上 必须用抗腐蚀的材料 在结构设计上也要充分考虑高压缸的 湿气损失及高压缸出口蒸汽的湿度 防止出现拉丝及水刷侵 蚀 对高压缸必须采取特殊的除湿防腐措施 一般具体采用 的除湿措施有 增大级间疏水孔的尺寸或数量以加大级间疏 水 增加抽汽口或疏水口等 特殊的防水蚀措施有 在高压内 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 E410Ni Mo 层 对于 中分面连接螺栓在中分面处加不锈钢保护套 基于核电汽轮机低压转子重量大的特点在低压缸设计 上要充分考虑到轴承座的刚性因素 对于轴承箱支撑在低 压缸上的结构 低压缸必须有足够的刚性来保证轴承座的刚 度 对于百万等级半转速的核电汽轮机的低压缸 目前世界 上先进的制造厂都有自己独特的设计 如三菱公司采用低 压内 外缸 轴承座全部落地的结构 阿尔斯通采用外缸直接 与凝汽器喉部焊接连接 轴承座落在内缸上而内缸直接落地 的结构 相同功率的常规火电汽轮机 毫无例外地由高 中 低压缸组成 并且低压缸的数量要比相同转速的核电汽轮机 数量要少 核电汽轮机与火电汽轮机相比 高压缸排汽口 低压缸 进汽口数量要多 与汽缸连接的管道口径大 这样汽缸受力 状况复杂 所以 对汽缸的稳定性要求比火电机组严格 1 4 2 阀门设计特点 由于新蒸汽压力低 其比容将明显高于常规汽轮机 也 就是说核电汽轮机头部必须能通过非常大的蒸汽容积流量 从而使主汽阀和调节阀设计复杂化 为了减少布置的复杂 性 核电汽轮机高压主汽阀一般采用主汽 调节联合阀的结 构形式 无论是尺寸还是重量 阀门口径等都要比同容量火 电机组大得多 同时由于与主汽阀连接的主蒸汽管道以及 高压导汽管的口径较火电机组大得多 对阀门的推力非常 大 所以阀门必须有足够的稳定性以承受管道的推力 1 4 3 汽水分离系统设置再热主汽阀和再热截止阀 如同大型常规汽轮机一样 在发电机甩全负荷而调节阀 正在关闭的过程中 以及调节阀关闭后的一段时间内 饱和 蒸汽汽轮机的转速将增加 在阀门关闭后由于汽轮机 连通 管 汽水分离再热器和其它设施中剩余蒸汽作用以及各腔室 内 通道 蒸汽管道和汽水分离再热器中积聚的水分或水膜 的汽化 转速还会增加 由于设备中残余的湿蒸汽闪蒸量大 于常规的火电机组 所以核电汽轮机与火电机组相比更容易 超速 为防止汽轮机超速一般在汽水分离再热器和低压缸进 口之间的连通管上设置再热主汽阀和再热截止阀 这样可以 保证升速限制在允许范围内 冷凝式的火电机组一般在连 通管上不设置再热主汽阀和再热截止阀 这也是二者最大的 不同 1 5 核电汽轮机材料选用的独特性 核电汽轮机蒸汽是带有一定湿度的饱和蒸汽 机组的运 行温度一般低于所用金属材料的蠕变断裂温度 所以对材料 的高温强度和抗蠕变性能要求大大降低 但是核电汽轮机进 汽湿度大 高温 高压的湿蒸汽具有极强的侵蚀性 因此核电 汽轮机选材考虑的主要问题是材料的防侵蚀性能 1 5 1 高压缸 各主要零部件材料的选择 考虑到既有足够的强度性能 又有足够的抗侵蚀性能 高压缸进汽温度一般低于300 因此没有必要选用抗蠕变性能较高的转子材料 但要选择防 止脆性断裂的材料 高压内 外缸 进汽导流环采用抗侵蚀 性能优越的ZG15Cr2Mo1 该材料为2 25Cr 1Mo钢 根据研 究结果表明 如果汽缸壁因水蚀减薄1in 就要对因水蚀减薄 的缸壁进行堆焊处理 经验表明 如果上述部件采用碳钢材 料 上述情况将大约在机组运行20年后出现 即在汽轮机组 寿命期内至少需堆焊一次 如果上述部件采用1 25Cr 0 5 Mo钢 在汽轮机组寿命期40年的最后几年可能需要进行堆 焊处理 如果上述部件采用2 25Cr 1Mo钢 则可以满足在 汽轮机组寿命期内不必重新堆焊的要求 2 25Cr 1Mo钢 的抗水蚀能力大约是1 25Cr 0 5Mo钢的2倍 因此 使用 ZG15Cr2Mo1材料可以保证汽缸等部件在汽轮机组寿命期内 不必作因水蚀引起的堆焊修理 隔板套 内汽封 外汽封选 用不锈钢ZG0Cr13Ni4Mo 该材料为12 Cr钢 其侵蚀速率 为碳钢的1 500 为2 25Cr 0 5Mo钢的1 60 为2 25Cr 1Mo的1 15 从而保证这些部件有足够的抗侵蚀性能 1 5 2 低压缸 由于其进汽参数和常规火电汽轮机差不多 因此对于低 压缸材料的选择同常规火电汽轮机一样一般为碳钢 1 5 3 蒸汽管道 主汽阀和高压缸之间管道以及低压缸进汽管道由于蒸 汽湿度一般低于0 5 所以选用一般碳钢材料 高压缸排汽 到MSR的冷段再热管和抽汽管道湿度较大 为了防止水蚀 一般选用21 4Cr Mo合金钢 表3列出了秦山二期核电机组与常规火电的材料对照 表 从表中可以看出核电汽轮机选材的独特性 表3 核电汽轮机和火电汽轮机主要零部件材料对照 序号部 套核 电火 电 1高压外缸ZG15Cr2Mo1ZG15Cr1Mo1 2高压内缸ZG15Cr2Mo1 3进汽导流环ZG15Cr2Mo1ZG15Cr1Mo1 4隔板套ZG0Cr13Ni4MoZG15Cr1MoA 5高压转子30Cr1Mo1V30Cr2Ni4MoV 6低压转子30Cr2Ni4MoV 7内 外汽封ZG15Cr1MoA 8隔板1Cr12Mo 9汽封圈和汽封片15Cr MoA 1Cr12Mo 10进汽套筒15Cr2Mo1 1 6 核电汽轮机启动运行特点 压水堆核电站汽轮机 由于其主蒸汽为带有0 25 0 5 湿度的饱和蒸汽 通流部分绝大多数级处在湿蒸汽区 所以有如下运行特点 1 对于疏水的控制及运行 核电的要求比火电要高一 些 高低压缸和中间汽水分离再热器排出的水量很大 运行 时必须保证这部分水正常疏水放掉和用于给水回热加热 所有疏水管道上应该装有止逆阀门 以防止汽轮机进水的事 故 甩负荷时防止水分蒸发使汽轮机转子严重超速 2 由于核电汽轮机与常规火电机组比增加了汽水分离 再热系统 所以在运行中增加了汽水分离再热器的运行控制 要求 下转第438页 604汽 轮 机 技 术 第48卷 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图1 空气量与真空下降速度关系曲线 应凝汽器当时运行参数下 上述的各个真空下降速度VH0 VH1 VH2等与漏入真空系统的空气量Ga Ga G1 Ga G2 等之间的关系 4 2 本文提出的设想 为了克服在真空严密性试验过程中 没有考虑真空下降 速度与汽轮机排入凝汽器中的蒸汽量 冷却水量 冷却水温 度等因素有关的不足 本文设想了新的试验系统 如图2所 示 图2 试验系统 图2中A B C D为阀门 S为密闭 容器 T为氧气浓度 测量装置 首先打开阀门 D 将本试验系统密 闭容器S中可能存 在的固体和液体放 出 关闭阀门D 打 开阀门A 通过抽真 空设备将密闭容器S内的全部气体抽出 使容器S处于真空 状态 然后将阀门B打开 向容器S内充入一定量的氮气 通过控制系统协调阀门A B 调整容器S内的氮气充入量 使容器S内的真空大小与试验系统所处的凝汽器真空相等 并且稳定 这时 打开试验系统的取气口阀门C 凝汽器中 气体从阀门C进入试验系统 观察氧气浓度随时间的变化情 况 假定试验系统中氧气变化率的规定值为 c 如果氧气浓 度的变化率 大于 c 即可认为真空系统的严密性较差 如 果氧气浓度的变化率 小于 c 即可认为真空系统的严密性 满足要求 本试验系统可以在机组的运行中进行 并且不影 响汽轮机排汽量 冷却水温度及冷却水流量 同时凝汽器的 脏污程度对本试验系统几乎无影响 所以理论上能够准确的 测量汽轮机真空系统的严密性情况 对于本试验系统应注 意以下几点 1 容器S要有良好的密封性 如果容器S的密封不好 试验将失去意义 2 凝汽器真空随时间有一定的变化 在向容器S充入 氮气的过程中 控制装置要协调抽气机 阀门A和阀门B以 及氮气充入装置 使容器S的真空与所处的凝汽器真空相 等 因为 只有容器S与所处的凝汽器真空相等 从阀门C 进入容器S内的气体才是以扩散的方式进入的 如果存在 压差 取气口处气体进入容器S的速度会大大加快 那么氧 气浓度的变化率也会明显增加 试验所得到的氧气浓度变化 率 不能正确反映系统的真空严密性情况 3 为了提高精度 可以增加气体进入容器S的管路 3 结 论 本试验系统能够准确地反映出汽轮机真空系统的严密 性情况 同时因为容器S内的真空与凝汽器真空相同 当负 荷 汽轮机排汽量 冷却水流量及温度等运行参数发生变化 时 试验所得的真空严密性情况能够与之相符 本试验系统 是新的设想 并且 c的数值还需进一步的确