國產化技術在秦一廠320 MW核電汽輪機增容改造中的應用

劉賢圣，齊 漣，賀小忠，葉興柱

(1.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200240；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠320 MW核電機組是中國大陸第一座自行設計建造、自主運營管理的核電廠。到2021年年底，電廠將達到其30年的原設計使用壽期。自2011年以來，電廠參照國外大多數核電廠的運營管理經驗，適時啟動了電廠運行許可證延續20年的專項研究工作。針對電廠配套的常規島熱力系統及發電相關設備中不滿足延續運行安全要求的關鍵設備和部件，提出并制定了實施技術升級和改造的方案，以消除機組運行的安全隱患和性能短板，從而實現電廠延續運行的總體目標。同時，進一步挖掘潛力，提高機組發電能力。

本文基于機組增容改造可行性研究的成果，重點介紹了運用國產化技術實施汽輪機增容改造的方案。通過對國內核電機組首次全通流改造升級的實踐和總結，為后續國內其他核電機組的增容改造實施提供借鑒和參考。

1 改造范圍確定

原機型為全轉速、單軸、三缸四排汽、凝汽式核電汽輪機，由一個雙流高壓缸、二個雙流低壓缸組成，如圖1所示。低壓末級葉片高度為869 mm。原設計通流部分共有46級，其中：34級葉片(高壓缸9×2，低壓缸4×2×2)為等截面直葉片，12級葉片(低壓缸末三級3×2×2)為早期設計的扭葉片，與同類型機組的先進水平相比有明顯差距。

圖1 原汽輪機組縱剖視圖

1.1 整體通流升級改造所涉范圍

整體通流改造過程中配合通流改造直接涉及更換：高、低壓部分的轉子、靜葉持環、靜葉隔板、內缸和徑向及隔板汽封。

同時，需要對進、排汽導流部分進行改造，涉及更換或加工改造：高壓進汽導流環、高壓前/后汽封、低壓排汽導流環和低壓外缸(加工改造)。

1.2 其余部件的老化管理

對于不涉及通流改造的外部部件，需要根據部件的老化情況以及其他額外具體要求進行更換或改造，其中包括：高壓中分面螺栓及定位件、聯軸器螺栓及中間軸、主汽閥及調閥組件、端部汽封、盤車裝置、熱電偶等。

1.3 原問題處理及改造后可能的新問題預防

機組多年運行后，發現低壓軸承油溫在夏季運行時會出現報警情況。同時，通流改造后，低壓轉子重量會有所上升，如采用原軸承及冷油系統，會使軸承油溫進一步上升，因此需要對軸承及冷油系統進行改造。

個別類似的主調閥在運行過程中出現了閥蓋側面懸掛的油動機振動過大的情況，如此會加速對油動機內的密封件及位移測量元件的磨損，需要在改造過程中優化。

2 新技術的應用

2.1 高壓缸改造技術

由于設計技術的時代局限性，原來的高壓缸通流采用2×9級直葉片設計，同時，通流間隙設置得較大，因此汽缸效率較低。

如圖2所示，改造前，高壓前4級隔板裝于高壓1號持環上，高壓1號持環懸掛支承于高壓內缸上。其余2+3級隔板分為2個級組，分別裝于2號、3號持環上。汽缸內部零件數量多，拆裝維護不易。同時，1號持環與內缸之間設置有密封面，存在漏汽風險。

圖2 改造前高壓外缸縱剖圖

對高壓通流采用先進整體通流設計技術重新設計：

1)選用全三維彎扭馬刀型動、靜葉片，有效減少了二次流損失；

2)葉片采用變反動度的設計原則，以最佳的氣流特性決定各級的反動度和級負荷，自動生成葉片幾何尺寸，使整體處在最佳的氣動狀態，提高整個缸的通流效率；

3)葉片全部采用T型葉根，與樅樹型葉根相比，徹底消除了葉根軸向漏汽損失；

4)葉片采用整體圍帶設計，單片銑制、整體圍帶全切削加工，加工精度高，強度好，動應力低；

5)葉片頂部對應位置均有鑲片式迷宮汽封，能有效降低葉頂軸向漏汽損失。

對高壓內缸及1號持環采用整體化設計，見圖3，取消原持環與內缸的連接，消除配合面漏汽風險；同時，零部件數量的減少，可以簡化安裝過程，減少現場拆裝工作量。

圖3 改造后高壓外缸縱剖圖

2.2 低壓缸改造技術

原來的低壓缸通流采用2×7級，如圖4所示，其中前4級為直葉片設計，末3級為簡單的三維彎扭葉片，末級動葉長度為869 mm，通流能力及效率有限。原低壓內缸為雙層內缸結構，水平中分面連接螺栓眾多，如圖5所示，檢修時拆裝不易。

圖4 改造前低壓缸縱剖視圖

圖5 改造前低壓缸俯視圖

對于低壓通流，仍采用2×7級通流設計，但除末3級外其余葉片均采用全三維馬刀型葉片，減少二次流損失；末級動葉采用905 mm[1]長度成熟新型葉片，并對型線進行優化，根據各級葉片處蒸汽速比設計變反動度葉片，使各級效率最高。末3級葉片整體采用全三元流場CFD技術計算，調整葉片的進、出汽角度或內、背弧線型，優化葉型，提高氣動效率。

如圖6所示，對于低壓內缸，取消雙層內缸結構，設計新型斜撐徑向隔板單層內缸結構。傾斜的進汽口側板和斜撐的徑向隔板及低壓持環的斜進汽導流面構成3段漸縮型進汽流道，使進汽更加平穩順暢，減小進汽壓損；進、抽汽腔室的徑向撐板均為斜置的，與外覆板及內板形成多個平行四邊形。在受熱變形時，斜置隔板結構利用金屬的熱膨脹，能使上下半缸的中分面牢牢地貼合在一起，產生自密封效果。

圖6 改造后高壓外缸縱剖圖

同時，簡潔的腔室設計，降低了結構的復雜性，有利于制造和檢查。其自密封性賦予了減少內缸中分面螺栓數量的可能性，如圖7所示，能夠減少拆裝的工作量，便于設備的維護。

圖7 改造后低壓外缸俯視圖

2.3 閥門改造技術

原主調閥油動機位于主調閥側面，懸掛安裝于閥蓋側伸出的掛板上，如圖8所示，油動機活塞桿通過杠桿原理，推動與杠桿中點連接的閥軸運動。如此雖可減小對所需油動機力的要求，但增大了對活塞桿行程的要求；同時由于油動機懸掛安裝，當閥門稍有振動時，油動機處的振動將被放大，增加了安全運行風險。

圖8 改造前主調閥油動機

對主調閥油動機連接方式進行了優化，如圖9所示。油動機裝于彈簧箱頂部、應用法蘭及螺栓將活塞桿與閥桿直接連接，以取消杠桿式連接方式，大幅簡化結構及系統，提高控制的靈活性及響應速度，優化設備維護。

圖9 改造后主調閥油動機

2.4 軸系改造

由于機組外缸及軸承座部分不做更換，機組軸承跨距不變，機組軸承大小尺寸受限。隨著機組通流改造，軸系重量略有變化。其中，高壓轉子重量減少近1.4 t，而單根低壓轉子增加約5.3 t。若軸承不做更改，則4號、5號、6號軸承會接近乃至超過軸承許用比壓，夏季運行時軸承環境將更加惡化。

在改造項目中，可在不增大軸徑直徑及不影響軸承座的其他部件結構及布置的前提下，通過提高軸承的有效寬度，解決軸承承載要求增大及與軸承座匹配的問題。

2.5 汽封改造

汽封齒尖磨損，致使汽封間隙增大，造成通過端部軸封、隔板汽封、葉頂汽封的蒸汽泄漏量增大。有關專家通過研究發現，通常汽封損失增大值是汽輪機總損失的80%，可見，汽封磨損是導致汽輪機運行中效率下降的一個主要原因。為了保證汽輪機在較高的效率下運行，機組端部軸封及低壓部分葉頂汽封采用新型的蜂窩汽封，如圖10、圖11所示。如此不僅保留了疏齒密封節流降壓的特點，還可以充分發揮蜂窩帶多級密封和寬面密封的結構特性，提高密封性能，加強汽輪機軸端的阻漏效果。試驗表明，在相同汽封間隙和壓差的條件下，蜂窩式汽封比疏齒汽封具有較小的泄漏量。[3]

圖10 端部軸封

圖11 低壓次末級動葉汽封

2.6 油系統改造

在不改變原冷油器布置空間的條件下，經過對各種型式的換熱器進行比較，并結合在其他項目上的應用經驗，確定選用換熱效果更好，結構緊湊的板式冷油器方案。在同樣及更大的熱負荷下，其傳熱系數較原供管殼式冷油器上升約一半，需要的換熱面積下降20%，滿足換熱性能及布置空間的要求。該方案實施后，機組在滿負荷下各軸承回油溫度均在允許的范圍內，運行情況良好。

3 改造效果

改造后，機組在TMCR工況，修正至設計條件下發電機出線端電功率為356.978 MW，高于改造前330 MW；機組在TMCR工況，修正至設計條件下汽輪機發電熱效率為35.86%，高于改造前的34.28%；機組各軸瓦平均振動水平低于50 μm，優于相關標準小于76 μm的要求。

改造后主調閥油動機振動表現良好，無明顯振動跡象。夏季運行時軸承油溫穩定，低于報警值。

4 經驗反饋

新舊部件之間如具有重要配合關系，在資金充足的情況下，建議同時更換新舊部件，可有效減少現場加工調整工作量，乃至返廠加工的可能性，極大地縮減改造工期。例如本次改造項目中，高、低壓端部汽封僅更換了高壓內汽封體及所有汽封環，其余汽封體并未更換。待拆開檢查后發現汽封體槽局部有吹蝕情況。同時，新汽封環的定位是由現場測準后，待廠家根據測量數據加工出來的，加大了現場工作量，施工周期長。

由于部分部件不更換，新部件無法在工廠內總裝試裝，無法確保部件現場安裝時不會出現干涉事故。解決的方法之一是嚴格控制各部件外形尺寸，對個別鑄鍛件部件，局部位置鑄造時需把控尺寸，或鑄造后加工一刀，以防止與現場部件干涉。

5 結論

我國從20世紀90年代開始進入核電高速發展期，隨著時間的推移，核電汽輪機組逐步達到壽期，對汽輪機組進行改造延壽將逐步被提上日程。同時，隨著時代的變革和技術的發展，新的設計理念和技術將會不斷嘗試應用在新的項目中。

本次在秦一廠320 MW核電汽輪機的增容改造過程中多項國產化先進技術得到了充分應用，取得了圓滿成功，為后續核電汽輪機的技術改造提供了參考。