哈汽_三菱重工AP1000核电汽轮机_张秋鸿

产品设计 哈汽一三菱重工 Apl0 00 核电汽轮机 张秋鸿 杨晓辉 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨 150046 摘要 本文全面介绍了由哈尔滨汽轮机厂有限与三菱重工设计制造的与A P 10oo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 让读者全面了解核电汽轮机的设计特点 关健词 核电汽轮机 系统 结构 湿度 AP1000 Nu ele a rSte amTu rbin eDe sig n e dBy HTC a n dM HI Z HANGQiuHo ng YANG Xia oHui Ha rb in Tu rb in eComPa nyLtd Ha rbin150 0 4 6 Ch in a A bstr a ct T h isPaPe rintrodu e e stheco n structio n andsystem0fA P 10 0 0n u cle a r ste am tu rbine w h iehm e et the e r quirme nts ofA P1000n u ele ar isla nd ma n uf a etu red by HT C s ystem e o n str uctio n mo istu r e 0 概述 N H 12 51一5 3 8型核电汽轮机是哈 尔滨动力设备股份公司与三门核电有 限公司签订的世界首台AI P0 0 0 核电 站常规岛用汽轮机 该机组是一台单 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 ZX1 0 级对称双分流结构 3个低压 缸采用相同设计 同样是 Zxl o 级对 称双分流结构 下面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 1 1蒸汽流程 HN12 51一5 3 5型核电汽轮机由一 个高压缸和三个低压缸组成 两个高 压主汽调节联合阀布置在高压缸两 侧 由核岛来的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 经高压缸做工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 M S R壳体下半3个蒸汽进口 蒸汽在 MS R通过分离器后分离出大概9 7 8 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干过 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 部经对称双分流的汽道部分做功后经 排汽口排入冷凝器 1 2汽轮机热力系统 回热系统为 7 级配置 由 2 个高 压加热器 4 个低压加热器和 1个除 氧器组成 汽水分离系统采用一级分 离和二级再热 回热加热器的疏水除 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 1一3 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 由疏水泵给至 3 一 号低压加热器凝结水 出口 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 MS R 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3 x 05 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 l一4 号低压加热器 最后汇集到 除氧器 经给水泵 3 x 5 0 电动给水 泵 2运l 备 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 1一4号低 压加热器 高压缸的抽汽进入 6 7 号高压加热器及 MS R一级再热器 高 压缸排汽除进入MS R外 还有部分进 到除氧器 汽轮机旁路容量为4 0 主 蒸汽额定流量 旁路排放阀排出的蒸 汽进入凝汽器 1 3汽轮机滑销系统 本机组采用多死点系统 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6个绝对死点 高压缸 与轴承箱之间采用推拉杆机构 通过 定中心梁将高压缸和轴承箱在轴向连 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 滑销系统图见 下图 3 汽轮机主要技术特点 3 1 高压模块 高压模块通流部分采用 2x10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 为了提 高效率 本机组不设调节级 采用节 流调节 叶片采用全三维设计 F3 D 设计的双分流反动式叶片 高压动转 叶片采用 工B S 极树型叶根 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 隔板套等组成 l 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 平法兰的上部 这样支撑点与水平中 自线可尽可 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 2 去湿及防 侵腐蚀设计 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 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 12 Cr 材料应用于某些部件 如隔板套及高 压汽封内环等采用 z GoCrl 3Ni 4M 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 2 2 5 r C 一I M 的 1 巧 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 E4 1ONI M 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 我们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 E4 l ON IMo 层 3 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 高压内 缸下半底部开设疏水口并安装疏水接 管 以排走腔室内的积水 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 3 2低压模块 低压模块通流部分采用 2X1 0 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 设计的双分流反 动式叶片 动叶片采用I S B机树型叶 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 末级采用 5 4 超长动叶片 低压模块共有 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 保证安全运行的需要 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 分为三部分 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 缸上半有四个人孔 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 0 0 3一0 o5 5Ma P g 大 气阀的铅板会破裂 进行危急排汽 从而保护低压缸 2 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 距尽可能小 这样既可以保证通流效 率 又可以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 3 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 保证了动静间隙的合理 性 进而提高了安全性 4 54英寸I SB末级动叶 低压末级动叶采用整体围带结 构 叶根采用直机数型结构 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 5 去湿及防 侵腐蚀设计 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 增圳机俏理丽刀 兰古构上遇廷圳 大静叶和动叶的轴间间隙使水滴能充 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刷能力 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 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 末级动静叶去湿及防侵腐蚀 3 3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孔的整体转 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 服应力和超低的磷硫含量可显著减少 应力腐蚀裂纹 SC C的危害 这样 可以显著降低 SC C 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 3 4 主要阀门 l 高压主汽阀和调节阀 两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 临时性的滤网放置在永久性过滤网的 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 减小了调节阀振动和腐蚀的可能性 2 再热主汽阀和调