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核電汽輪機(jī)的特點(diǎn)分析
【摘 要】隨著我國核電事業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對核電關(guān)注的越來越多。核電與火電一樣都是以汽發(fā)電，但在設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等方面，與常規(guī)火電汽輪機(jī)還是有一些區(qū)別的。通過調(diào)研與課題題目相關(guān)的文獻(xiàn)、成果，完成核電汽輪機(jī)的特點(diǎn)分析的綜述。
【關(guān)鍵詞】核電汽輪機(jī);特點(diǎn);比較研究
引言
世界核電發(fā)展已經(jīng)走過半個(gè)世紀(jì)的歷程，其作為一種清潔能源，技術(shù)已經(jīng)成熟，安全可靠性得到了實(shí)踐驗(yàn)證，供應(yīng)能力較強(qiáng)，已成為國家能源電力戰(zhàn)略的重要組成部分。本文通過對核電汽輪機(jī)和常規(guī)火電汽輪機(jī)的比較，了解了核電汽輪機(jī)獨(dú)有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及與火電機(jī)組的差異。
1 核電廠汽輪機(jī)概述
汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的蝸輪式機(jī)械。它的主要用途是在熱力發(fā)電廠中做帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)。在采用化石燃料(煤、石油和天然氣)和核燃料的發(fā)電廠中，基本上都采用汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有時(shí)，汽輪機(jī)還直接用來驅(qū)動(dòng)泵，以提高電廠的經(jīng)濟(jì)性或安全性。
來自蒸汽發(fā)生器的高溫高壓蒸汽經(jīng)主汽閥、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)。由于汽輪機(jī)排氣口的壓力大大低于進(jìn)汽壓力，蒸汽在這個(gè)壓差作用下向排氣口流動(dòng)，其壓力和溫度逐漸降低，部分熱能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。做完功的蒸汽稱為乏汽，從排氣口排入凝汽器，在較低的溫度下凝結(jié)成水。此凝結(jié)水由凝結(jié)水泵抽出送往蒸汽發(fā)生器構(gòu)成封閉的熱力循環(huán)。為了吸收乏汽在凝汽器放出的凝結(jié)熱，并保持較低的凝結(jié)溫度，必須用循環(huán)水泵不斷地向凝汽器供應(yīng)冷卻水。由于汽輪機(jī)的尾部和凝汽器不能絕對密封，其內(nèi)部壓力又低于外界大氣壓，因而會(huì)有空氣漏入，最終進(jìn)入凝汽器的殼側(cè)。若任空氣在凝汽器內(nèi)積累，必使凝汽器內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致乏汽壓力升高，減少蒸汽對汽輪機(jī)做的有用功;同時(shí)積累的空氣還會(huì)帶來乏汽凝結(jié)放熱的惡化。這兩者都會(huì)導(dǎo)致熱循環(huán)效率的下降，因而必須將凝汽器殼側(cè)的空氣抽出。
2 核電汽輪機(jī)特點(diǎn)
2.1 核電汽輪機(jī)基本特點(diǎn)
2.1.1 蒸汽初參數(shù)低且濕度大
反應(yīng)堆供給汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)較低， 壓力一般為4.0～7.0MPa，濕度為0.25%～0.40%，溫度大約270℃，即為略帶濕度的飽和蒸汽。這比常規(guī)火電汽輪機(jī)初參數(shù)低得多。
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)。
2.1.2 進(jìn)汽量和容積流量大
由于核電汽輪機(jī)初參數(shù)低， 其有效焓降僅為常規(guī)火電汽輪機(jī)的50 %左右， 致使同等功率機(jī)組，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4～6 倍， 同時(shí)疏水量也猛增。
2.1.3 單機(jī)功率大且承擔(dān)基本負(fù)荷
因?yàn)楹穗娬就顿Y成本高， 運(yùn)行費(fèi)用低， 所以核電汽輪機(jī)都設(shè)計(jì)成大功率的， 并承擔(dān)電網(wǎng)的基本負(fù)荷。近期投運(yùn)的機(jī)組， 功率均在600～1500MW之間， 最大的單機(jī)功率已達(dá)到1580MW(法國)，并準(zhǔn)備生產(chǎn)2000MW的機(jī)組， 以進(jìn)一步降低成本。
2.2 核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)
2.2.1 結(jié)構(gòu)
由于蒸汽初參數(shù)低和容積流量大， 核電汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)， 絕大多數(shù)采用1 個(gè)高壓缸加2～4個(gè)低壓缸的結(jié)構(gòu)。相同功率的常規(guī)火電汽輪機(jī)， 毫無例外地由1個(gè)高壓缸、1 個(gè)中壓缸再加1～2個(gè)低壓缸。核電汽輪機(jī)一般無中壓缸， 高壓缸都是雙流程， 和火電汽輪機(jī)中壓缸一樣。低壓缸由于容積流量大需要較大排汽面積， 一般為2個(gè)(600～700MW)或3～4個(gè)(1200MW以上) ， 其汽缸體積大、重量大。
2.2.2 轉(zhuǎn)速選擇
常規(guī)火電汽輪機(jī)多采用全速(3000r/min或3600r/min)，極少采用半速(1500r/min或1800r/min)。核電機(jī)組因?yàn)檫M(jìn)汽量和排汽容積流量很大， 所以有必要采用半速機(jī)組。
2.2.3 材料使用方面的特點(diǎn)
核電汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)低，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。在濕蒸汽環(huán)境中工作的汽輪機(jī)受到的侵蝕一般有沖擊侵蝕、縫隙侵蝕和沖刷侵蝕三種。
2.2.4 去濕、防蝕及汽水分離再熱器(MSR)
核電站二回路的蒸汽參數(shù)低， 進(jìn)汽為飽和蒸汽， 工作段大部分為濕蒸汽， 所以要采取去濕、防蝕、提高蒸汽干度的措施， 以保證核電的安全， 并提高效率。
在核電汽輪機(jī)中必須增設(shè)汽水分離再熱器(MSR) ， 其作用是： 將高壓缸排汽引入MSR ，對濕蒸汽進(jìn)行汽水分離， 去除其中水分后， 再用抽汽或新汽對其進(jìn)行再熱， 使蒸汽進(jìn)入低壓缸前有70～80 ℃的過熱度， 最終的排汽濕度控制在10 %左右， 以提高效率、保證機(jī)組安全。如秦山核電站采用兩級再熱， 熱效率提高2.2% ， 更重要的是保證了機(jī)組安全。
2.2.5 易超速
由于核電汽輪機(jī)組多數(shù)級工作在濕蒸汽區(qū)，通流部分及管道表面覆蓋一層水膜，導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，壓力下降，水膜閃蒸為汽，引起汽流速迅增，這是核汽輪機(jī)組易超速的主要原因。為防止超速，采用下列措施：
(1)完善汽輪機(jī)的去濕和疏水結(jié)構(gòu)，減少部件和通道中凝結(jié)水。
(2)在汽水分離再熱器后蒸汽進(jìn)入低壓缸前的官道上裝備快速關(guān)閉的截止閥。
2.3 核電汽輪機(jī)運(yùn)行維護(hù)特點(diǎn)
2.3.1 運(yùn)行特點(diǎn)
核電汽輪機(jī)蒸汽發(fā)生器的熱平衡方程式為P=kF(Tavg-TSG)。其中：P表示蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的熱功率，K、F表示蒸汽發(fā)生器的傳熱系數(shù)和傳熱面積，Tavg表示反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度，TSG表示蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度�？梢钥吹剑嵘穗娖啓C(jī)功率，如果保持新蒸汽參數(shù)恒定不變，則要提升反應(yīng)堆平均溫度Tavg這就要求反應(yīng)堆平均溫度Tavg有一個(gè)較大的變化范圍。要求一回路系統(tǒng)具有較大的體積補(bǔ)償能力和較大的溫度反應(yīng)性補(bǔ)償能力。
2.3.2 運(yùn)行性能考核特點(diǎn)
火電汽輪機(jī)的運(yùn)行考核要求為滿負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行168h，且平均負(fù)荷率需達(dá)到95%～100%，主要設(shè)備完好，現(xiàn)場無跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。而對于核電汽輪機(jī)的運(yùn)行考核要求為在滿負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行100h，除此之外核電汽輪機(jī)的運(yùn)行考核還額外增加了示范運(yùn)行的要求。示范運(yùn)行是指500h的連續(xù)運(yùn)行，目的是驗(yàn)證機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)、部分負(fù)荷運(yùn)行、變負(fù)荷和商業(yè)運(yùn)行所要求的在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下的可靠性。示范運(yùn)行應(yīng)該在機(jī)組升負(fù)荷結(jié)束，反應(yīng)堆達(dá)到額定熱功率(RTO)后開始。進(jìn)行示范運(yùn)行時(shí)，要求實(shí)際功率不得低于額定功率的80%，在不是供應(yīng)方的原因造成的機(jī)組達(dá)不到額定功率的情況下盡可能地接近額定功率。
2.3.3 維護(hù)特點(diǎn)
由于核電汽輪機(jī)工作蒸汽為飽和蒸汽，經(jīng)過汽輪機(jī)作功后濕度較大，一般對于汽輪機(jī)零部件的沖刷比較大，因此維護(hù)時(shí)要注意檢查結(jié)合面的漏汽、零部件的侵蝕、管道的沖刷腐蝕、疏水的排放情況等。從核電汽輪機(jī)的維護(hù)特點(diǎn)而言與常規(guī)火電相比沒有太大的區(qū)別。
【參考文獻(xiàn)】
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