核電汽輪機的特點

核電汽輪機的特點第1頁/共40頁2023/4/142核電汽輪機膨脹過程線：1－無任何措施2－采取內部除濕手段3－采用分離再熱器4－常規(guī)火電站汽輪機組熱力過程線22343二、壓水堆型核電站循環(huán)分缸外置式汽水分離器內部除濕再熱常規(guī)電廠第2頁/共40頁2023/4/143第二節(jié)濕蒸汽在通流部分的流動

汽輪機通流部分內的凝結過程的復雜性主要是由于流動的三元特性造成的，不存在一個明顯的凝結面。濕蒸汽中所攜帶的水滴一般分為兩類：（1）飽和蒸汽在整個通流部分內不斷生成和凝結長大的小水滴，占整個濕度質量的90％，侵蝕作用小，但可能因碰撞而聚集形成水膜；（2）噴嘴葉片表面上的水膜在高速汽流攜帶作用下，從出口邊上撕裂而成的水滴，占10％左右，侵蝕作用大，對葉片的制動作用大；第3頁/共40頁2023/4/144第三節(jié)飽和蒸汽對汽輪機設計的影響一、飽和蒸汽參數(shù)低

飽和蒸汽參數(shù)為2.5～6.0MPa,當汽輪機的排汽壓力相近時，核動力汽輪機的可用焓降只是高參數(shù)、再熱式常規(guī)電站汽輪機可用焓降的一半左右。直接影響是：核動力汽輪機的級數(shù)少而沒有中壓汽缸。低壓缸功率占全部功率的比例增大，約為50％一60％，因此，低壓汽輪機的經(jīng)濟性對整個汽輪機有重要影響。汽輪機的排汽損失、分離再熱器和進、排汽管道的壓力損失對核動力汽輪機的經(jīng)濟性影響增大。第4頁/共40頁2023/4/145二、蒸汽容積流量大

核動力汽輪機在結構上有下列特點：進汽管道和閥門的重量、尺寸大。當功率增大到500～800MW時高壓缸要做成雙流路的。高壓缸葉片高，扭葉片數(shù)量增多，增加了設備的投資額。由于葉片高度增大，增加了調節(jié)級設計的困難；低負荷時葉片的彎曲應力增大，盡量避免采用噴嘴調節(jié)。出口蒸汽容積流量大，不僅使末級葉片增高（加大汽輪機徑向尺寸），還要采用多排汽口結構，使汽輪機結構復雜，重量、尺寸大。第5頁/共40頁2023/4/146

冷凝器換熱面增大，循環(huán)水量幾乎增加一倍。三、蒸汽的濕度大

一般可近似地認為級的平均濕度增大1％，級的內效率降低1％，所以蒸汽濕度的增加降低了級的效率。內部分離去濕法：在汽缸內壁、隔板外環(huán)采用的溝槽式分離，噴嘴葉片的縫隙式抽吸分離，增大軸向間隙去濕，抽汽去濕等。外置式分離器或分離再熱器以上去濕方法確保末級的蒸汽濕度不超過12％，提高了級的效率。第6頁/共40頁2023/4/147四、增大單機功率增大排汽口的通流能力，主要受最末級的排汽面積影響。相同末級葉片高度時，提高排汽壓力或增大排汽損失都能明顯增大單機功率，但將損失汽輪機的經(jīng)濟性。采用半轉速汽輪機，但在實際應用中受到汽輪機結構尺寸和制造工藝上的限制，所以在低速汽輪機中葉片高度和平均直徑只增大50％左右。第7頁/共40頁2023/4/148五、核電汽輪機的可靠性在設計時要有較大的安全系數(shù)，使受力部件工作更可靠。采用質地更好的結構材料，不僅許用應力大，有更高的抗蠕變性能。設計效率高、受力條件更好的噴嘴葉柵和工作葉柵。采用高效的內除濕措施和外置式分離器，有效的減少級的蒸汽濕度。對工作葉片進汽邊背弧的頂部、縫隙、彎頭等易受水滴沖刷侵蝕部位、采用有效的防護措施。第8頁/共40頁2023/4/149六、對汽輪機甩負荷特性的影響甩負荷特性：汽輪機突然甩掉負荷時，工作轉速仍控制在超速11％～12％范圍內的能力。汽缸內、蒸汽管道內及分離再熱器內殘存的大量汽體，流向冷凝器時仍可發(fā)出功率，不能使汽輪機轉子馬上停下來。汽缸內轉子和靜子的表面都存在水膜，凹坑及中間汽水分離器內部存在有水份，閃蒸現(xiàn)象產生大量的汽體，使轉子在甩負荷后轉速可能繼續(xù)增加到15％～25％。第9頁/共40頁2023/4/1410

可采取的措施在分離再熱器后，蒸汽進入低壓缸前的蒸汽管道上加裝速關閥門，但這種大尺寸、要求關閉動作迅速的閥門，制造起來難度較大。減少高、低壓缸之間的管道尺寸，提高分缸壓力，把分離再熱器設計在一個殼體內。減少汽缸內的凹坑，加強汽缸和管道內的疏水工作。第10頁/共40頁2023/4/1411七、劑量防護正常工況下二回路不會產生放射性物質，汽輪機放置在常規(guī)島內；對二回路水要進行放射性監(jiān)測；對沸水堆工作的汽輪機要采用密封外殼，并提高法蘭的嚴密性，并且汽輪機外部密封的封汽要用專門的鍋爐產生的清潔蒸汽供應；第11頁/共40頁2023/4/1412內部去濕裝置：在汽輪機通流部分所采取的去濕措施。分類：（1）噴嘴葉片上的縫隙式去濕裝置（2）汽缸和隔板外環(huán)上的溝槽式去濕裝置一、縫隙式去濕裝置對象：數(shù)量不多但尺寸較大的水滴，對工作葉片的侵蝕起決定性作用。方法：把噴嘴葉片上的水膜在離開出口邊前抽走。第四節(jié)飽和汽輪機的內部去濕裝置第12頁/共40頁2023/4/14131、2區(qū)：水膜在葉片出口邊脫離形成大直徑的水滴，速度低，是對主汽流干擾、對工作葉片侵蝕的主要原因。3區(qū)：水膜在噴管內脫離。4區(qū)：水滴噴濺區(qū)第13頁/共40頁2023/4/1414措施：噴嘴葉片表面水膜較厚的上部1/3長度內開去濕縫隙，一般縫隙寬約為2.0～2.5mm左右。靜葉片兩側的縫隙去濕邊緣去濕第14頁/共40頁2023/4/1415第15頁/共40頁2023/4/1416二、溝槽式去濕裝置原理：在隔板的外環(huán)加裝疏水環(huán)或在汽缸的內壁車出疏水溝槽，使由噴嘴葉片出口撕裂下來的大水滴受到離心力作用發(fā)生徑向運動而被捕捉。第16頁/共40頁2023/4/1417第五節(jié)飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器一、概述（1）高效率的外部去濕裝置可使?jié)裾羝稍锏統(tǒng)2=0.5％～1％，顯著的降低了進入低壓缸的蒸汽濕度；（2）利用新蒸汽對干燥后的蒸汽進行加熱，使其稍有過熱度，可以提高機組的經(jīng)濟性并保證機組安全；（3）外置式汽水分離再熱裝置可提高裝置效率2.0～2.5%，但其體積和重量龐大，增加了設備投資和二回路故障。第17頁/共40頁2023/4/1418二、分缸壓力的選擇

外置式分離再熱器安裝在高壓缸出口，外置式分離再熱器的工作壓力就是核動力汽輪機的分缸壓力。分缸壓力高，低壓缸級數(shù)多，汽輪機末級濕度可能超出允許范圍；分缸壓力低，分離效果好，但對高壓缸要求提高；在只采用一級外置式汽水分離去濕的條件下，最佳分缸壓力為p分＝(0.1～0.15)p0，可使裝置效率提高25％～30％。

在具有中間再熱器的情況下，為了使干燥的蒸汽在較多的級內帶來好處，使汽輪機的分缸壓力提高些。第18頁/共40頁2023/4/1419三、分離器的種類1、旋風分離器原理：汽流沿切向進入筒體，兩相流體的質量不同，所受到的離心力不同，水滴在較大的離心力作用下發(fā)生徑向運動，與筒壁相碰被捕捉而從蒸汽中被分離出來形成水膜沿壁面流下被疏出。優(yōu)點：對大水滴分離效果較好；缺點：剩余濕度較大；工質流動速度較高，分離器的流動阻力也比較大。第19頁/共40頁2023/4/14202、波紋板式分離器原理：濕蒸汽進入曲折的波紋形狀的金屬薄板通道內高速流動時，質量大的水滴在轉彎時慣性大而與板壁碰撞被捕捉吸附形成水膜，而把水滴由汽流中分離出來。

優(yōu)點：分離效率可高達95％以上，最終濕度可達到0.5％左右，應用廣泛。缺點：因波紋板分離器受汽流速度的限制，因此波紋板分離器的重量體積比較大。第20頁/共40頁2023/4/14213、金屬絲網(wǎng)分離器原理：大量的細金屬絲墊形成巨大的表面積，與蒸汽充分接觸。表面的吸附和細絲的阻擋作用可以使蒸汽中各種尺寸的水滴碰撞到金屬絲上被細絲捕捉。優(yōu)點：分離特性好（0.2％～0.3％），流動阻力低（250～400Pa）。缺點：絲網(wǎng)分離器的工作速度低，因此，絲網(wǎng)分離器體積龐大，金屬絲太細抗腐蝕性能差而壽命低，只適合做細分離器。第21頁/共40頁2023/4/14224、分離再熱器汽水分離器波紋板分離器（y2=0.3％～0.5％）再熱器臥式分離再熱器的表面式再熱管束采用U形管式，布置在分離器的上部。加熱器可以做成兩級的，第一級用高壓缸抽汽進行加熱，第二級用新蒸汽進行加熱，這種方案使裝置結構復雜，但循環(huán)效率比一級加熱提高0.2％～0.6％。第22頁/共40頁2023/4/1423

對于外置式分離再熱器的要求分離效率要高，不同的分離器結構，分離器效率可能差別很大，準確的分離效率要由熱態(tài)試驗來確定。設備的總流動阻力要小，阻力過大必然對裝置的效率造成大的影響。分離再熱器的結構緊湊、能盡量減小重量尺寸，對布置方便、減少設備投資都是有利的。提高工作可靠性。第23頁/共40頁2023/4/1424第24頁/共40頁2023/4/1425第六節(jié)飽和蒸汽對工作葉片的侵蝕和防護一、侵蝕作用的機理1、水錘力2、侵蝕作用二、對工作葉片積極的防護方法1、努力減少級的蒸汽濕度2、減少水滴對工作葉片的撞擊作用3、降低工作葉片的外緣圓周速度（1）減少最末級葉片的高度（2）降低汽輪機轉速第25頁/共40頁2023/4/1426三、對工作葉片的消極防護方法（1）工作葉片采用耐侵蝕材料（2）在葉片易受侵蝕的部位鑲嵌司太立硬質合金塊（3）在葉片易受侵蝕的部位采用局部加工工藝第26頁/共40頁2023/4/1427第七節(jié)半速汽輪機一、概況

到目前為止，世界上已投運的單軸百萬千瓦級及以上的核電機組大約共有219臺，其中半速機209臺，全速機10臺。在電網(wǎng)頻率是60Hz的國家中，幾乎全部采用半速機組，在電網(wǎng)頻率為50Hz的國家中，絕大多數(shù)為半速機組。在我國大陸已投運的核電機組中，只有秦山三期、嶺澳二期及紅沿河的汽輪發(fā)電機組為半速機，其余全部為全速機。

從制造來看，西門子、三菱、日立、東芝生產的百萬千瓦級以上的機組全部為半速機組。ABB和ALSTOM既生產半速機組又生產全速機組。俄羅斯生產全轉速機組。第27頁/共40頁2023/4/1428二、核電采用半轉速汽輪機的原因

采用半速機組有利于提高單機的極限功率和機組效率，有利于降低葉片的設計難度。對于全速汽輪機，同樣長度的葉片承受到的離心力是半速機的四倍，因此全速汽輪機不可能采用較長的葉片。采用半速機在同樣的末級葉片應力和強度的情況下，可使汽輪機的功率大約增加四倍。在同樣末級葉片情況下，由于半速機葉頂速度降低，葉片的水蝕量減小，同時降低了轉動部件的應力。在給定功率的前提下，由于可以采用更長的末級葉片來增加排汽面積，因此可以減少排汽缸的數(shù)量，降低設備及廠房的投資。第28頁/共40頁2023/4/1429三、全轉速與半轉速汽輪機的比較

經(jīng)濟性比較1、熱效率比較（1）通流部分效率（葉片長，級數(shù)少）（2）排汽損失（葉片長）（3）葉片侵蝕（轉速低）2、百萬千瓦級核電汽輪機熱效率

目前百萬千瓦級核電半速汽輪機熱效率比全速汽輪機高，平均高出2％，最多的高出3.3%。如果反應堆熱輸出功率為2905MW，即相當于出力提高9.6%。第29頁/共40頁2023/4/1430

安全可靠性1、應力水平

靜子部件的應力水平大致相當，但對于轉動部件來說，兩者應力水平差別就比較大。由離心力引起動葉片的拉伸應力[σ]由下式表示：σ＝MRω2M是動葉片的質量；R是動葉片的平均旋轉半徑；經(jīng)測算，全速汽輪機轉子應力比半速汽輪機高1.3～2倍。第30頁/共40頁2023/4/14312、汽缸的穩(wěn)定性

在功率等級相同條件下，半速汽輪機尺寸和重量比全速機大，因而承受外界對機組產生的力和力矩的能力比全速汽輪機強，其穩(wěn)定性優(yōu)于全速機。3、抗侵蝕、腐蝕能力

侵蝕速率式中，u—頂部速度，m—蒸汽濕度。在采用相同的葉片材料、相同的防水蝕措施情況下，半速汽輪機葉片的侵蝕情況沒有全速汽輪機嚴重。第31頁/共40頁2023/4/14324、運行的靈活性

半速汽輪機由于轉子直徑大、重量重，高壓缸的汽缸壁較厚，導致熱應力增大，在快速起動和變負荷適應性方面比全速汽輪機稍微差些，但由于核電機組大部分為帶基本負荷運行，起、停、變負荷次數(shù)較少，加上核電的進汽參數(shù)比較低，因此熱應力的影響不是太大。5、機組的振動特性半速汽輪機由于轉速較全速低、轉子重量重、轉動慣量大，因此其對激振力的敏感程度比全速機低，抗振性能比全速機優(yōu)。第32頁/共40頁2023/4/14336、機組的超速特性

半速汽輪機由于體積大，產生超速的蒸汽體積大于全速汽輪機。但半速汽輪機轉子重量大，其轉動慣量也較大，所以其超速幅度受到限制?？偟恼f來，全速機與半速機超速特性相當，即汽輪機甩負荷后的超速與其轉速沒有太大的關系。

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投資成本1、材料消耗半速汽輪機的材料消耗量要比全轉速汽輪機超出2倍。但半速機低壓缸的數(shù)量比全速機減少，因此半速汽輪機組的重量是全轉速機組的1.2～2.4倍。2、制造、起吊、運輸、土建、安裝等方面的成本由于半速汽輪機的尺寸和重量比全速汽輪機大，半速汽輪機比全速汽輪機的投資成本相應要高。據(jù)介紹，設備造價和安裝土建費，半速機比全速機高20％～30％，對整個常規(guī)島相當于高7％。第34頁/共40頁2023/4/1435第35頁/共40頁2023/4/1436

發(fā)展?jié)摿?、極限功率

一般分析認為，全速汽輪機適合用于1200MW以下，否則機組的安全可靠性不容易得到保證，而半速汽輪機則可達到1700MW甚至更高。2、發(fā)展趨勢

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