淺談海上核電站用汽輪機組的特殊要求

摘要：隨著中國海上民用核技術成熟，將陸上核電站的縮小版安裝在船上而形成的海上浮動核電站的應用前景廣闊。目前對于海上核電站用汽輪機組的研究較少，也未相關的執行標準，開展該技術的科學研究和技術儲備，具有非常現實的意義。本文在介紹海上核電站及二回路系統的基礎上，結合中國船級社規范及相關標準要求和國內外核電站汽輪機組的實際運行特點，對海上核電用汽輪機組的特殊要求進行簡要分析和總結，為海上核電站領域市場開拓提供技術參考。

1 引言

海上核電站是一個全新的領域，目前相關規范標準對于核電領域涉及很少，也未給予特殊的要求。汽輪機組作為海上核電站二回路系統的核心裝置之一，不僅要滿足海上設備特殊的工作條件及要求，必須按照船用設備的標準及規范執行，同時又要滿足核電類相關標準的要求，具有其特殊性。本文選取汽輪機組作為研究對象探討其特殊要求。

2 二回路系統及汽輪機組

2.1 二回路系統介紹

海上核電站二回路系統與壓水堆核電站二回路系統類似，工作流程為來自蒸汽發生器的高溫高壓蒸汽經主汽閥、調節閥后進入汽輪機。由于汽輪機排氣口的壓力大大低于進氣壓力，蒸汽在這個壓差作用下向排氣口流動，其壓力和溫度逐漸降低，部分熱能轉換成為汽輪機轉自旋轉的機械能。做功后的乏汽，從排氣口排入凝汽器，在較低的溫度下凝結成水。此凝結水由凝結水泵抽出送往蒸汽發生器構成封閉的熱力循環。凝結水通過水流量調節進入蒸汽發生器二次側，吸收反應堆冷卻劑熱量轉變成飽和蒸汽，從而轉變成初蒸汽，完成一次完整的二回路汽水系統循環。

2.2 汽輪機組工作原理

汽輪機組作為二回路的主要設備，其主要功用在于將蒸汽發生器產生的飽和濕蒸汽供汽輪發電機組實現熱工的轉換，將蒸汽的熱能轉化為轉軸的機械能，拖動發電機帶動電負荷。

多級汽輪機中，蒸汽的熱能轉變成機械能是通過各個級的工作來完成的。汽輪機級的結構和工作原理，靜葉片固定在隔板中，兩個相鄰靜葉片間的氣流通道稱為噴嘴。當具有一定溫度和壓力的蒸汽通過汽輪機級時，首先在噴嘴中將蒸汽所具有的熱能轉變為動能，然后再動葉柵組成的氣流通道中將蒸汽的動能轉變為機械能。

3 海上核電用汽輪機組的特殊要求

船舶在風浪中航行，船體經常發生大幅度運動。為確保海上核電站系統、設備聯接結構和操縱機構的穩定，海上核電站對系統和設備的可靠性要求要比陸用核電站更高。從核能安全分級角度來看，汽輪機不執行核安全或核安全相關功能，屬于非安全級系統，其設計主要參考國內外相關標準的要求。

3.1 材料使用方面的特點：

海上核電站用汽輪機的工作環境特點是浮動式基礎，對搖擺、傾斜、振動等要求較高，同時船艙空間位置及尺寸的限制，要求機組尺寸小，重量輕，結構簡單。而相對于其它船用汽輪機，海上核電用汽輪機尺寸、重量都比同功率汽輪機要大;另外新蒸汽參數較低，蒸汽濕度大，比焓降低，容積流量相對較大，其尺寸大、重量也比同功率陸用汽輪機要大。因此對于材料的要求要比同功率的其他船用汽輪機要高。對于核電站用汽輪機而言，氣缸承受著交變的熱負荷和氣流的沖擊。汽輪機組在濕熱的條件下工作，又受氣流沖擊，應確保在其使用的應力，溫度和時間下不會開裂或發生超過允許范圍的變形。

另外，考慮汽輪機蒸汽做功后可用的焓降減少，蒸汽濕度加大。目前國內外核電站在汽輪機葉輪葉片的選材上都做到了分級考慮。由于越到后面，蒸汽濕度越大，葉片最末級的材料要求越高。汽輪機最末級葉片的材料與前面幾級的不同，最末級葉片為通常采用鈦合金。

3.2 汽輪機高低壓缸保護

高溫高壓的蒸汽在汽輪機中膨脹做功推動汽輪機，汽輪機作為一個相對密封的裝置，必須考慮高低壓缸內的壓力突變，確保汽輪機內蒸汽壓力在正常的工作范圍內。因此除主蒸汽管路中設有安全閥外，汽輪機的高低壓缸也應有一定的保護裝置。現在運行的核電廠中，一般是在汽輪機高壓缸設置卸載裝置，并在低壓缸排氣段上部設置爆破膜，當壓力達到設定值時，爆破膜自動爆破泄壓。如下圖9所示。其目就是為了防止高低壓缸中的壓力超過允許值，對汽輪機造成損壞。

3.3 設置汽水分離再熱氣器

前文提到由于壓水堆核電站反應堆的特點，核電站用汽輪機的進氣為飽和蒸汽，蒸汽參數較低。為減少蒸汽中水分引發的低壓缸腐蝕和侵蝕，同時為了提高蒸汽的做功效率，核電用汽輪機組都設有汽水分離再熱器，即將高壓缸排出的濕度較大的蒸汽經過汽水分離再熱器去濕、加熱后變成微過熱的高溫蒸汽，進入低壓缸繼續做功。

汽水分離再熱器分為汽水分離和再熱兩部分，濕蒸汽進入汽水分離器后，根據比重的不同，經過分離元件后，比重較大的水通過分離器的下部疏水孔排出，比重較小的蒸汽則通過分離器頂部的排汽孔排出;再熱器為表面式換熱器，利用新蒸汽作為放熱源，新蒸汽凝結為水釋放出大量潛熱，受熱蒸汽吸熱變為過熱蒸汽繼續做功。

4 結語

本文簡單介紹了海上核電站二回路系統，節選了一些相關標準未涉及但又是核電站用汽輪機組運行過程相對重要的幾個問題，如材料問題，軸承、高低壓缸保護要求和汽水分離再熱氣器問題作為探討對象，在規范和標準要求的基礎上，結合目前國內外核電站用汽輪機組的實際運行情況，提出了海上核電用汽輪機組的特殊要求，這些問題對維持汽輪機的正常運行及防止汽輪機嚴重損壞至關重要，對于海上核電用汽輪機組研究具有一定的參考意義。

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作者簡介：季佩（1986年11月），男，安徽省宿州市人，工程師，大學學士，從事核電廠運行。