核電參與電力輔助服務研究

蘇向南

【摘 要】我國大型壓水堆核電站多采用二級再熱的MSR系統（汽水分離再熱器），以此保證汽輪機排汽干度符合規范要求，這就使得大型壓水堆核電汽輪機再熱壓力的合理選擇存在較高必要性。基于此，本文圍繞大型壓水堆核電站汽輪機、MSR系統構成開展了簡單分析，并深入探討了再熱壓力的針對性選取，希望由此能夠為相關業內人士帶來一定啟發。

【關鍵詞】壓水堆核電站;汽輪機;再熱壓力

中圖分類號： TM623.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.026

【Abstract】Two-stage reheating MSR system （steam separation reheater） is often used in large PWR nuclear power plants in China， so as to ensure that the exhaust dry degree of steam turbine meets the requirements of the specification. This makes the reasonable selection of reheat pressure for large PWR nuclear turbine has a high necessity. Based on this， this paper makes a simple analysis on the structure of steam turbine and MSR system in large PWR nuclear power plant， and probes into the selection of reheat pressure in depth， hoping that it can bring some inspiration for the relevant professionals in the field.

【Key words】PWR nuclear power plant;Steam turbine;Reheat pressure

1 大型壓水堆核電站汽輪機及問題分析

1.1 大型壓水堆核電站汽輪機

大型壓水堆核電站汽輪機具備蒸汽參數低、采用汽水分離再熱器、體積流量大、易超速、多采用半轉速特點，這是為了保證機組的內效率并應對元件大型化帶來的影響，這類特點的存在也使得大型壓水堆核電站汽輪機與大型火電汽輪機存在顯著區別。

1.2 問題分析

二級再熱MSR系統廣泛應用于我國大型壓水堆核電站，這是為了避免汽輪機排汽濕度過高情況的出現。大型壓水堆核電汽輪機的排汽帶有微量濕度，如濕度無法得到有效控制，很容易出現超出末級葉片許用范圍、低壓缸效率降低問題，可見汽水分離再熱器應用的必要性，汽輪機的排汽干度可由此實現長足提升。結合大型壓水堆核電機組的主蒸汽流程進行分析不難發現，MSR系統能夠將經過單流高壓缸膨脹做功后的反應堆出口濕蒸汽轉化為干蒸汽，單流中壓缸、雙流低壓缸做功可由此獲得較好支持，最終的乏汽會進入凝汽器。

2 MSR系統構成及再熱壓力的針對性選取

2.1 MSR系統構成

大型壓水堆核電站汽輪機應用的MSR系統主要由兩部分組成，分別為汽水分離器與再熱器，具體構成如下：（1）汽水分離器。MSR系統中的汽水分離器主要負責處理帶有一定濕度的蒸汽，處理后的蒸汽可實現汽水分離，且蒸汽的濕度能夠逼近飽和蒸汽，即濕度可達到0.5%。（2）再熱器。MSR系統中的再熱器主要負責飽和蒸汽的加熱，由此MSR系統即可將反應堆出口濕蒸汽最終轉化為干蒸汽。從理論層面進行分析可以發現，機組循環效率會隨著再熱器級數的增多而提升，但這種提升的幅度會不斷縮小。

2.2 再熱壓力的針對性選取

2.2.1 計算思路

考慮到MSR系統出口的溫度直接影響大型壓水堆核電汽輪機再熱壓力的選取，而主蒸汽參數則會直接決定該問題，因此最佳再熱壓力的范圍必定會受到不同的反應堆影響，為提升研究的實踐價值，本文選擇了EPR、CAP1400、CPR1000三種壓水堆作為研究對象，并由此針對性構建計算模型。為保證計算取得結果的可靠性，三種壓水堆核電機組的計算均圍繞機組進汽參數、排汽壓力、以及反應堆熱功率保持額定值展開，為重新設計壓水堆核電汽輪機通流，需嚴格開展變化再熱壓力的計算。

2.2.2 再熱壓力與功率關系分析

三種壓水堆機型的選取不同的再熱壓力進行計算，但計算建立在汽輪機末級濕度符合標準要求的前提下，由此可得出圖1所示的開口向下拋物線形式關系曲線，再熱壓力與機組功率關系由此得到了直觀展示。結合圖片進行分析可以發現，拋物線的頂端隨著主蒸汽壓力升高而不斷向右偏移，這說明主蒸汽壓力升高會導致再熱壓力的最佳值不斷升高，因此可確定主蒸汽壓力與最佳再熱壓力存在較高相關性。MSR系統的出口溫蒂會隨著主蒸汽壓力提升而升高，這一過程中壓水堆核電機組的低壓膨脹過程線不斷發生右移，這說明壓水堆核電機組的中低壓可利用焓降處于不斷縮短的狀態，為保證中低壓缸中蒸汽的充分膨脹，再熱壓力需適當提高，機組循環效率可由此實現長足提升。

表1展示了相關參數受再熱壓力變化影響出現的定性變化趨勢。深入分析可以發現，高壓排汽濕度會因過高的再熱壓力而減小，總焓降會同時出現顯著降低;可用總焓降會在中低壓情況下實現長足提升，但部分級次會受到中低壓影響而過早進入濕蒸汽區，效率會因此受到較為負面影響;高壓可用的總焓降會因再熱壓力過低而增大，但高壓缸效會因此增大的高壓排汽濕度而減小，存在一定上升趨勢的中低壓效率會伴隨著可利用焓降減小。總之，大型壓水堆核電汽輪機組的循環效率會因此再熱壓力的過低或過高而出現顯著下降。

2.2.3 最佳再熱壓力范圍選取

大型壓水堆核電汽輪機組的熱經濟性會直接受到再熱壓力的選擇影響，整個電廠的設計及相關部件的選擇也會同時受到較為深遠影響。以國產百萬等級核電機組的汽輪發電機組布置為例，該機組中的汽輪機本體部件與MSR系統的尺寸基本相當，因此可認為MSR系統已經成為大型壓水堆核電站汽輪發電機組的主機之一，再熱壓力的大小直接關系著再熱閥門、再熱熱段管道、MSR本體、高壓排汽管等部件的選擇。

結合國內外核電工程經驗不難發現，早期的部分核電汽輪機在可靠性層面存在嚴重問題，應力腐蝕則是引發問題的主要原因，這類應力腐蝕主要發生在過熱區向濕蒸汽的過渡區。結合大型壓水堆核電汽輪機組蒸汽膨脹特點可以發現，其蒸汽膨脹線和飽和線交點明顯較高，這說明火電機組過渡區部件的工作溫度明顯低于核電機組，二者的溫差在30℃左右。溫度直接影響核電汽輪機的應力腐蝕程度，腐蝕惡化的嚴重性會隨著溫度的升高而提升，而為了保證核電汽輪機的應力腐蝕控制在合理區間，再熱壓力具備的過渡區工作溫度控制能力必須得到充分發揮，大型壓水堆核電汽輪機組的可靠性可由此得到更好保障。

結合上述分析，研究最終得到了圖2所示的主蒸汽壓力與最佳再熱壓力范圍圖，結合該圖可以發現，大型壓水堆核電汽輪機組的主蒸汽壓力一般應控制在13～18%區間。結合相關研究資料可以發現，已完成設計并投運的典型EPR、CAP1400、CPR1000壓水堆核電汽輪機組的主蒸汽壓力分別設置為7.43MPa、5.38MPa、6.43MPa，再熱壓力則分別設置為1.15MPa、1.01MPa、0.95MPa，數據均處于最佳再熱壓力范圍，且機組的結構合理、運行中性能較為優異，本文研究的實用性由此得到了較好證明。

3 結論

綜上所述，大型壓水堆核電汽輪機再熱壓力的選擇較為關鍵，本文提及的工程驗證則說明了研究中提及的大型壓水堆核電汽輪機組最佳再熱壓力范圍的可靠性，因此同類設計的開展必須重點關注這一范圍。

【參考文獻】

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[3]史卓忠.新型壓水堆核電廠一次調頻汽輪機控制探討[J].中國高新技術企業，2015（10）：81-83.作者簡介：楊海林（1979.04—），男，河北滄州人，漢族，本科，工程師，研究方向為核電站運行管理。