核電汽輪機(jī)的特點(diǎn)

2024/11/51第一節(jié)核電汽輪機(jī)的應(yīng)用一、概述飽和蒸汽的產(chǎn)生：（1）壓水堆和沸水堆核電站（2）利用余熱發(fā)電的余熱鍋爐（3）利用地?zé)岚l(fā)電的閃發(fā)裝置壓水堆的基本熱線圖一回路工作壓力一般達(dá)到13.72～15.68MPa；一回路飽和溫度為335℃～346℃；反應(yīng)堆出口溫度為300℃～315℃。

二回路側(cè)飽和蒸汽壓力4.9～6.86MPa；參數(shù)不高2024/11/52核電汽輪機(jī)膨脹過(guò)程線：1－無(wú)任何措施2－采取內(nèi)部除濕手段3－采用分離再熱器4－常規(guī)火電站汽輪機(jī)組熱力過(guò)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(nèi)部除濕再熱常規(guī)電廠2024/11/53第二節(jié)濕蒸汽在通流部分的流動(dòng)

汽輪機(jī)通流部分內(nèi)的凝結(jié)過(guò)程的復(fù)雜性主要是由于流動(dòng)的三元特性造成的，不存在一個(gè)明顯的凝結(jié)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(gè)通流部分內(nèi)不斷生成和凝結(jié)長(zhǎng)大的小水滴，占整個(gè)濕度質(zhì)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(duì)葉片的制動(dòng)作用大；2024/11/54第三節(jié)飽和蒸汽對(duì)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)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(dāng)汽輪機(jī)的排汽壓力相近時(shí)，核動(dòng)力汽輪機(jī)的可用焓降只是高參數(shù)、再熱式常規(guī)電站汽輪機(jī)可用焓降的一半左右。直接影響是：核動(dòng)力汽輪機(jī)的級(jí)數(shù)少而沒(méi)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)有重要影響。汽輪機(jī)的排汽損失、分離再熱器和進(jìn)、排汽管道的壓力損失對(duì)核動(dòng)力汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響增大。2024/11/55二、蒸汽容積流量大

核動(dòng)力汽輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上有下列特點(diǎn)：進(jìn)汽管道和閥門的重量、尺寸大。當(dāng)功率增大到500～800MW時(shí)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(shè)備的投資額。由于葉片高度增大，增加了調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)的困難；低負(fù)荷時(shí)葉片的彎曲應(yīng)力增大，盡量避免采用噴嘴調(diào)節(jié)。出口蒸汽容積流量大，不僅使末級(jí)葉片增高（加大汽輪機(jī)徑向尺寸），還要采用多排汽口結(jié)構(gòu)，使汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、尺寸大。2024/11/56

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(rèn)為級(jí)的平均濕度增大1％，級(jí)的內(nèi)效率降低1％，所以蒸汽濕度的增加降低了級(jí)的效率。內(nèi)部分離去濕法：在汽缸內(nèi)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(jí)的蒸汽濕度不超過(guò)12％，提高了級(jí)的效率。2024/11/57四、增大單機(jī)功率增大排汽口的通流能力，主要受最末級(jí)的排汽面積影響。相同末級(jí)葉片高度時(shí)，提高排汽壓力或增大排汽損失都能明顯增大單機(jī)功率，但將損失汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。采用半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，但在實(shí)際應(yīng)用中受到汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝上的限制，所以在低速汽輪機(jī)中葉片高度和平均直徑只增大50％左右。2024/11/58五、核電汽輪機(jī)的可靠性在設(shè)計(jì)時(shí)要有較大的安全系數(shù)，使受力部件工作更可靠。采用質(zhì)地更好的結(jié)構(gòu)材料，不僅許用應(yīng)力大，有更高的抗蠕變性能。設(shè)計(jì)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(nèi)除濕措施和外置式分離器，有效的減少級(jí)的蒸汽濕度。對(duì)工作葉片進(jìn)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(hù)措施。2024/11/59六、對(duì)汽輪機(jī)甩負(fù)荷特性的影響甩負(fù)荷特性：汽輪機(jī)突然甩掉負(fù)荷時(shí)，工作轉(zhuǎn)速仍控制在超速11％～12％范圍內(nèi)的能力。汽缸內(nèi)、蒸汽管道內(nèi)及分離再熱器內(nèi)殘存的大量汽體，流向冷凝器時(shí)仍可發(fā)出功率，不能使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子馬上停下來(lái)。汽缸內(nèi)轉(zhuǎn)子和靜子的表面都存在水膜，凹坑及中間汽水分離器內(nèi)部存在有水份，閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生大量的汽體，使轉(zhuǎn)子在甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速可能繼續(xù)增加到15％～25％。2024/11/510

可采取的措施在分離再熱器后，蒸汽進(jìn)入低壓缸前的蒸汽管道上加裝速關(guān)閥門，但這種大尺寸、要求關(guān)閉動(dòng)作迅速的閥門，制造起來(lái)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(shè)計(jì)在一個(gè)殼體內(nèi)。減少汽缸內(nèi)的凹坑，加強(qiáng)汽缸和管道內(nèi)的疏水工作。2024/11/511七、劑量防護(hù)正常工況下二回路不會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)，汽輪機(jī)放置在常規(guī)島內(nèi)；對(duì)二回路水要進(jìn)行放射性監(jiān)測(cè)；對(duì)沸水堆工作的汽輪機(jī)要采用密封外殼，并提高法蘭的嚴(yán)密性，并且汽輪機(jī)外部密封的封汽要用專門的鍋爐產(chǎn)生的清潔蒸汽供應(yīng)；2024/11/512內(nèi)部去濕裝置：在汽輪機(jī)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(duì)象：數(shù)量不多但尺寸較大的水滴，對(duì)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(jī)的內(nèi)部去濕裝置2024/11/5131、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(duì)主汽流干擾、對(duì)工作葉片侵蝕的主要原因。3區(qū)：水膜在噴管內(nèi)脫離。4區(qū)：水滴噴濺區(qū)2024/11/514措施：噴嘴葉片表面水膜較厚的上部1/3長(zhǎng)度內(nèi)開去濕縫隙，一般縫隙寬約為2.0～2.5mm左右。靜葉片兩側(cè)的縫隙去濕邊緣去濕2024/11/5152024/11/516二、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(nèi)壁車出疏水溝槽，使由噴嘴葉片出口撕裂下來(lái)的大水滴受到離心力作用發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)而被捕捉。2024/11/517第五節(jié)飽和汽輪機(jī)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(jìn)入低壓缸的蒸汽濕度；（2）利用新蒸汽對(duì)干燥后的蒸汽進(jìn)行加熱，使其稍有過(guò)熱度，可以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性并保證機(jī)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(shè)備投資和二回路故障。2024/11/518二、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(dòng)力汽輪機(jī)的分缸壓力。分缸壓力高，低壓缸級(jí)數(shù)多，汽輪機(jī)末級(jí)濕度可能超出允許范圍；分缸壓力低，分離效果好，但對(duì)高壓缸要求提高；在只采用一級(jí)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(jí)內(nèi)帶來(lái)好處，使汽輪機(jī)的分缸壓力提高些。2024/11/519三、分離器的種類1、旋風(fēng)分離器原理：汽流沿切向進(jìn)入筒體，兩相流體的質(zhì)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(yùn)動(dòng)，與筒壁相碰被捕捉而從蒸汽中被分離出來(lái)形成水膜沿壁面流下被疏出。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)大水滴分離效果較好；缺點(diǎn)：剩余濕度較大；工質(zhì)流動(dòng)速度較高，分離器的流動(dòng)阻力也比較大。2024/11/5202、波紋板式分離器原理：濕蒸汽進(jìn)入曲折的波紋形狀的金屬薄板通道內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量大的水滴在轉(zhuǎn)彎時(shí)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(lái)。

優(yōu)點(diǎn)：分離效率可高達(dá)95％以上，最終濕度可達(dá)到0.5％左右，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：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。2024/11/5213、金屬絲網(wǎng)分離器原理：大量的細(xì)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(xì)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(xì)絲捕捉。優(yōu)點(diǎn)：分離特性好（0.2％～0.3％），流動(dòng)阻力低（250～400Pa）。缺點(diǎn)：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(xì)抗腐蝕性能差而壽命低，只適合做細(xì)分離器。2024/11/5224、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(jí)的，第一級(jí)用高壓缸抽汽進(jìn)行加熱，第二級(jí)用新蒸汽進(jìn)行加熱，這種方案使裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但循環(huán)效率比一級(jí)加熱提高0.2％～0.6％。2024/11/523

對(duì)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(jié)構(gòu)，分離器效率可能差別很大，準(zhǔn)確的分離效率要由熱態(tài)試驗(yàn)來(lái)確定。設(shè)備的總流動(dòng)阻力要小，阻力過(guò)大必然對(duì)裝置的效率造成大的影響。分離再熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、能盡量減小重量尺寸，對(duì)布置方便、減少設(shè)備投資都是有利的。提高工作可靠性。2024/11/5242024/11/525第六節(jié)飽和蒸汽對(duì)工作葉片的侵蝕和防護(hù)一、侵蝕作用的機(jī)理1、水錘力2、侵蝕作用二、對(duì)工作葉片積極的防護(hù)方法1、努力減少級(jí)的蒸汽濕度2、減少水滴對(duì)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(jí)葉片的高度（2）降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速2024/11/526三、對(duì)工作葉片的消極防護(hù)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(zhì)合金塊（3）在葉片易受侵蝕的部位采用局部加工工藝2024/11/527第七節(jié)半速汽輪機(jī)一、概況

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

從制造來(lái)看，西門子、三菱、日立、東芝生產(chǎn)的百萬(wàn)千瓦級(jí)以上的機(jī)組全部為半速機(jī)組。ABB和ALSTOM既生產(chǎn)半速機(jī)組又生產(chǎn)全速機(jī)組。俄羅斯生產(chǎn)全轉(zhuǎn)速機(jī)組。2024/11/528二、核電采用半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的原因

采用半速機(jī)組有利于提高單機(jī)的極限功率和機(jī)組效率，有利于降低葉片的設(shè)計(jì)難度。對(duì)于全速汽輪機(jī)，同樣長(zhǎng)度的葉片承受到的離心力是半速機(jī)的四倍，因此全速汽輪機(jī)不可能采用較長(zhǎng)的葉片。采用半速機(jī)在同樣的末級(jí)葉片應(yīng)力和強(qiáng)度的情況下，可使汽輪機(jī)的功率大約增加四倍。在同樣末級(jí)葉片情況下，由于半速機(jī)葉頂速度降低，葉片的水蝕量減小，同時(shí)降低了轉(zhuǎn)動(dòng)部件的應(yīng)力。在給定功率的前提下，由于可以采用更長(zhǎng)的末級(jí)葉片來(lái)增加排汽面積，因此可以減少排汽缸的數(shù)量，降低設(shè)備及廠房的投資。2024/11/529三、全轉(zhuǎn)速與半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的比較

經(jīng)濟(jì)性比較1、熱效率比較（1）通流部分效率（葉片長(zhǎng)，級(jí)數(shù)少）（2）排汽損失（葉片長(zhǎng)）（3）葉片侵蝕（轉(zhuǎn)速低）2、百萬(wàn)千瓦級(jí)核電汽輪機(jī)熱效率

目前百萬(wàn)千瓦級(jí)核電半速汽輪機(jī)熱效率比全速汽輪機(jī)高，平均高出2％，最多的高出3.3%。如果反應(yīng)堆熱輸出功率為2905MW，即相當(dāng)于出力提高9.6%。2024/11/530

安全可靠性1、應(yīng)力水平

靜子部件的應(yīng)力水平大致相當(dāng)，但對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)，兩者應(yīng)力水平差別就比較大。由離心力引起動(dòng)葉片的拉伸應(yīng)力[σ]由下式表示：σ＝MRω2M是動(dòng)葉片的質(zhì)量；R是動(dòng)葉片的平均旋轉(zhuǎn)半徑；經(jīng)測(cè)算，全速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力比半速汽輪機(jī)高1.3～2倍。2024/11/5312、汽缸的穩(wěn)定性

在功率等級(jí)相同條件下，半速汽輪機(jī)尺寸和重量比全速機(jī)大，因而承受外界對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的力和力矩的能力比全速汽輪機(jī)強(qiáng)，其穩(wěn)定性優(yōu)于全速機(jī)。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(jī)葉片的侵蝕情況沒(méi)有全速汽輪機(jī)嚴(yán)重。2024/11/5324、運(yùn)行的靈活性

半速汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)子直徑大、重量重，高壓缸的汽缸壁較厚，導(dǎo)致熱應(yīng)力增大，在快速起動(dòng)和變負(fù)荷適應(yīng)性方面比全速汽輪機(jī)稍微差些，但由于核電機(jī)組大部分為帶基本負(fù)荷運(yùn)行，起、停、變負(fù)荷次數(shù)較少，加上核電的進(jìn)汽參數(shù)比較低，因此熱應(yīng)力的影響不是太大。5、機(jī)組的振動(dòng)特性半速汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)速較全速低、轉(zhuǎn)子重量重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，因此其對(duì)激振力的敏感程度比全速機(jī)低，抗振性能比全速機(jī)優(yōu)。2024/11/5336、機(jī)組的超速特性

半速汽輪機(jī)由于體積大，產(chǎn)生超速的蒸汽體積大于全速汽輪機(jī)。但半速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子重量大，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較大，所以其超速幅度受到限制?？偟恼f(shuō)來(lái)，全速機(jī)與半速機(jī)超速特性相當(dāng)，即汽輪機(jī)甩負(fù)荷后的超速與其轉(zhuǎn)速?zèng)]有太大的關(guān)系。

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投資成本1、材料消耗半速汽輪機(jī)的材料消耗量要比全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)超出2倍。但半速機(jī)低壓缸的數(shù)量比全速機(jī)減少，因此半速汽輪機(jī)組的重量是全轉(zhuǎn)速機(jī)組的1.2～2.4倍。2、制造、起吊、運(yùn)輸、土建、安裝等方面的成本由于半速汽輪機(jī)的尺寸和重量比全速汽輪機(jī)大，半速汽輪機(jī)比全速汽輪機(jī)的投資成本相應(yīng)要高。據(jù)介紹，設(shè)備造價(jià)和安裝土建費(fèi)，半速機(jī)比全速機(jī)高20％～30％，對(duì)整個(gè)常規(guī)島相當(dāng)于高7％。2024/11/5352024/11/536

發(fā)展?jié)摿?、極限功率

一般分析認(rèn)為，全速汽輪機(jī)適合用于1200MW以下，否則機(jī)組的安全可靠性不容易得