1、2022年1月4日星期二page 1第6章 核動力汽輪機的特點哈爾濱工程大學核能科學與工程教研室2022年1月4日星期二page 20 概述 從總體上講，核電汽輪機與火電汽輪機都是以蒸汽發(fā)電，但在設計、制造、安裝、運行等方面，核電汽輪機在安全可靠性方面有更高要求。首先從蒸汽來源蒸汽來源看，壓水堆核電汽輪機所用的蒸汽不是像火電機組那樣來自鍋爐鍋爐，而是來自反應堆一回路部份的蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器，由于汽源供應的不同，使得核電汽輪機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對功率反應性、靈敏度、可靠性有著更高的要求，以確保反應堆的絕對安全。再以蒸汽參數(shù)蒸汽參數(shù)而言，壓水堆核電站的汽輪機進汽是中參數(shù)的飽和蒸汽中參數(shù)的飽和蒸汽，蒸汽

2、濕度高、疏水量大，因此引起了一系列的問題，如設計結(jié)構(gòu)、設備去濕、材料防蝕、增設汽水分離再熱器及在閥門運行等方面，都必須采取相應有效的措施，以減少飽和蒸汽濕度大所引起的各種危害。再則是核電機組在甩負荷時比火電機組更易于超速。2022年1月4日星期二page 32022年1月4日星期二page 41 壓水堆裝置圖 整個裝置分為一、二兩回路。一回路工作壓力13.7215.68MPa，對應飽和溫度335346；艦船蒸汽發(fā)生器飽和蒸汽壓力2.352.94MPa，核電站4.96.86MPa。對飽和蒸汽進行過熱實現(xiàn)困難，只能以飽和蒸汽供汽輪機工作。堆型堆型CPR1000AP1000EPRCAP1400WWE

3、R-1000壓力壓力P6.435.5657.435.585.88溫度溫度T280.1270289.9268.6274.32022年1月4日星期二page 52 核動力汽輪機膨脹過程線l 過程線1：不采取任何措施，低壓缸出口濕度24%；l 過程線2：高、低壓間設置外置汽水分離器，將高壓汽輪機出口濕度為8%13%的蒸汽去濕，濕度降低到1%0.5%，低壓缸采取內(nèi)除濕，出口濕度13%14%；l 過程線3：采用分離再熱器，低壓缸進汽過熱，并采取低壓缸內(nèi)除濕，出口濕度10%12%；l 過程線4：火電站汽輪機熱力過程線。1234分缸外置式汽水分離器內(nèi)部除濕再熱常規(guī)電廠2022年1月4日星期二page 63

4、濕蒸汽在通流部分的流動 汽輪機通流部分內(nèi)的凝結(jié)過程的復雜性主要是由于流動的三元流動的三元特性特性造成的，不存在一個明顯的凝結(jié)面。濕蒸汽中所攜帶的水滴一般分為兩類：（1）飽和蒸汽在整個通流部分內(nèi)不斷生成和凝結(jié)長大的小水滴，占整個濕度質(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，對葉片的制動作用大；2022年1月4日星期二page 74 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響一、飽和蒸汽參數(shù)低一、飽和蒸汽參數(shù)低 飽和蒸汽參數(shù)為2.56.0MPa,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

5、熱式常規(guī)電站汽輪機可用焓降的一半左右。直接影響是：l 核動力汽輪機的級數(shù)少而沒有中壓汽缸沒有中壓汽缸。l 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。沒有中壓缸，高壓缸雙流，低壓缸多排氣口沒有中壓缸，高壓缸雙流，低壓缸多排氣口2022年1月4日星期二page 8二、蒸汽容積流量大二、蒸汽容積流量大 核動力汽輪機在結(jié)構(gòu)上有下列特點：l 進汽管道和閥門的重量、尺寸大。l 當功率增大到500800MW時高壓缸要做成雙流路雙流路的。l 高壓缸葉片高，扭葉片數(shù)量增多，

6、增加了設備的投資額。l 由于葉片高度增大，增加了調(diào)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(diào)節(jié)。l 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），還要采用多排汽口多排汽口結(jié)構(gòu)，使汽輪機結(jié)構(gòu)復雜，重量、尺寸大。 冷凝器換熱面增大，循環(huán)水量幾乎增加一倍，這也是核電站廠址選擇時需特殊考慮的問題之一。4 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響2022年1月4日星期二page 9三、蒸汽的濕度大三、蒸汽的濕度大 一般可近似認為級平均濕度增大1，級內(nèi)效率降低1，所以蒸汽濕度的增加降低了級的效率。 目前得到廣泛應用的去濕方法去濕方法有：l 內(nèi)部分離去濕法內(nèi)部分離去濕法：在汽缸內(nèi)壁、隔

7、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。l 外置式分離器或分離再熱器外置式分離器或分離再熱器l 以上方法確保末級的蒸汽濕度不超過12，提高了級效率。4 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響2022年1月4日星期二page 10四、增大單機功率四、增大單機功率l 增大排汽口的通流能力增大排汽口的通流能力，主要受最末級的排汽面積影響。l 相同末級葉片高度時，提高排汽壓力或增大排汽損失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(zhuǎn)速汽輪機采用半轉(zhuǎn)速汽輪機，但在實際應用中受到汽輪機結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝上的限制，所以在低速汽輪機中葉片高度

8、和平均直徑只增大50左右。4 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響2022年1月4日星期二page 11五、核電汽輪機的可靠性五、核電汽輪機的可靠性l 在設計時要有較大的安全系數(shù)，使受力部件工作更可靠。l 采用質(zhì)地更好的結(jié)構(gòu)材料，不僅許用應力大，有更高的抗蠕變性能。l 設計效率高、受力條件更好的噴嘴葉柵和工作葉柵。l 采用高效的內(nèi)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。4 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響2022年1月4日星期二page 12六、對汽輪機甩負荷特性的影響六、對汽輪機甩負荷特性的影響 甩負荷特性甩負荷特性

9、：汽輪機突然甩掉負荷時，工作轉(zhuǎn)速仍控制在超 速1112范圍內(nèi)的能力。l 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，流向冷凝器時仍可發(fā)出功率，不能使汽輪機轉(zhuǎn)子馬上停下來。l 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)子在甩負荷后轉(zhuǎn)速可能繼續(xù)增加到1525。 可采取的措施可采取的措施(1)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。(2)減少高、低壓缸之間的管道尺寸，提高分缸壓力提高分缸壓力，把分離再熱器設計在一個殼體內(nèi)。(3)減少汽缸內(nèi)的凹坑減少汽缸內(nèi)的凹坑

10、，加強汽缸和管道內(nèi)的疏水工作。4 飽和蒸汽對汽輪機設計的影響2022年1月4日星期二page 135 飽和汽輪機的內(nèi)部去濕裝置u內(nèi)部去濕裝置：在汽輪機通流部分所采取的去濕措施。u分類分類：u 噴嘴葉片上的縫隙式去濕裝置；l 汽缸和隔板外環(huán)上的溝槽式去濕裝置。2022年1月4日星期二page 14一、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。措施：噴嘴葉片表面水膜較厚的上部1/3長度內(nèi)開去濕縫隙，一般縫隙寬約為2.02.5mm左右。5 飽和汽輪機的內(nèi)部去濕裝置2022年1月4日星期二page 15二、溝槽式去濕裝置原理

11、：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的大水滴受到離心力作用發(fā)生徑向運動而被捕捉。5 飽和汽輪機的內(nèi)部去濕裝置2022年1月4日星期二page 166 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=0.51，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2.02.5%，但其體積和重量龐大，增加了設備投資和二回路故障。2022年1月4日星期二page 17二、分缸壓力的選擇 外置式分離再熱

12、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核動力汽輪機的分缸壓力。（1）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；（2）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(0.10.15)p0，可使裝置效率提高2530； 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(nèi)帶來好處，使汽輪機的分缸壓力提高些。6 飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器2022年1月4日星期二page 18三、分離器的種類1、旋風分離器、旋風分離器原理：原理：汽流沿切向進入筒體，兩相流體的質(zhì)量不同，所受到的離心力不同，

13、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：優(yōu)點：對大水滴分離效果較好；缺點：缺點：剩余濕度較大；工質(zhì)流動速度較高，分離器的流動阻力也比較大。6 飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器2022年1月4日星期二page 19三、分離器的種類2、波紋板式分離器、波紋板式分離器原理：原理：濕蒸汽進入曲折的波紋形狀的金屬薄板通道內(nèi)高速流動時，質(zhì)量大的水滴在轉(zhuǎn)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：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：缺點：因波紋板分離器受汽流速度的限制，因此波紋

14、板分離器的重量體積比較大。6 飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器2022年1月4日星期二page 20三、分離器的種類3、金屬絲網(wǎng)分離器、金屬絲網(wǎng)分離器原理：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：優(yōu)點：分離特性好（0.20.3），流動阻力低（250400Pa）。缺點：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。6 飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器2022年1月4日星期二page 216 飽和汽輪機的外部去濕裝置和再熱器三、分離器的種類

15、4、分離再熱器、分離再熱器 高壓汽輪機出來的濕度很大的濕蒸汽首先進入汽水分離器，濕度提高到0.30.5，然后進入再熱器進行再熱。2022年1月4日星期二page 227 工作葉片的防護一、對工作葉片積極的防護方法一、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(zhuǎn)速。二、對工作葉片的消極防護方法二、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(zhì)合金塊；（3）在葉片易受侵蝕的部位采用局部加工工藝。2022年1月4日星期二page 23一

16、、概況一、概況u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，其中半速機半速機209臺，全速機臺，全速機10臺臺。u在電網(wǎng)頻率是60Hz的國家中，幾乎全部采用半速機組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)為半速機組絕大多數(shù)為半速機組。u在我國大陸已投運的核電機組中，只有秦山三期只有秦山三期的汽輪發(fā)電機組為半為半速機速機，其余全部為全速機。u從制造來看，西門子、三菱、日立、東芝西門子、三菱、日立、東芝生產(chǎn)的百萬千瓦級以上的機組全部為半速機組。ABB和和ALSTOM既生產(chǎn)半速機組又生產(chǎn)全速機組。俄羅斯生產(chǎn)全轉(zhuǎn)速機組。8 半速汽輪機2022年1月4日

17、星期二page 24二、核電采用半轉(zhuǎn)速汽輪機的原因二、核電采用半轉(zhuǎn)速汽輪機的原因u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。u 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(zhuǎn)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。8 半速汽輪機2022年1月4日星期二page 259 核電汽輪

18、機技術發(fā)展趨勢n消除高壓缸熱應力n防止超速n除濕防蝕措施n研制新的末級長葉片系列n新型在線監(jiān)控、診斷和運行支持系統(tǒng)的開發(fā)n低壓部分超凈整鍛轉(zhuǎn)子及焊接轉(zhuǎn)子的開發(fā)2022年1月4日星期二page 265 核電汽輪機技術發(fā)展趨勢n消除高壓缸熱應力消除高壓缸熱應力 高壓缸表面溫度在變工況時會隨蒸汽溫度而快速變化；且在汽輪機甩負荷后，由于進汽量驟減，壓力急降，使缸內(nèi)水膜閃發(fā)為蒸汽，同時還吸收了缸內(nèi)外壁的大量熱量，這均會造成高壓缸內(nèi)外壁與中分面法蘭間的巨大溫差，產(chǎn)生極大的熱應力，會導致靜止部件的變形和裂縫，造成汽缸中分面縫隙侵蝕與蒸汽泄漏。解決的方法為高壓缸采用雙層結(jié)構(gòu)，加大中分面螺栓及增設加熱裝置。20

19、22年1月4日星期二page 275 核電汽輪機技術發(fā)展趨勢n防止超速防止超速 核電汽輪機因貯汽空間和轉(zhuǎn)動慣量均比火電汽輪機的大，故在機組甩負荷時，容易引起超速。除調(diào)節(jié)系統(tǒng)能快速響應并動作，迅速切斷汽源及快速關閉傳熱汽閥外，還必須規(guī)定超速的數(shù)值低于危急折斷裝置動作的轉(zhuǎn)速，使汽輪機能維持空載運行。 2022年1月4日星期二page 285 核電汽輪機技術發(fā)展趨勢n除濕防蝕措施除濕防蝕措施 除在核電汽輪機內(nèi)部設置除濕結(jié)構(gòu)和采取防蝕措施外，關鍵在于汽水分離再熱器。汽水分離再熱器的運行故障幾乎占所有非計劃停機的30左右，原因為：1）在兩相流動時，再熱器管束阻塞，在出水側(cè)端部產(chǎn)生過冷現(xiàn)象；2）疏水受阻或不暢；3）再熱器管束因熱應力或振動而爆管。為此，研究了多種流程回路結(jié)構(gòu)，以達到既可靠又高效的目的。2022年1月4日星期二page 295 核電汽輪機技術發(fā)展趨勢n研制新的末級長葉片系列研制新的末級長葉片系列 就核電汽輪機而言，提高單機功率和降低熱耗在很大程度上取決于末級葉片的長度和效率，所以各國均投入很多力量研制新的末級長葉片系列，投運了不少1000mm以上的末級葉片。如美國GE公司的10