核電機組運行許可證延續實施過程中汽輪機改造熱力設計研究

王富民，齊 漣

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

核電作為一種清潔低碳能源，穩定提供大容量電量的同時基本沒有碳排放，是我國能源供應實現“碳中和”不可缺少的一環。但是核電機組的首次建設成本巨大，因此在條件允許的情況下，對于核電機組的運行許可證延續(OLE)可以大幅降低投資，國外已有數量眾多的核電機組進入延續運行期[1，2]。

核島內不可更換設備決定了核島的運行參數不允許超出原設計限制。經過長期運行的驗證，核島的實際蒸汽參數相對比較穩定，但與當初的理論設計值或多或少存在偏差。常規島汽輪機改造設計首先面臨著與原核島設備的堆機參數匹配問題。同時，核電機組運行許可證延續通常會帶來機組功率提升的要求，機組的調節性能需要開展適應性的匹配設計。隨著時代的發展，汽輪機通流技術有了日新月異的變化，新技術的廣泛應用將使核電機組運行許可證延續汽輪機組改造的經濟性得到質的提升。

本文從以下三個方面，分析討論了國內首次核電機組開展運行許可證延續中汽輪機改造熱力設計的影響因素。通過探索和經驗積累，為后續國內核電機組開展類似的改造工程提供借鑒和參考。

1 主蒸汽壓力的選擇

核電機組主蒸汽壓力決定著循環效率，蒸汽壓力越高，循環效率越高。但是蒸汽壓力越高，單位質量流體從核島吸收的熱功率反而減小，影響機組的發電容量。對于開展運行許可證延續的核電機組，主蒸汽壓力的選擇還需要考慮原核島的限制條件，兼顧安全性、效率和機組容量。

一般核電機組采用全周進汽、節流運行的方式，從汽輪機設計的角度看，不同的進汽壓力，匹配不同的通流面積。從工程實際應用情況看，往往運行的核島主蒸汽壓力高于設計壓力，這本來有利于核島循環效率的提升。然而汽輪機的通流面積并非按照實際運行的核島壓力設計的，因此這部分壓力基本在進汽閥后自由膨脹了，造成了能量的浪費。

以秦一廠320 MW核電機組汽輪機改造熱力設計為例，主蒸汽壓力分別按照5.34 MPa和5.08 MPa考慮時，如表1所示，設計工況下進口容積流量、第一級通流面積存在2%～5%的差別。

表1 不同主蒸汽壓力下容積流量與第一級通流面積

如果熱力設計中主蒸汽壓力采用5.08 MPa，實際運行時卻變為5.34 MPa運行時，不但沒有收益，反而造成約1 MW的功率損失。如果主蒸汽壓力設計與實際運行都按照5.34 MPa設計，不但挽回了損失，還會再增加至少1 MW的收益。

對于新建核電工程，由于難以準確預測投產后的核島參數，這種參數不匹配的情況難以完全避免。但是對于實施電廠運行許可證延續的機組，核島參數已經長期運行得到驗證，這種堆機參數不匹配的情況可以得到有效地避免。

對于常規島汽輪機來說，確定蒸汽參數是進行改造設計的基礎和輸入。

2 調節性能的改善

通過潛力挖掘、效率提升措施的實施，尤其是新技術的應用，有利于核電機組在開展運行許可證延續工作的同時，實現機組增容的可行性。汽輪機的設計需要考慮機組功率增長后，在高負荷段的調節線性問題。

汽輪機的調節性能在機組實際運行工況下主要表現為調節閥開啟行程與流過調節閥流量的線性關系。流過調節閥的流量等于調節閥開啟面積、彭臺門系數、臨界流量三者的乘積。在調節閥開啟初期，調節閥的蒸汽流動處于臨界流動狀態，流量僅與流通面積相關，此時流量與調節閥開度保持良好的對應關系，調節性能較好。

隨著調節閥流通面積加大，流量增大，閥后壓力隨之增大，彭臺門系數隨著壓比增大開始逐步減小。當這種減小作用與調節閥開大的面積相抵消時，閥門流量的增加逐步趨緩。實際運行狀態下表現為調節特性變差，調節閥流量的微小變動都會引起閥桿的大幅波動。

為了改善機組在額定工況下的調節性能，設計時，適當降低額定工況下閥門前后的壓比，使得額定工況下彭臺門系數還未大幅度減小，調節性能的衰減仍在可接受的范圍內。圖1是秦一廠320 MW核電機組增容改造前后閥門的升程曲線對比，額定工況下的閥門開度，改造前為45%，改造后為38%，機組調節特性得到了有效的改善。

3 先進的通流設計技術

通常，開展運行許可證延續工作的核電機組，配套的常規島汽輪機已經運行多年。隨著時間的推移，汽輪機通流技術取得了長足進步，無論是設備的安全性還是運行經濟性，已經有了巨大的發展[3，4]。以秦一廠320 MW核電機組汽輪機增容改造采用的國內具有自主知識產權的AIBT通流技術為例，其主要特點體現在：

1)安全性能卓越。如圖2所示，預扭整體圍帶葉片的結構設計、加工檢驗以及裝配的精準控制，能夠使得整圈葉片級的葉根和圍帶在周向以致密的預應力貼合在一起，葉片在長期運行期間不產生任何松動，極大提高葉片的承載能力和安全性；另外采用整體圍帶葉片，單片銑制、全切削加工，具有加工精度高、強度好、動應力低的特點。

圖2 葉片預扭示意圖

2)經濟性能優異。各級葉頂圍帶均采用鑲片式迷宮汽封，能夠有效降低通流部分的漏汽損失；葉型部分按照全三維彎扭馬刀型設計，有效減少了二次流損失；全部采用T型葉根，與上一代通流設計中普遍采用樅樹型葉根相比，徹底解決了葉根軸向漏汽損失。通過采用了變反動度的設計原則，能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，使得各個葉片級，均能處在最佳的氣動狀態，提高了整個汽缸的通流效率。圖3是AIBT葉片的主要結構提效優化示意。

圖3 AIBT葉片各結構優化示意

3)自動化、數字化。覆蓋產品全壽命周期的設計平臺，集成了熱力性能計算與通流部分自動優化設計，能夠根據用戶提出的邊界條件，自動完成通流優化設計，如自動完成通流部分熱力、氣動及強度計算；自動完成部分葉片設計與制圖；自動生成CAM信息；自動形成管理文件。

圖4反映了AIBT技術的設計流程，在整個通流設計到加工制造過程，基本實現了數字化，設計完成后，每個葉片都會形成一個數字孿生模型。設計過程自動化、數字化技術應用，在提高工作效率，縮短設計周期的同時，提高了產品制造質量。

圖4 AIBT設計流程圖

AIBT技術的安全、高效以及自動化、數字化的特點，完全可以滿足核電汽輪機對于安全的高標準、高要求，對于開展運行許可證延續工作的汽輪機優化改造，可以最大限度地挖掘潛力，提高效率，提升機組性能，加上自動化、數字化的特點，能夠實現技術方案的個性化設計和縮短交貨周期。

4 結論

汽輪機改造熱力設計，對于提升核電機組循環內效率具有重要的影響。經過本文的分析研究，得到如下結論：

1)綜合核島的安全性、機組循環內效率，以及機組銘牌功率確定汽輪機進口的主蒸汽壓力，并且汽輪機的設計蒸汽壓力與實際運行核島提供的蒸汽壓力需要匹配優化，這是實現效率最大化的基礎；

2)機組運行后的調節性能問題不能忽視，在進行汽輪機通流設計時，應將額定工況置于調節線性區域；

3)選擇安全性、經濟性更佳的通流設計技術是實現機組循環效率最大化關鍵且必不可少的重要環節。

上述研究成果在秦一廠320 MW核電機組運行許可證延續項目汽輪機增容改造設計中得到了全面應用。項目實施完成后，機組整體性能指標優異，驗證了研究結果的正確性。