核電汽輪機(jī)的熱力參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性

核電汽輪機(jī)的熱力參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性

0序言在原子能發(fā)生器中，由于與原子能發(fā)生器相結(jié)合的初始值準(zhǔn)較低，單通道的工作質(zhì)量具有裝飾性，因此將原子能發(fā)生器從現(xiàn)有系列可靠性氣體中分離出來。1設(shè)備的設(shè)計(jì)對比核電汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理基本上與火電汽輪機(jī)相同,在系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)上也大致相似,但在設(shè)備的設(shè)計(jì)方面卻存在著許多差異。核電汽輪機(jī)在熱力參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與材料選用、運(yùn)行維護(hù)方面具有一定的獨(dú)特性,主要體現(xiàn)在:1.1基于原子能汽車的設(shè)計(jì)參數(shù)的獨(dú)特性1.1.1降同功率壓水堆核電機(jī)組與火電機(jī)組相比初參數(shù)低得多且濕度大,主蒸汽為略帶濕度的飽和蒸汽(壓力一般在5MPa～7MPa,濕度為0.25%～0.5%),核電機(jī)組總焓降約為同功率火電機(jī)組的2/3,有效焓降僅為常規(guī)火電汽輪機(jī)的50%左右,其汽耗顯著增加,相應(yīng)疏水量隨之增大。同等容量核電汽輪機(jī)的進(jìn)汽量是火電機(jī)組的2倍,而容積流量則為4倍～6倍。蒸汽的容積流量增大,這就要求核電機(jī)組的通流面積要大于火電機(jī)組。表1列舉了哈汽公司為秦山二期核電站設(shè)計(jì)的核電650MW汽輪機(jī)和為沁北電廠生產(chǎn)的超臨界600MW火電汽輪機(jī)的熱力參數(shù)對照表。1.1.2def和abc在常規(guī)火電機(jī)組中蒸汽大部分處于過熱蒸汽狀態(tài),只有在低壓缸末幾級處于濕蒸汽狀態(tài)下。核電汽輪機(jī)只有低壓缸前幾級處于過熱狀態(tài),其余部分都處于飽和線之下的濕蒸汽狀態(tài)。圖1表示了蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹過程。圖中線段abcdef表示進(jìn)汽壓力24.2MPa的常規(guī)超臨界中間再熱機(jī)組的熱力過程線,飽和線上方為過熱蒸汽區(qū),下方為濕蒸汽區(qū),圖中僅有低壓缸中(ef段)末幾級葉片處于飽和線以下的濕蒸汽區(qū)工作,其余均在過熱區(qū)。線段ABCDE表示進(jìn)汽壓力6.41MPa的飽和蒸汽的膨脹過程曲線,AB表示蒸汽在高壓缸中的膨脹,在高壓缸作功后排入汽水分離再熱器進(jìn)行去濕再熱后達(dá)到過熱點(diǎn)C,然后進(jìn)入低壓缸膨脹線段CE,圖中僅有低壓缸中(CD段)前幾級處于過熱蒸汽狀態(tài),大部分處于飽和線以下的濕蒸汽區(qū)工作。從核電與火電熱力過程線中,可以明顯的看出兩者間熱力參數(shù)的差別。蒸汽膨脹過程表明核電汽輪機(jī)基本是在濕蒸汽狀態(tài)下工作,缸的效率要低點(diǎn),熱耗也要比火電機(jī)組大些,見表2。1.1.3配汽方式和能量大容量的火電汽輪機(jī)普遍采用噴嘴調(diào)節(jié)配汽方式。這種配汽方式只有在最后開啟的那組調(diào)節(jié)閥的汽流受到節(jié)流的影響,因此,節(jié)流導(dǎo)致的能量損失不會很大,所以,對于變工況運(yùn)行比較頻繁的火電機(jī)組是最佳的配汽方式。核電機(jī)組蒸汽參數(shù)低、流量大,采用噴嘴調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)級動葉片的應(yīng)力很高。同時(shí),對于濕蒸汽在噴嘴出口會發(fā)生“凝結(jié)激波”,使葉片出汽處產(chǎn)生裂紋,影響機(jī)組安全運(yùn)行。另外,由于節(jié)流配汽方式在閥門全開或稍有節(jié)流的額定負(fù)荷下要比噴嘴配汽效率高,所以對于帶基本負(fù)荷的核電汽輪機(jī)普遍采用節(jié)流調(diào)節(jié)。1.2再熱器設(shè)計(jì)核電站熱力循環(huán)中增加了蒸汽的汽水分離再熱循環(huán),這是核電站中常規(guī)島部分與常規(guī)火電的最大不同之處。核電汽輪機(jī)主蒸汽是飽和蒸汽,汽輪機(jī)通流部分濕度大,蒸汽對葉片的腐蝕很大,高壓缸的排汽濕度較大,如直接排入低壓缸將導(dǎo)致汽輪機(jī)零部件因水蝕而損壞。如果不采取措施低壓缸的排汽濕度將會達(dá)到20%多,對末級葉片的沖刷腐蝕相當(dāng)大,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行和效率,所以,為了降低進(jìn)入低壓缸蒸汽的濕度、提高蒸汽的溫度,使其具有一定的過熱度、提高循環(huán)熱效率、改善低壓缸的工作條件,防止和減少濕蒸汽對汽輪機(jī)低壓缸零部件的腐蝕,在汽輪機(jī)高壓缸和低壓缸(或中壓缸)之間設(shè)有汽水分離再熱器。汽水分離再熱循環(huán)具有兩個(gè)作用:首先起到汽水分離的作用,經(jīng)過汽水分離器可以除去高壓缸排出蒸汽中98%的水份;其次為了提高蒸汽的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性,避免多級去濕,需要對蒸汽進(jìn)行中間再熱。在核電站中,經(jīng)過汽水分離后接近于干蒸汽的蒸汽首先進(jìn)入一級再熱器進(jìn)行加熱。一級加熱器一般由高壓缸抽汽作為加熱汽源進(jìn)行加熱,加熱后的蒸汽進(jìn)入由新蒸汽作為加熱汽源的二級再熱器進(jìn)行加熱。經(jīng)過汽水分離和兩級再熱后的蒸汽變成具有一定過熱度的干蒸汽排入低壓缸,此時(shí)低壓缸進(jìn)汽蒸汽參數(shù)與常規(guī)火電機(jī)組相當(dāng),大大提高了低壓缸的效率,改善了低壓通流部分的工作條件,防止或減少濕蒸汽對低壓缸部件的腐蝕和侵蝕。核電機(jī)組設(shè)計(jì)汽水分離系統(tǒng)作為中間再熱提升低壓缸進(jìn)汽的溫度,既提高機(jī)組效率又保障設(shè)備安全,與火電機(jī)組設(shè)置中間再熱器結(jié)構(gòu)不同,功能相當(dāng)。1.3流部分和動、靜葉片的設(shè)計(jì)目前各大公司廣泛應(yīng)用可控渦流設(shè)計(jì)和全三元流設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行通流部分和動、靜葉片的設(shè)計(jì),尤其是低壓缸的通流部分和末級長葉片的設(shè)計(jì)。在氣動設(shè)計(jì)方面核電和火電機(jī)組設(shè)計(jì)理念幾乎完全相同,但是在強(qiáng)度設(shè)計(jì)、兩相流設(shè)計(jì)和通流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還是有些不同。1.3.1葉根及葉根槽的許用系數(shù)由于核電汽輪機(jī)葉片在安全性方面有更嚴(yán)格的要求,在設(shè)計(jì)中采用了更好的材料和更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),為了保證葉片安全可靠運(yùn)行,動葉片和轉(zhuǎn)子輪緣靜應(yīng)力必須限制在較低水平。對于工作溫度較低的動葉片,許用應(yīng)力是依據(jù)屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)建立起來的。由于核電汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的濕度比火電汽輪機(jī)大,這種環(huán)境更易造成應(yīng)力腐蝕裂紋,故動葉的葉根及葉根槽的許用應(yīng)力要比常規(guī)火電機(jī)組低,其許用值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。對不調(diào)頻葉片,要計(jì)算葉輪槽倒角半徑處的峰值應(yīng)力,這些區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,同時(shí),在這些區(qū)域的峰值應(yīng)力也包括了應(yīng)力集中的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在低壓過渡區(qū)不調(diào)頻葉片的許用安全系數(shù)大約是火電機(jī)組的2倍～3倍。對于調(diào)頻葉片,其大部分安全系數(shù)核電與火電一樣,這是因?yàn)閷τ趹?yīng)力腐蝕敏感的區(qū)域發(fā)生在上游不調(diào)頻葉片區(qū)。1.3.2飽和區(qū)的影響在汽輪機(jī)低壓缸中,有些級在飽和線以下的濕蒸汽區(qū)工作。蒸汽從過熱膨脹進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)要釋放能量,會出現(xiàn)劇烈的過冷現(xiàn)象,蒸汽中出現(xiàn)第一次成核和第二次成核,并在凝結(jié)核表面產(chǎn)生劇烈的凝結(jié)。兩相流對核電機(jī)組低壓缸的影響要比常規(guī)火電大得多。所以在動葉片設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮兩相流的影響。1.3.3采用司太立材料片改變?nèi)~片流道通常采用的結(jié)構(gòu)有:在末三級動葉頂部采用蜂窩汽封減少自由葉片頂部漏汽損失,可以收集葉片流道內(nèi)的水汽,增強(qiáng)去濕能力,減少濕氣損失;末三級動葉進(jìn)汽邊焊有司太立合金片,能有效地防止動葉片水蝕,提高機(jī)組效率和安全性;適當(dāng)加大末幾級的動、靜葉片間的軸向距離,這樣可以保證水滴的充分霧化,減少水滴對葉片的沖擊腐蝕;采用空心靜葉或帶縫的靜葉片等措施。1.4原子能發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性1.4.1低壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)置由于蒸汽初參數(shù)低和容積流量大,與常規(guī)火電機(jī)組相比,相同容量的核電汽輪機(jī)需要較大的通流能力和排汽面積。核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)多采用1個(gè)高壓缸(或高中壓合缸)加2～3個(gè)低壓缸的結(jié)構(gòu)且汽缸的尺寸和重量較常規(guī)火電要大些,尤其對于半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)汽缸的尺寸和重量更大。核電汽輪機(jī)高壓缸一般都是雙流程結(jié)構(gòu)形式且在材料選擇上必須用抗腐蝕的材料,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也要充分考慮高壓缸的濕氣損失及高壓缸出口蒸汽的濕度,防止出現(xiàn)拉絲及水刷侵蝕,對高壓缸必須采取特殊的除濕防腐措施。一般具體采用的除濕措施有:增大級間疏水孔的尺寸或數(shù)量以加大級間疏水;增加抽汽口或疏水口等。特殊的防水蝕措施有:在高壓內(nèi)、外缸安裝隔板套及端部內(nèi)汽封的凸肩支承面處堆焊不銹鋼(E410NiMo)層,對于中分面連接螺栓在中分面處加不銹鋼保護(hù)套?；诤穗娖啓C(jī)低壓轉(zhuǎn)子重量大的特點(diǎn)在低壓缸設(shè)計(jì)上要充分考慮到軸承座的剛性因素。對于軸承箱支撐在低壓缸上的結(jié)構(gòu),低壓缸必須有足夠的剛性來保證軸承座的剛度。對于百萬等級半轉(zhuǎn)速的核電汽輪機(jī)的低壓缸,目前世界上先進(jìn)的制造廠都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)。如三菱公司采用低壓內(nèi)、外缸、軸承座全部落地的結(jié)構(gòu);阿爾斯通采用外缸直接與凝汽器喉部焊接連接,軸承座落在內(nèi)缸上而內(nèi)缸直接落地的結(jié)構(gòu);相同功率的常規(guī)火電汽輪機(jī),毫無例外地由高、中、低壓缸組成,并且低壓缸的數(shù)量要比相同轉(zhuǎn)速的核電汽輪機(jī)數(shù)量要少。核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)相比,高壓缸排汽口、低壓缸進(jìn)汽口數(shù)量要多,與汽缸連接的管道口徑大,這樣汽缸受力狀況復(fù)雜,所以,對汽缸的穩(wěn)定性要求比火電機(jī)組嚴(yán)格。1.4.2主汽-調(diào)節(jié)聯(lián)合閥由于新蒸汽壓力低,其比容將明顯高于常規(guī)汽輪機(jī)。也就是說核電汽輪機(jī)頭部必須能通過非常大的蒸汽容積流量,從而使主汽閥和調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)復(fù)雜化。為了減少布置的復(fù)雜性,核電汽輪機(jī)高壓主汽閥一般采用主汽-調(diào)節(jié)聯(lián)合閥的結(jié)構(gòu)形式,無論是尺寸還是重量、閥門口徑等都要比同容量火電機(jī)組大得多。同時(shí)由于與主汽閥連接的主蒸汽管道以及高壓導(dǎo)汽管的口徑較火電機(jī)組大得多,對閥門的推力非常大,所以閥門必須有足夠的穩(wěn)定性以承受管道的推力。1.4.3增加汽化水膜殘余蒸汽的毒性如同大型常規(guī)汽輪機(jī)一樣,在發(fā)電機(jī)甩全負(fù)荷而調(diào)節(jié)閥正在關(guān)閉的過程中(以及調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后的一段時(shí)間內(nèi)),飽和蒸汽汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速將增加。在閥門關(guān)閉后由于汽輪機(jī)、連通管、汽水分離再熱器和其它設(shè)施中剩余蒸汽作用以及各腔室內(nèi)、通道、蒸汽管道和汽水分離再熱器中積聚的水分或水膜的汽化,轉(zhuǎn)速還會增加。由于設(shè)備中殘余的濕蒸汽閃蒸量大于常規(guī)的火電機(jī)組,所以核電汽輪機(jī)與火電機(jī)組相比更容易超速,為防止汽輪機(jī)超速一般在汽水分離再熱器和低壓缸進(jìn)口之間的連通管上設(shè)置再熱主汽閥和再熱截止閥,這樣可以保證升速限制在允許范圍內(nèi)。冷凝式的火電機(jī)組一般在連通管上不設(shè)置再熱主汽閥和再熱截止閥,這也是二者最大的不同。1.5材料的導(dǎo)濕性能核電汽輪機(jī)蒸汽是帶有一定濕度的飽和蒸汽,機(jī)組的運(yùn)行溫度一般低于所用金屬材料的蠕變斷裂溫度,所以對材料的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能要求大大降低,但是核電汽輪機(jī)進(jìn)汽濕度大,高溫、高壓的濕蒸汽具有極強(qiáng)的侵蝕性,因此核電汽輪機(jī)選材考慮的主要問題是材料的防侵蝕性能。1.5.1材料來源的確定各主要零部件材料的選擇,考慮到既有足夠的強(qiáng)度性能又有足夠的抗侵蝕性能。高壓缸進(jìn)汽溫度一般低于300℃,因此沒有必要選用抗蠕變性能較高的轉(zhuǎn)子材料,但要選擇防止脆性斷裂的材料。高壓內(nèi)、外缸、進(jìn)汽導(dǎo)流環(huán)采用抗侵蝕性能優(yōu)越的ZG15Cr2Mo1,該材料為2.25Cr-1Mo鋼,根據(jù)研究結(jié)果表明,如果汽缸壁因水蝕減薄1in,就要對因水蝕減薄的缸壁進(jìn)行堆焊處理。經(jīng)驗(yàn)表明,如果上述部件采用碳鋼材料,上述情況將大約在機(jī)組運(yùn)行20年后出現(xiàn),即在汽輪機(jī)組壽命期內(nèi)至少需堆焊一次;如果上述部件采用1.25Cr-0.5Mo鋼,在汽輪機(jī)組壽命期40年的最后幾年可能需要進(jìn)行堆焊處理;如果上述部件采用2.25Cr-1Mo鋼,則可以滿足在汽輪機(jī)組壽命期內(nèi)不必重新堆焊的要求。2.25Cr-1Mo鋼的抗水蝕能力大約是1.25Cr-0.5Mo鋼的2倍。因此,使用ZG15Cr2Mo1材料可以保證汽缸等部件在汽輪機(jī)組壽命期內(nèi)不必作因水蝕引起的堆焊修理。隔板套、內(nèi)汽封、外汽封選用不銹鋼ZG0Cr13Ni4Mo。該材料為12%Cr鋼,其侵蝕速率為碳鋼的1/500,為2.25Cr-0.5Mo鋼的1/60,為2.25Cr-1Mo的1/15。從而保證這些部件有足夠的抗侵蝕性能。1.5.2壓床由于其進(jìn)汽參數(shù)和常規(guī)火電汽輪機(jī)差不多,因此對于低壓缸材料的選擇同常規(guī)火電汽輪機(jī)一樣一般為碳鋼。1.5.3采用高溫缸排汽到msr的冷段主汽閥和高壓缸之間管道以及低壓缸進(jìn)汽管道由于蒸汽濕度一般低于0.5%,所以選用一般碳鋼材料;高壓缸排汽到MSR的冷段再熱管和抽汽管道濕度較大,為了防止水蝕一般選用21/4CrMo合金鋼。表3列出了秦山二期核電機(jī)組與常規(guī)火電的材料對照表,從表中可以看出核電汽輪機(jī)選材的獨(dú)特性。1.6相控制率低的火電場壓水堆核電站汽輪機(jī),由于其主蒸汽為帶有0.25%～0.5%濕度的飽和蒸汽,通流部分絕大多數(shù)級處在濕蒸汽區(qū),所以有如下運(yùn)行特點(diǎn):(1)對于疏水的控制及運(yùn)行,核電的要求比火電要高一些。高低壓缸和中間汽水分離再熱器排出的水量很大,運(yùn)行時(shí)必須保證這部分水正常疏水放掉和用于給水回?zé)峒訜?。所有疏水管道上?yīng)該裝有止逆閥門,以防止汽輪機(jī)進(jìn)水的事故,甩負(fù)荷時(shí)防止水分蒸發(fā)使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子嚴(yán)重超速。(2)由于核電汽輪機(jī)與常規(guī)火電機(jī)組比增加了汽水分離再熱系統(tǒng),所以在運(yùn)行中增加了汽水分離再熱器的運(yùn)行控制要求。(3)核電汽輪機(jī)為了防止超速在低壓缸的進(jìn)汽管道上安裝了再熱主汽閥和再熱截止閥,因此這部分的控制要求火電是沒有的。(4)核電汽輪機(jī)的溫度低的特點(diǎn)決定了各部件的熱膨脹值較小,所以汽輪機(jī)啟動、運(yùn)行、停機(jī)過程中受到脹差的影響比火電要小。(5)飽和蒸汽的汽輪機(jī)的啟動時(shí)間比火電機(jī)組啟動時(shí)間短,約可縮短1/3。(6)由于汽缸尺寸大,上下缸同一橫斷面的溫差為10℃左右,將引起間隙的變化約為10%,所以要嚴(yán)格控制上、下缸溫差。(7)由于飽和蒸汽放熱系數(shù)大,大大提高蒸汽到金屬表面的放熱、傳熱強(qiáng)度,在經(jīng)常甩負(fù)荷或大幅度變