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《汽輪機技術(shù)雜志》2015年第五期

摘要:

針對國內(nèi)某核電廠址的初步氣象條件，進行了百萬等級核電機組空冷汽輪機選型計算分析。分析結(jié)果表明，該廠址參數(shù)下若選用半轉(zhuǎn)速核電汽輪機，目前已有的末級葉片不能滿足要求，需要開發(fā)全新的空冷末級葉片;而利用大型火電空冷汽輪機已有運行業(yè)績的末級葉片，開發(fā)全轉(zhuǎn)速百萬級核電空冷汽輪機，將花費較少的時間和經(jīng)費，是比較適宜的方案。某廠址氣象條件在我國北方具有代表性，上述工作為我國北方缺水地區(qū)核電站汽輪機選型提供了參考。建議國內(nèi)汽輪機廠利用已有核電、火電汽輪機技術(shù)積累，盡快啟動全轉(zhuǎn)速百萬級核電空冷汽輪機研發(fā)工作，形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬級核電空冷汽輪機技術(shù)，搶占技術(shù)制高點。

關(guān)鍵詞:

百萬級;壓水堆;核電站;空冷;汽輪機

截至2014年底，我國核電裝機容量1988萬千瓦，占總裝機量的1．46%。我國各沿海省份均有核電站在運、在建或者正在進行前期選址工作，隨著我國經(jīng)濟、社會和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，核電將在我國未來的電力發(fā)展中扮演更加重要的角色，但是沿海適宜的核電廠址越來越少，向近海或者內(nèi)陸省份發(fā)展核電成為必然選項。據(jù)初步統(tǒng)計，美國在役核電機組有74%設(shè)在內(nèi)陸地區(qū)，法國內(nèi)陸核電廠站總數(shù)的69．5%，而加拿大現(xiàn)役核電機組中內(nèi)陸地區(qū)核電機組高達95%［1］。而我國北方大部分省份為缺水甚至嚴重缺水地區(qū)，南水北調(diào)問題只能解決部分城市的生活用水問題，未來很長一段時期內(nèi)，我國北方大部分城市仍將面臨工業(yè)用水嚴重缺乏的現(xiàn)狀，這在一定程度上制約了核電的發(fā)展。據(jù)了解，國外曾經(jīng)有過兩座采用空冷系統(tǒng)的核電站，其中一座是位于俄羅斯境內(nèi)的4×12MWBilibino核電站，采用表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)，配備機力通風(fēng)冷卻塔，該核電站1972年投產(chǎn)運行至今;另一座是德國境內(nèi)的Schmehausen核電站，其空冷系統(tǒng)總規(guī)模相當(dāng)于1座300MW容量的火電機組，采用配備自然通風(fēng)冷卻塔的表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)［2］。而目前世界范圍內(nèi)尚無采用空冷系統(tǒng)的百萬級壓水堆核電站投運。本文將以我國某近海省份廠址條件為例，針對擬選堆型，進行百萬級壓水堆核電空冷汽輪機選型研究工作，以期為后續(xù)其他擬在缺水地區(qū)建設(shè)的核電站提供參考。

1廠址氣象參數(shù)和主蒸汽、冷端參數(shù)

根據(jù)本廠址處的初步氣象資料，選取典型年并按照5℃加權(quán)平均氣溫法，考慮適當(dāng)裕度后計算出對應(yīng)的設(shè)計氣溫為14．6℃。鑒于表凝式間接空冷系統(tǒng)具有受環(huán)境大風(fēng)、高溫影響時背壓變化緩慢的特點，不會對反應(yīng)堆造成熱沖擊等不良影響［2］，本文汽輪機低壓缸排汽采用表凝式間接空冷系統(tǒng)進行冷卻。間接空冷系統(tǒng)初始溫差(InitialTemperatureDifference，ITD)是汽輪機排汽溫度與大氣環(huán)境溫度的差值，ITD值反映了間冷系統(tǒng)的散熱能力和冷卻系統(tǒng)的規(guī)模，一般通過冷端系統(tǒng)優(yōu)化，綜合對冷卻系統(tǒng)投資和汽輪機組出力、運行費用等進行比較后確定［3］。由于本項目尚處于前期階段，尚不具備進行冷端優(yōu)化的條件，根據(jù)工程經(jīng)驗暫取ITD為34℃，初步確定汽輪機背壓為11．5kPa。根據(jù)擬選堆型資料，主汽門前的主蒸汽量為6125t/h，壓力6．5MPa，濕度0．5%。

2汽輪機排汽面積估算

壓水堆核電汽輪機的初步統(tǒng)計資料顯示，濕冷核電汽輪機的排汽比一般為0．51～0．53［4］，由于空冷核電汽輪機背壓較高，抽汽量相對濕冷機組較小，本文暫取排汽比為0．54，則對應(yīng)11．5kPa下的排汽量為3307．5t/h。汽輪機低壓缸排汽比容可根據(jù)汽輪機排汽背壓和排汽濕度確定。統(tǒng)計資料顯示，濕冷核電汽輪機低壓缸的排汽濕度一般在11%左右;而空冷汽輪機由于排汽背壓較高，濕度也相應(yīng)有所降低，參照火電空冷機組數(shù)據(jù)，本文暫取定低壓缸排汽濕度為9%。通過查水蒸汽表，排汽比容為11．845m3/kg。通常，汽輪機排汽余速范圍為190m/s～260m/s，余速損失在19kJ/kg～25kJ/kg。對于承擔(dān)基本負荷的機組，一般取汽輪機排汽余速220m/s。將上述數(shù)據(jù)帶入公式(1)，可得出初步的排汽面積為49．5m2。通過向國內(nèi)三大汽輪機廠進行調(diào)研，對初步的熱平衡圖數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，證明上述數(shù)據(jù)取值正確。

3末級葉片選擇及高壓缸、低壓缸配置

3．1半轉(zhuǎn)速汽輪機對于900MW～1800MW功率半轉(zhuǎn)速核電汽輪機，目前國內(nèi)核電項目各汽輪機制造商生產(chǎn)的末級葉片名義排汽面積主要有3種，詳見表1。根據(jù)上述排汽面積初步計算結(jié)果，若采用25m級的末級葉片，則只需要一個雙流低壓缸，即可滿足排汽面積的需要。但是，這將帶來以下兩個問題:一方面，上述25m2級的末級葉片均為針對濕冷核電汽輪機研發(fā)，適應(yīng)較低的背壓范圍，機組正常運行背壓一般在3kPa～8kPa范圍內(nèi)變動;而采用表凝式間接空冷系統(tǒng)的空冷機組背壓一般在5kPa～30kPa范圍內(nèi)變動，且機組運行背壓的冬夏季變化幅度和晝夜變化幅度均大于濕冷汽輪機，這就要求葉片要承受較大的交變應(yīng)力［5］，末級葉片要選用高強度、能承受較大交變應(yīng)力的材料，上述濕冷核電汽輪機末級葉片不能直接應(yīng)用在空冷核電汽輪機上。另一方面，百萬級核電汽輪機的凝汽器熱負荷較大，一般需要凝汽器的換熱面積在810×104m2～10×104m2，若采用一個雙流高壓缸(或高中壓合缸)和一個雙流低壓缸的型式，受凝汽器管板尺寸的限制，凝汽器面積不能滿足要求。基于以上原因，若采用半轉(zhuǎn)速汽輪機組，就需要針對排汽量研發(fā)新的空冷末級葉片，配置2個或2個以上的雙流低壓缸，在滿足排汽面積需要的同時滿足凝汽器換熱面積的需要，也就是新研發(fā)的核電空冷汽輪機末級葉片對應(yīng)的排汽面積應(yīng)為4×12．5m2或者6×8．25m2。經(jīng)初步調(diào)研，新研發(fā)一只末級葉片大約需要1．5年～2年的時間，并且將付出較高的經(jīng)濟費用。

3．2全轉(zhuǎn)速汽輪機目前國內(nèi)大型火力發(fā)電廠已經(jīng)有很多空冷機組在運行，表2給出了國內(nèi)三大汽輪機廠正在建設(shè)或已經(jīng)投運的采用全轉(zhuǎn)速空冷末級葉片汽輪機及排汽面積統(tǒng)計表。其中，已經(jīng)投運的寧夏靈武電廠二期工程，采用東方汽輪機廠762mm空冷末級葉片，對應(yīng)的排汽面積為4×6．38m2，而東方汽輪機廠1030mm空冷末級葉片對應(yīng)的排汽面積為9．5m2，采用該末級葉片的660MW兩缸兩排汽空冷汽輪機組已經(jīng)在建設(shè)中。上海汽輪機廠1050mm空冷末級葉片對應(yīng)的排汽面積為9．2m2，某火電機組已經(jīng)確定采用配置該末級葉片的四缸六排汽空冷汽輪機;配置910mm空冷末級葉片的660MW空冷汽輪機，已于2009年在山西兆光電廠投運。哈爾濱汽輪機廠940mm空冷末級葉片對應(yīng)的排汽面積為8．32m2，在建的4臺百萬級火電機組已經(jīng)采用配置該末級葉片的三缸四排汽空冷汽輪機。以上情況表明，我國大型全轉(zhuǎn)速火電空冷汽輪機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，初步估算國內(nèi)汽輪機廠已有空冷末級長葉片能夠滿足本文所需排汽面積的需要。表3中給出了利用上述國內(nèi)汽輪機廠已有空冷末級長葉片對本文所需排汽面積進行校核的數(shù)據(jù)對比。從該表中可以看出，3個汽機廠有運行業(yè)績的火電空冷汽輪機末級葉片排汽余速均在較為經(jīng)濟的190m/s～260m/s范圍之內(nèi)，有2個末級葉片對應(yīng)的余速損失超出了19kJ/kg～25kJ/kg范圍，但是數(shù)據(jù)相差不多，表明百萬級核電空冷汽輪機采用全轉(zhuǎn)速汽輪機可行的，并不需要重新研發(fā)全新的末級葉片。

但是，由于百萬級核電的主蒸汽量遠大于百萬級火電的主蒸汽量，主蒸汽壓力和溫度卻遠低于百萬級火電，百萬級核電全轉(zhuǎn)速空冷汽輪機的高壓缸需要進行重新設(shè)計。初步對比表明，核電主蒸汽參數(shù)與百萬級超臨界火電空冷機組的中壓缸進汽壓力和溫度相近，但是核電的流量約為火電的2倍，且核電高壓缸排汽濕度大(約為12%)，可以考慮利用百萬級超臨界火電空冷機組的中壓缸模塊作為核電百萬級全轉(zhuǎn)速空冷汽輪機的高壓缸模塊，對通流部分進行重新設(shè)計，增加疏水措施;由于火電一般配置1個或2個雙流低壓缸，而百萬級核電空冷汽輪機若采用全轉(zhuǎn)速汽輪機，則需要3個雙流低壓缸，應(yīng)對汽輪機的軸系穩(wěn)定性進行重新核算，同時增加末級葉片抗水蝕能力和疏水措施，確保機組安全性。經(jīng)過初步調(diào)研，重新設(shè)計高壓缸及通流、軸系穩(wěn)定性核算、增加末級葉片抗水蝕能力和疏水措施等工作大約需要半年～1年的時間。

4結(jié)論及建議

通過初步計算、分析，百萬級核電空冷汽輪機存在全轉(zhuǎn)速和半轉(zhuǎn)速汽輪機兩種方案，兩種方案均具備技術(shù)可行性。若采用半轉(zhuǎn)速空冷汽輪機方案，需要配置1個雙流高壓缸(或高中壓合缸)和2個(或3個)雙流低壓缸，但是需要重新研發(fā)半轉(zhuǎn)速空冷汽輪機末級葉片，這將耗費較長時間和費用。若采用全轉(zhuǎn)速空冷汽輪機方案，需要配置1個雙流高壓缸(或高中壓合缸)和3個雙流低壓缸。國內(nèi)火電汽輪機擁有較完整的空冷末級葉片系列，現(xiàn)有全轉(zhuǎn)速空冷末級葉片在排汽面積上基本能夠滿足需要，只是需對汽輪機通流、軸系穩(wěn)定性進行計算、優(yōu)化設(shè)計，耗時相對較短，成本較低;同時，由于全轉(zhuǎn)速機方案的汽輪機轉(zhuǎn)子、汽缸等尺寸明顯小于半轉(zhuǎn)速機，全轉(zhuǎn)速汽輪機的造價低于半轉(zhuǎn)速機。目前國內(nèi)的核電汽輪機大部分為本土汽輪機制造廠引進國外技術(shù)進行生產(chǎn)、制造，形成了半轉(zhuǎn)速汽輪機技術(shù)受制于人的局面。國外技轉(zhuǎn)方在材料替代、技術(shù)改進及設(shè)計標準方面會嚴格審批，嚴重制約國內(nèi)汽輪機廠的研發(fā)、設(shè)計和創(chuàng)新能力。為了順應(yīng)時代潮流，響應(yīng)建設(shè)創(chuàng)新型國家的號召，積極推進核電“走出去”戰(zhàn)略，建議國內(nèi)三大汽輪機廠利用已有核電、火電汽輪機引進技術(shù)消化吸收成果，盡快啟動全轉(zhuǎn)速百萬級核電空冷汽輪機研發(fā)項目，形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬級核電空冷汽輪機技術(shù)，搶占技術(shù)制高點。致謝:感謝上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠、東方汽輪機有限公司和哈爾濱汽輪機廠有限公司提供的資料。

參考文獻

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［5］丁爾謀，主編．發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］．北京:水力電力出版社，1992．

作者：楊建軍 孫傳軍 趙迪 單位：中國核電工程有限公司河北分公司