核電空冷汽輪機主要技術問題分析研究

楊冰

【摘 要】針對空冷汽輪機的特點，結合火電汽輪機與核電汽輪機的成功經驗，對空冷造成的主要問題進行分析，包括空冷系統、背壓高、背壓變化范圍大、排汽容積流量變化大以及末級葉片等，并對核電空冷汽輪機的主要問題從空冷系統的選擇和末級葉片的設計方面進行了解決方案的研究。

【關鍵詞】核電；空冷；汽輪機

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，未來的煤炭和水資源將不能滿足電力需求的大幅度增長，為保證經濟的可持續發展，必須快速大力發展核電，以緩解電力供需的矛盾。從長遠的戰略和環境保護角度，中國除了沿海核電外，仍需發展內陸核電。

截止到目前為止，我國大陸已建成并投入商業運行的核電機組21臺，已經具有豐富的經驗。隨著化石能源資源日趨緊張、價格不斷攀升，減少污染物排放的要求日漸嚴格以及缺水地區對電能的不斷需求，發展內陸空冷核電將成為了中國能源發展的必然趨勢，開發核電空冷汽輪機也成為亟待解決的課題。

為此，針對空冷汽輪機的特點，以火電汽輪機為基礎，對核電空冷機組的主要技術問題進行分析研究。

1 核電空冷汽輪機主要技術問題分析

對于核電空冷汽輪機，可根據火電空冷汽輪機的成功經驗，并結合核電濕冷汽輪機的特點，進行分析研究。

核電空冷汽輪機的主要技術問題是背壓高、變化范圍大，末級葉片，低壓缸溫度變化大，新蒸汽流量大，壓力、焓值低等。

以下重點分析研究核電空冷汽輪機的這些主要問題。

1.1 背壓高、變化范圍大

由于空冷汽輪機采用空冷系統對乏汽進行冷卻，空冷系統的應用導致了汽輪機背壓高、變化范圍大，使得汽輪機的末級葉片容積流量變化范圍大，以下簡要分析。

1.1.1 空冷系統的主要形式

空冷系統分為直接空冷系統和間接空冷系統：

（1）直接空冷：直接空冷系統是汽輪機乏汽與環境空氣通過空冷散熱器直接進行換熱。背壓變化范圍一般為：8～50kPa。

（2）間接空冷：間接空冷系統是汽輪機乏汽與環境空氣通過循環冷卻水間接進行換熱。背壓變化范圍一般為：5～30kPa。[1]

1.1.2 容積流量變化大

（1）氣溫高，汽輪機末級葉片容積流量減小?？赡墚a生汽輪機背壓高于零功率背壓的情況。

（2）氣溫低，汽輪機末級葉片容積流量增大，可能產生汽輪機背壓低于阻塞背壓的情況。

1.2 末級葉片

背壓高、變化范圍大及其所導致的容積流量變化大的特點，直接影響著空冷汽輪機的末級葉片，以下進行分析。

1.2.1 高背壓

在高背壓情況下，流經末級的容積流量相當小，軸向流量集中在葉片頂部，葉片中部和根部可能產生渦流，根部甚至可能出現倒流，以至于鼓風，引起葉片顫振，導致葉片損壞，將嚴重影響到機組安全和經濟運行。[2]

1.2.1 低背壓

在低背壓情況下，流經末級的容積流量相當大，末級葉片流道內的蒸汽氣流速度迅速增加，可能達到音速而造成阻塞。大量蒸汽在末級葉片形成紊亂的膨脹而引起附加損失，同時在末級葉片后形成的紊亂氣流，有可能造成汽輪機的振動增大，對汽輪機的安全運行構成威脅。

1.3 新蒸汽問題

核電空冷汽輪機除了具備火電空冷汽輪機由于背壓高且變化頻繁造成的問題外，還具有新蒸汽流量大，壓力、焓值低的問題。

1.3.1 主蒸汽流量大

與相同功率的火電汽輪機相比，核電汽輪機蒸汽做功的焓降小，所以需要的主蒸汽流量大。

由于末級葉片排汽面積取決于節圓直徑，大容積流量和排汽面積就需要更長的末級葉片，與火電相比，相同容量的核電汽輪機需要更長的末級葉片。

流量的增加，使末級葉片的工作應力增加，蒸汽的作用力、激振力、水蝕以及蒸汽所攜帶水滴沖擊葉片的概率增加。

由此可見，核電空冷機組末級葉片在承受火電空冷背壓高、變化頻繁的影響之外，同時還要能經受核電特有的大流量造成的各種影響。

2 核電空冷汽輪機的主要技術問題解決方案

針對空冷系統造成的背壓高、變化范圍大及蒸汽流量大的問題，主要結合現有火電和核電的成功經驗，從空冷系統的選擇與末級葉片的設計方面來解決。

2.1 空冷系統的選擇

間接空冷系統與直接空冷系統相比，背壓較低、背壓變化范圍較小，且對環境敏感程度也較低，無論是在安全還是設計方面都具有優勢，因此，核電空冷機組選擇間接空冷系統比較合適。

2.2 末級葉片的設計

2.2.1 結構特性

針對背壓高，變化范圍大的特點，應采用大剛度、低動應力，小應力集中，高強度、高內阻的材料及大阻尼、能防止顫振的整圈自鎖阻尼型葉片結構。[3]

2.2.2 氣動特性

當葉片根部反動度為0或負值時，根部區域不僅會產生脫流，而且可能發生倒流，甚至波及到靜葉中。在葉片頂部，如果反動度過大，則可能加重漏氣損失。

馬赫數小于0.35，輪周效率將急劇下降，效率為0%表示葉片級進入了鼓風發熱的負功狀態，即零功率背壓，0%效率的馬赫數在0.22～0.3之間；馬赫數有一個最大值，取決于葉柵流道形式，一般為0.85～0.9，稱之為阻塞馬赫數。[4]

所以應采用具有更好的變工況適應性，對馬赫數不敏感的葉型型線，具有較低的阻塞背壓、較高的零功率背壓，較高的根部反動度、適中的頂部反動度和能很好控制沿葉高的反動度分布的葉型。

2.2.3 設計開發

通過在已有運行業績的葉片基礎上進行?；O計。模化設計可以大大縮短研發周期，同時提高葉片的運行可靠性。開發制造的實物葉片應進行靜頻測量試驗、葉輪和輪槽應力特征驗證試驗、動應力測量試驗、動頻試驗、葉片轉子動平衡試驗、濕蒸汽性能驗證試驗等相關試驗工作，以確保葉片安全可靠。[5]

?；O計：汽輪機葉片由全轉速葉片?；桨胨偃~片，可在保持氣動特性及靜強度特性基本不變的同時，使其通流能力增加為原來的4倍，并且半速葉片的動應力和安全可靠性基本不變。因此，目前幾乎所有半速核電汽輪機的長葉片均有全轉速葉片按轉速放大?；蟮玫健?/p>

3 結論

本文結合火電空冷機組和核電濕冷機組現有的成功經驗，分析空冷引起的直接問題，并得到了解決方案，為核電空冷項目的進一步開展奠定了基礎。

內陸空冷核電是緩解日益增長的電能需求和水資源與環保壓力的有效解決辦法，是未來的發展趨勢，相信在不遠的將來，一定可以實現。

【參考文獻】

[1]李潤森.1000MW級空冷機組可行性研究[J].電力勘測設計.2008（2）：43-50.

[2]蔡頤年.蒸汽輪機[M].西安交通大學.

[3]崔宏博.全、半轉速核電汽輪機的比較 [J].東方電氣評論.2006（2）：58-63.

[4]吳其林.空冷汽輪機末級長葉片設計特點[J].熱力透平.2007（2）：89-100.

[5]陸偉.半速大容量核電汽輪機末級長葉片開發[J].華東電力.2010（11）：1771-1774.

[責任編輯：鄧麗麗]