百萬千瓦等級半速核電汽輪發電機組選型及設計原則

/上海電氣電站集團 周一工/

0 引言

根據中國核能協會公布的數據，2013年度我國核電裝機容量14834MW，占總裝機容量的1.19%，累計發電量1107億度，占總發電量的2.11%。這與世界核電先進國家20%以上的核能發電占比還有很大的差距。2014年3月25日下午3時，廣東陽江核電1號機組順利通過168小時示范運行，正式投入商業運行，成為我國第18臺商業運行的核電機組。根據我國核電中長期發展規劃，核電及其相關行業即將迎來“311核事故”之后的新一輪發展高峰。我國目前在建核電機組容量超過3000萬千瓦，居世界第一位；世界頂級戰略管理咨詢公司羅蘭貝格，預測未來30年全世界新增的核電裝機容量將有一半在中國。

目前，我國在運的核電站以“二代加”技術為主，正全力發展與建設“三代”核電機組。除更高的安全性為先進核電技術的必要條件以外，單機大容量也是未來核電發展的一大特點。在建核電機組單臺機組額定功率基本均在1000MW以上，而AP1000型機組達到1250MW等級，CAP1400型機組達到1450MW等級，未來CAP1700型機組更將達到1900MW等級。

1 大型半速汽輪發電機組選型特點

常規火電機組設計過程中，一般采用爐跟機的匹配模式，即由汽輪機確定新蒸汽量與蒸汽參數，鍋爐根據汽輪機的要求進行設計。而對于核電汽輪機來說，新蒸汽流量與蒸汽參數已經由核島內的蒸汽發生器確定，汽輪機需要跟隨蒸汽發生器的要求進行設計。另外，火電鍋爐在設計中充分考慮了各種情況下的蒸汽流量裕量，如夏季工況中循環水溫與背壓升高，機組老化運行等。而核電蒸汽發生器設計中不曾考慮流量裕量，需要汽輪機在設計中考慮因制造誤差和機組老化需要的蒸汽流量裕量，而這種裕量考慮是十分有限的。所以核電汽輪機對設計、制造和維護提出了更高的要求。

核電汽輪機的形式由熱端與冷端參數即可基本決定，熱端參數即為主蒸汽參數，包括壓力、溫度、干度和流量；冷端參數即為背壓、循環水溫和循環水流量。熱端參數由核島部分決定，與反應堆容量參數相對應；冷端參數基本由廠址的地理條件所決定，對整個汽輪發電機組的輸出功率有直接的影響。熱端參數決定了汽輪機高壓模塊的形式，因此針對不同的核反應堆容量，可以開發不同參數等級的高壓模塊，不同堆型根據堆芯容量劃分，高壓模塊的設計與選型是完全通用的；冷端參數決定了汽輪機低壓模塊的排汽面積，具體來說就是末級長葉片的長度和低壓缸的個數，雖然不同廠址的運行背壓和循環水溫各不相同，但該參數是在一個很有限的范圍之類的，因此可以針對不同的排汽面積（流通能力）開發不同的低壓模塊系列，不同機組根據流通能力等級劃分，低壓模塊的設計與選型可以通用。

發電機的選型較為簡單，最主要的就是容量與轉速的匹配。隨著發電機容量的增大，額定電壓與額定電流隨之增大，直接導致通風冷卻系統的設計困難，并且通風結構與端部結構變的非常復雜，也還需要考慮絕緣性能的優化。若按照容量等級進行劃分，系列化、模塊化設計不同容量等級的發電機，將有利于產品的成熟性與可靠性。

2 大型半速汽輪機模塊化設計

2.1 汽輪機結構

第三代核電汽輪機組基本結構為單軸、半速、并具有汽水分離再熱器（MSR）的凝汽式汽輪機。整個機組由一個雙流高壓缸和兩個（或三個）雙流低壓缸組成，汽水分離再熱器（MSR）布置于汽輪發電機平臺上，位于機組的兩側。高壓葉片和低壓葉片均為先進的全三維（馬刀型）葉片。汽輪機的兩種配置方案分別如圖1和圖2所示。

2.2 高壓模塊

目前主要的核電站堆型主要有CPR1000、AP1000、ACP1000、CAP1400、EPR和CAP1700，其蒸汽參數如表1所示。

高壓模塊容量增加主要涉及的部件包括主汽閥、再熱閥、高壓缸以及相關的蒸汽管道。三個不同容量高壓模塊靜子部件的開發狀況如表2所示。

SH-1高壓模塊適用于CPR1000與ACP1000堆型，SH-2高壓模塊適用于AP1000與CAP1400機型，大容量SH-3高壓模塊適用于EPR與CAP1700機型。高壓模塊的設計采用計算機輔助工程系統（CAE），包括高壓內外缸的CFD流場計算；高壓內外缸的強度、剛度及密封性能；高壓轉子在各種工況下的強度、應力分布、壽命等計算。

表1 核島堆型及蒸汽參數

表2 半速核電高壓模塊及主要參數

當然高壓缸通流部分，包括級的設計等，需要根據具體機組蒸汽流量的不同進行優化設計，其中葉片級的通流面積基本與蒸汽流量是同步增加的。

2.3 低壓模塊

低壓模塊的選配是決定汽輪機性能的關鍵。為保證機組的經濟性和安全可靠性，選配低壓模塊的排汽面積必須遵循三個基本準則：

避免機組在夏季或者低負荷工況下，長期處在小容積流量、回流激振狀況下運行，保證機組的可靠性。

機組額定工況的排汽容積流量應足夠偏離末級葉片的阻塞工況，既可避免過大的排汽損失，又避免高馬赫數下的氣流激振，保證機組的可靠性。根據末級葉片的排汽損失特性，額定工況的排汽損失應不大于3%。

機組排汽容積流量應盡量與末級葉片的軸向排汽相匹配，此時選配的低壓模塊，排汽損失對應在1.5%~2%左右。機組不僅額定工況出力最大，而且在部分負荷，在夏季，或者冬季工況運行時也有較高的經濟性，同時末級葉片還可避免小容積流量和大容積流量的氣流附加激振，保證足夠的安全可靠性。

為了滿足在各種不同背壓和容量的條件下，所有機組末級葉片的通流能力配置均能處在最佳范圍的要求，必須預先建立一個排汽面積按一定比例間隔配置的低壓長葉片模塊系列。根據氣動原理，末級葉片的通流能力大小不僅取決于排汽面積，還與圓周速度、出汽角有關，考慮到平均直徑，即圓周速度的變化因素，末級長葉片系列通流能力的變化比例間隔在1.4左右。

根據低壓模塊選配排汽面積的基本準則，以及核電半速汽輪機末級長葉片的排汽損失特性，可以得出低壓模塊背壓適合范圍，如圖3所示。

從圖中可以清楚地看出，汽輪機容量從900~1800MW，以及背壓從2~10kPa的范圍中，低壓模塊可以有6×30m2、6×26m2、6×20m2、4×30m2、4×26m2、4×20m2多種配型方式，可以滿足核電廠址從南到北，從沿海到內陸，單雙冷卻塔和單雙背壓等各種要求。

相對于20m2、26m2和30m2三種排汽面積的低壓模塊，分別對應1396mm、1710mm和1905mm三種低壓末級長葉片。1396mm末級長葉片已經應用于我國多臺CPR1000型機組，1710mm末級長葉片將應用于巴基斯坦卡拉奇項目ACP1000型機組，1905mm末級長葉片已經設計完成。對26m2、30m2大排汽面積的低壓缸，低壓內外缸的支撐剛性設計是關鍵，為增加剛性，減輕重量，減小機組對基礎的載荷，加強低壓缸的抗震性能，在26m2低壓模塊設計中采取了低壓內缸直接支撐于基礎的方案。而30m2低壓模塊尺寸更大，將采用低壓內外缸分別落地的方案。

3 大型半速發電機模塊化設計

大容量核電發電機采用模塊化設計理念進行系列化設計開發，為四極、三相、隱極式汽輪發電機，采用全封閉自通風，水氫氫冷卻方式。為匹配CPR1000、AP1000、ACP1000、CAP1400、EPR和CAP1700等主要堆型，發電機按照容量分為四個等級進行系列化、模塊化設計，各個等級的發電機主要性能參數如表3所示。

表3 發電機主要性能參數

在核電大容量半速汽輪發電機自主設計與開發的過程中，進行了一系列的二次創新工作，攻克諸多技術難點，形成了以下多項改進與革新。

（1）通過四項措施，有效提高發電機效率

調整定子線圈空、實心導線的尺寸，優化轉子銅排通風孔尺寸，優化了定、轉子線圈設計，增加了槽滿率，降低了發電機定、轉子銅耗；

改進鐵心沖片材料，減小鐵心損耗，同時與百萬火電材料相兼容；

優化風扇結構，改善葉片葉型，降低風磨耗；

更新軸瓦烏金材料，優化軸承結構，減小軸承損耗。

（2）優化轉子結構設計

改進聯軸器結構、研究發電機軸系動力特性，與西門子協調軸系方案，解決汽輪發電機組軸系問題，使該型發電機能與西門子汽輪機匹配；

調整轉子軸頸及動、靜葉片間隙，解決汽輪機大漲差對發電機的影響；

護環改為長護環結構，使轉子齒低周疲勞次數提高到10000次，滿足用戶要求；

結合制造技術，優化轉子線圈通風孔加工，并降低轉子熱點溫度。

（3）開發24kV發電機定子線圈絕緣結構和防暈體系

開發了24kV定子線圈絕緣體系，減薄主絕緣厚度，優化了內屏蔽結構，提高了定子線圈絕緣及電氣性能；采用多段防暈結構，開發了新的防暈材料，提高發電機防暈水平。

（4）定子線圈冷卻系統三水路結構開發和剛柔結構

發電機定子線圈、并聯環、主出線及套管全部采用水冷，同時三水路采用獨立的并聯結構，通過與外部水系統的結合，每個水路可以分別監控和調整。從而提高了冷卻效果，避免了并聯環氣堵的可能性。

定子線圈端部由參考機型的固定綁扎結構改成采用大錐環、彈簧板的剛柔結構，有效的提高發電機運行可靠性。同時定子線圈及并聯環采用球形接頭連接結構，便于裝配。

（5）優化鐵心設計

根據大型發電機組鐵心的壓裝技術，對核電定子鐵心結構進行優化，采用了新型全補償技術，防止鐵心蠕變松動。

（6）改進勵磁機設計，提高強勵倍數

為滿足國內用戶對強勵倍數的高要求，采用大容量永磁機提高勵磁機響應；優化勵磁機整理組件、熔斷器設計，提高二極管過電流及反相電壓能力；使發電機強勵倍數由原設計1.25提高到1.8。

（7）氫油水系統自主設計

在已有的技術上，自主開發百萬核電發電機配套氫油水系統，通過加堿裝置的開發，有效控制定子冷卻水水質。

（8）優化發電機監測系統

增加發電機機內溫度測點，采用光纖測振方法有效監控發電機定子線圈端部振動。此外，增加對發電機軸電流、軸電壓，轉子匝間短路，局部放電等監測裝置，對發電機的正常運行進行有效監控。

4 結束語

大型核電半速汽輪發電機組可以進行模塊化設計與選型，能夠滿足目前各主要核電堆型的需求，并且模塊化的設計提高了技術成熟性與可靠性。另外，不斷完善與增加模塊設計的過程，也是技術轉化與自主創新的過程，對于提高企業競爭力與形成自主知識產權具有重要的意義。

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