大型壓水堆核電汽輪機再熱壓力的選擇

衛棟梁 李曦濱 井芳波 宋 萍 夏開君

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

大型壓水堆核電汽輪機再熱壓力的選擇

衛棟梁 李曦濱 井芳波 宋 萍 夏開君

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

本文介紹了大型核電汽輪機組再熱壓力合理選擇的方法， 論證了國內在建的大型壓水堆核電汽輪機組MSR最佳再熱壓力范圍。

核電；汽輪機；再熱壓力

0 引言

現階段國內在建和投運的大型核電機組的主流機型有 CPR1000、 AP1000 及 EPR 等。 自主設計的 CAP1400、 ACP1000 等大型核電機組也已開展了設計。

這些核電機組普遍采用二級再熱的 MSR 系統。汽輪機的排汽已帶有微量濕度，若不采用再熱措施， 汽輪機排汽濕度將超過 20%， 不僅低壓缸效率降低，并且遠超出末級葉片許用范圍。所以核電機組必須采用汽水分離再熱器 （Moisture Separate Reheater， 簡稱 MSR）來提高汽輪機的排汽干度。

圖1 為 1000MW～1700MW 壓水堆核電機組的主蒸汽流程圖。反應堆出口濕蒸汽進入一單流高壓缸膨脹做功后， 高壓排汽進入 MSR， MSR 出口的干蒸汽再進入一單流中壓缸做功，中壓缸排汽進入多個雙流低壓缸做功，低壓排汽的乏汽進入凝汽器。

圖1 壓水堆核電機組的主蒸汽流程圖

圖2 為核電和火電機組蒸汽膨脹過程線。從圖中可以看出， MSR 作用一定程度上和火電機組再熱系統類似，其作用可以減小汽輪機排汽濕度，提高機組循環效率。火電機組的最佳再熱壓力一般可以通過分析論證得到。核電機組最佳再熱壓力 （本文將汽水分離器入口壓力稱之為再熱壓力）也需要通過論證分析得到每種機型的最佳再熱壓力范圍。本文將通過對不同主汽參數、不同功率等級的核電機組計算、分析來找出典型核電機組最佳再熱壓力范圍。

圖2 核電和火電機組蒸汽膨脹過程線

1 MSR

MSR 由汽水分離器和兩級再熱器組成， 圖3為MSR縱剖面圖。

1.1 汽水分離器

汽水分離器是將帶有一定濕度的蒸汽進行汽水分離， 分離后的蒸汽濕度可達到 0.5%， 接近飽和蒸汽。

1.2 再熱器

再熱器作用為將汽水分離器出口的飽和蒸汽加熱為干蒸汽。理論上再熱器級數越多機組循環效率越高，但隨著再熱級數增加，機組循環效率增加幅度變小。

MSR 結構復雜 （圖3 為 MSR 的典型結構之一）、 設計難度大且機組投資成本增加。 所以當代核電機組普遍采用兩級再熱。其中一級再熱蒸汽從高壓某級后抽汽，抽汽壓力按照各加熱器等焓升分配原則選取。被加熱蒸汽在再熱器出口溫度由抽汽壓力和加熱器端差確定。

圖3 MSR 縱剖面圖

2 再熱壓力的選取

2.1 計算模型

最佳再熱壓力的選取與 MSR出口溫度緊密相連， 而MSR 出口溫度由主蒸汽參數確定， 所以不同的反應堆對應的最佳再熱壓力范圍應有差異。本文將 CPR1000、 CAP1400、 EPR 三種壓水堆作為模型進行分析計算。

2.2 計算原則和條件

為了確保計算數據的可靠性，每種機組均按照下列條件進行計算。

·機組進汽參數、排汽壓力、反應堆熱功率保持額定值；

·通過變化再熱壓力，重新設計汽輪機的通流；

·計算邊界條件如電機效率、機械損失、回熱級數、 加熱器端差、 抽汽管道壓損、 MSR 端差、壓損等保持一致。

·計算分析采用經過工程驗證的綜合熱平衡軟件。

2.3 再熱壓力與功率關系曲線

在保證汽輪機末級濕度在允許范圍內前提條件下，對每種機型選取了不同的再熱壓力進行計算。

熱力計算的結果表明再熱壓力與機組功率關系曲線為開口向下的拋物線形式 （見圖4）。 隨著主蒸汽壓力的升高，拋物線的頂端向右偏移，即最佳的再熱壓力隨主汽壓力的升高而升高。由此可以得到最佳再熱壓力和主蒸汽壓力是相關的。

隨著主汽壓力越高， MSR 出口溫度上升， 機組中低壓膨脹過程線右移，中低壓可利用的焓降縮短，適當提高再熱壓力可使蒸汽在中低壓缸充分膨脹，提高機組循環效率，所以隨著主汽壓力的升高，再熱壓力與功率關系曲線向右移動。

圖4 再熱壓力與機組功率關系曲線

表1列出了再熱壓力變化引起的相關參數的定性變化趨勢。

再熱壓力過高，高壓排汽濕度減小，但高壓可用的總焓降減小；中低壓可用的總焓降雖然增加，但中低壓部分級次過早地進入濕蒸汽區，造成中低壓效率迅速下降；反之，再熱壓力過低，高壓可用的總焓降增大，但高壓排汽濕度增大，高壓缸效率減小，中低壓效率雖有上升趨勢，但其可利用的焓降減小。所以再熱壓力過高或過低均會引起汽輪機組循環效率下降。

表1 再熱壓力變化引起的相關參數的定性變化趨勢

2.4 實際工程的最佳再熱壓力范圍的選取

再熱壓力的選取對汽輪機組的熱經濟性及相關部件及整個電廠的設計具有重大的影響。圖5為國內首臺百萬等級核電機組的汽輪發電機組的實際布置的照片， 從圖中可以看到， MSR的尺寸和汽輪機的本體部件相當，已成為主機之一。從高壓缸排汽至再熱入口的部件主要有高壓排氣管、MSR本體、 再熱熱段管道及再熱閥門等。 這些部件的尺寸直接和再熱壓力的選擇相關。

圖5 國內首臺百萬等級核電機組實際布置圖

在工程設計中要充分考慮再熱壓力變化后對設備本身尺寸加大帶來的影響 （尺寸、 電廠布置、重量、 運輸等）。 由于核電機組蒸汽流量巨大的原因，所以特別在大容量機組的設計中要充分考慮。

鑒于此原因， 超大容量 （例如 EPR）、 較低進汽參數的核電機組的再熱壓力，可以適當取得高一些。這對優化機組尺寸、電廠布置和平衡投資是特別有效的。

表2 列出了當前世界最大單機容量的 EPR 核電機組在不同的再熱壓力設計時的高壓排汽管、中壓蝶閥的尺寸變化情況。可以看出，當再熱壓力變化時，相關管道和設備的尺寸將發生很大的變化，需進行綜合考慮。

表2 EPR機組在不同的再熱壓力設計時的高壓排汽管、中壓蝶閥的尺寸變化情況

根據國際上核電工程的經驗，早期的部分核電汽輪機發生過嚴重的應力腐蝕 （SCC）問題， 嚴重影響了核電機組的可靠性。低壓汽輪機的應力腐蝕主要發生在過熱區向濕蒸汽的過渡區 (即wilson 區)。 核電汽輪機膨脹線和飽和線的交點顯著高于再熱火電機組的交點 （見圖2）。 所以核電機組的部件在過渡區的工作溫度高于火電機組，可達 30℃左右。

研究表明應力腐蝕的程度和溫度密切相關，溫度愈高腐蝕惡化愈加劇烈。通過優化再熱壓力，可以降低過渡區的工作溫度，將應力腐蝕控制在合理的范圍內，確保機組的可靠性。

根據以上綜合分析，得到壓水堆核電機組主汽壓力與最佳再熱壓力范圍 （見圖6）， 一般為主汽壓力的 13%～18%。

圖6 壓水堆核電機組主汽壓力與最佳再熱壓力范圍圖

表3列出了當前已完成設計的核電機組再熱壓力參數。 從圖6 可以看出， CPR1000、 AP1000、EPR 壓水堆核電機組再熱壓力均處于上述論證的最佳再熱壓力范圍之內。這些機組已有部分機型成功投運，投運機組性能優異，結構合理，其中合理選擇再熱壓力作出了貢獻。

表3 已完成設計的核電機組再熱壓力參數表

3 結論

通過詳細計算分析，得到了當代大型壓水堆核電機組最佳再熱壓力的范圍，其可靠性得到了工程驗證。自主設計的核電汽輪機組亦可采用同樣的方法得到合理的再熱壓力值。

The Option of Large Pressure Water Reator Nuclear Power Reheat Pressure

Wei Dongliang， Li Xibin， Jing Fangbo， Song Ping， Xia Kaijun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The paper introduced the way how to choose reheat pressure for nuclear power steam turbine.The optimum reheat pressure range was also introduced for nuclear power plantunder construction in china.

nuclear power,steam turbine,reheat pressure

衛棟梁 （1978-）， 男， 工程師， 2001 年畢業于太原理工大學， 長期從事汽輪機熱力設計工作。