第6章 核动力汽轮机的特点 2h

1、2022年3月30日星期三page 1第6章 核动力汽轮机的特点哈尔滨工程大学核能科学与工程教研室2022年3月30日星期三page 20 概述 从总体上讲，核电汽轮机与火电汽轮机都是以蒸汽发电，但在设计、制造、安装、运行等方面，核电汽轮机在安全可靠性方面有更高要求。首先从蒸汽来源蒸汽来源看，压水堆核电汽轮机所用的蒸汽不是像火电机组那样来自锅炉锅炉，而是来自反应堆一回路部份的蒸汽发生器蒸汽发生器，由于汽源供应的不同，使得核电汽轮机组的调节系统对功率反应性、灵敏度、可靠性有着更高的要求，以确保反应堆的绝对安全。再以蒸汽参数蒸汽参数而言，压水堆核电站的汽轮机进汽是中参数的饱和蒸汽中参数的饱和蒸汽，

2、蒸汽湿度高、疏水量大，因此引起了一系列的问题，如设计结构、设备去湿、材料防蚀、增设汽水分离再热器及在阀门运行等方面，都必须采取相应有效的措施，以减少饱和蒸汽湿度大所引起的各种危害。再则是核电机组在甩负荷时比火电机组更易于超速。2022年3月30日星期三page 32022年3月30日星期三page 41 压水堆装置图 整个装置分为一、二两回路。一回路工作压力13.7215.68MPa，对应饱和温度335346；舰船蒸汽发生器饱和蒸汽压力2.352.94MPa，核电站4.96.86MPa。对饱和蒸汽进行过热实现困难，只能以饱和蒸汽供汽轮机工作。堆型堆型CPR1000AP1000EPRCAP140

3、0WWER-1000压力压力P6.435.5657.435.585.88温度温度T280.1270289.9268.6274.32022年3月30日星期三page 52 核动力汽轮机膨胀过程线 过程线1：不采取任何措施，低压缸出口湿度24%； 过程线2：高、低压间设置外置汽水分离器，将高压汽轮机出口湿度为8%13%的蒸汽去湿，湿度降低到1%0.5%，低压缸采取内除湿，出口湿度13%14%； 过程线3：采用分离再热器，低压缸进汽过热，并采取低压缸内除湿，出口湿度10%12%； 过程线4：火电站汽轮机热力过程线。1234分缸外置式汽水分离器内部除湿再热常规电厂2022年3月30日星期三page 6

4、3 湿蒸汽在通流部分的流动 汽轮机通流部分内的凝结过程的复杂性主要是由于流动的三元流动的三元特性特性造成的，不存在一个明显的凝结面。湿蒸汽中所携带的水滴一般分为两类：（1）饱和蒸汽在整个通流部分内不断生成和凝结长大的小水滴，占整个湿度质量的90，侵蚀作用小，但可能因碰撞而聚集形成水膜；（2）喷嘴叶片表面上的水膜在高速汽流携带作用下，从出口边上撕裂而成的水滴，占10左右，侵蚀作用大，对叶片的制动作用大；2022年3月30日星期三page 74 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响一、饱和蒸汽参数低一、饱和蒸汽参数低 饱和蒸汽参数为2.56.0MPa,当汽轮机的排汽压力相近时，核动力汽轮机的可用焓降只是高参

5、数、再热式常规电站汽轮机可用焓降的一半左右。直接影响是： 核动力汽轮机的级数少而没有中压汽缸没有中压汽缸。 低压缸功率占全部功率的比例增大，约为50一60，因此，低压汽轮机的经济性对整个汽轮机有重要影响。 汽轮机的排汽损失、分离再热器和进、排汽管道的压力损失对核动力汽轮机的经济性影响增大。没有中压缸，高压缸双流，低压缸多排气口没有中压缸，高压缸双流，低压缸多排气口2022年3月30日星期三page 8二、蒸汽容积流量大二、蒸汽容积流量大 核动力汽轮机在结构上有下列特点： 进汽管道和阀门的重量、尺寸大。 当功率增大到500800MW时高压缸要做成双流路双流路的。 高压缸叶片高，扭叶片数量增多，增

6、加了设备的投资额。 由于叶片高度增大，增加了调节级设计的困难；低负荷时叶片的弯曲应力增大，尽量避免采用喷嘴调节。 出口蒸汽容积流量大，不仅使末级叶片增高（加大汽轮机径向尺寸），还要采用多排汽口多排汽口结构，使汽轮机结构复杂，重量、尺寸大。 冷凝器换热面增大，循环水量几乎增加一倍，这也是核电站厂址选择时需特殊考虑的问题之一。4 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响2022年3月30日星期三page 9三、蒸汽的湿度大三、蒸汽的湿度大 一般可近似认为级平均湿度增大1，级内效率降低1，所以蒸汽湿度的增加降低了级的效率。 目前得到广泛应用的去湿方法去湿方法有： 内部分离去湿法内部分离去湿法：在汽缸内壁、隔板外环

7、采用的沟槽式分 离，喷嘴叶片的缝隙式抽吸分离，增大轴向间隙去湿，抽汽去湿等。 外置式分离器或分离再热器外置式分离器或分离再热器 以上方法确保末级的蒸汽湿度不超过12，提高了级效率。4 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响2022年3月30日星期三page 10四、增大单机功率四、增大单机功率 增大排汽口的通流能力增大排汽口的通流能力，主要受最末级的排汽面积影响。 相同末级叶片高度时，提高排汽压力或增大排汽损失提高排汽压力或增大排汽损失都能明显增大单机功率，但将损失汽轮机的经济性。 采用半转速汽轮机采用半转速汽轮机，但在实际应用中受到汽轮机结构尺寸和制造工艺上的限制，所以在低速汽轮机中叶片高度和平均直径只

8、增大50左右。4 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响2022年3月30日星期三page 11五、核电汽轮机的可靠性五、核电汽轮机的可靠性 在设计时要有较大的安全系数，使受力部件工作更可靠。 采用质地更好的结构材料，不仅许用应力大，有更高的抗蠕变性能。 设计效率高、受力条件更好的喷嘴叶栅和工作叶栅。 采用高效的内除湿措施和外置式分离器，有效的减少级的蒸汽湿度。 对工作叶片进汽边背弧的顶部、缝隙、弯头等易受水滴冲刷侵蚀部位、采用有效的防护措施。4 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响2022年3月30日星期三page 12六、对汽轮机甩负荷特性的影响六、对汽轮机甩负荷特性的影响 甩负荷特性甩负荷特性：汽轮机突然甩掉

9、负荷时，工作转速仍控制在超 速1112范围内的能力。 汽缸内、蒸汽管道内及分离再热器内残存的大量汽体，流向冷凝器时仍可发出功率，不能使汽轮机转子马上停下来。 汽缸内转子和静子的表面都存在水膜，凹坑及中间汽水分离器内部存在有水份，闪蒸现象产生大量的汽体，使转子在甩负荷后转速可能继续增加到1525。 可采取的措施可采取的措施(1)在分离再热器后，蒸汽进入低压缸前的蒸汽管道上加装速关阀门速关阀门，但这种大尺寸、要求关闭动作迅速的阀门，制造起来难度较大。(2)减少高、低压缸之间的管道尺寸，提高分缸压力提高分缸压力，把分离再热器设计在一个壳体内。(3)减少汽缸内的凹坑减少汽缸内的凹坑，加强汽缸和管道内的

10、疏水工作。4 饱和蒸汽对汽轮机设计的影响2022年3月30日星期三page 135 饱和汽轮机的内部去湿装置u内部去湿装置：在汽轮机通流部分所采取的去湿措施。u分类分类： 喷嘴叶片上的缝隙式去湿装置； 汽缸和隔板外环上的沟槽式去湿装置。2022年3月30日星期三page 14一、缝隙式去湿装置对象：数量不多但尺寸较大的水滴，对工作叶片的侵蚀起决定性作用。方法：把喷嘴叶片上的水膜在离开出口边前抽走。措施：喷嘴叶片表面水膜较厚的上部1/3长度内开去湿缝隙，一般缝隙宽约为2.02.5mm左右。5 饱和汽轮机的内部去湿装置2022年3月30日星期三page 15二、沟槽式去湿装置原理：原理： 在隔板的

11、外环加装疏水环或在汽缸的内壁车出疏水沟槽，使由喷嘴叶片出口撕裂下来的大水滴受到离心力作用发生径向运动而被捕捉。5 饱和汽轮机的内部去湿装置2022年3月30日星期三page 166 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器一、概述（1）高效率的外部去湿装置可使湿蒸汽干燥到y2=0.51，显著的降低了进入低压缸的蒸汽湿度；（2）利用新蒸汽对干燥后的蒸汽进行加热，使其稍有过热度，可以提高机组的经济性并保证机组安全；（3）外置式汽水分离再热装置可提高装置效率2.02.5%，但其体积和重量庞大，增加了设备投资和二回路故障。2022年3月30日星期三page 17二、分缸压力的选择 外置式分离再热器安装在高压缸

12、出口，外置式分离再热器的工作压力就是核动力汽轮机的分缸压力核动力汽轮机的分缸压力。（1）分缸压力高，低压缸级数多，汽轮机末级湿度可能超出允许范围；（2）分缸压力低，分离效果好，但对高压缸要求提高； 在只采用一级外置式汽水分离去湿的条件下，最佳分缸压力为p分(0.10.15)p0，可使装置效率提高2530； 在具有中间再热器的情况下，为了使干燥的蒸汽在较多的级内带来好处，使汽轮机的分缸压力提高些。6 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器2022年3月30日星期三page 18三、分离器的种类1、旋风分离器、旋风分离器原理：原理：汽流沿切向进入筒体，两相流体的质量不同，所受到的离心力不同，水滴在较大的

13、离心力作用下发生径向运动，与筒壁相碰被捕捉而从蒸汽中被分离出来形成水膜沿壁面流下被疏出。优点：优点：对大水滴分离效果较好；缺点：缺点：剩余湿度较大；工质流动速度较高，分离器的流动阻力也比较大。6 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器2022年3月30日星期三page 19三、分离器的种类2、波纹板式分离器、波纹板式分离器原理：原理：湿蒸汽进入曲折的波纹形状的金属薄板通道内高速流动时，质量大的水滴在转弯时惯性大而与板壁碰撞被捕捉吸附形成水膜，而把水滴由汽流中分离出来。优点：优点：分离效率可高达95以上，最终湿度可达到0.5左右，应用广泛。缺点：缺点：因波纹板分离器受汽流速度的限制，因此波纹板分离器的

14、重量体积比较大。6 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器2022年3月30日星期三page 20三、分离器的种类3、金属丝网分离器、金属丝网分离器原理：原理：大量的细金属丝垫形成巨大的表面积，与蒸汽充分接触。表面的吸附和细丝的阻挡作用可以使蒸汽中各种尺寸的水滴碰撞到金属丝上被细丝捕捉。优点：优点：分离特性好（0.20.3），流动阻力低（250400Pa）。缺点：缺点：丝网分离器的工作速度低，因此，丝网分离器体积庞大，金属丝太细抗腐蚀性能差而寿命低，只适合做细分离器。6 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器2022年3月30日星期三page 216 饱和汽轮机的外部去湿装置和再热器三、分离器的种类4、分

15、离再热器、分离再热器 高压汽轮机出来的湿度很大的湿蒸汽首先进入汽水分离器，湿度提高到0.30.5，然后进入再热器进行再热。2022年3月30日星期三page 227 工作叶片的防护一、对工作叶片积极的防护方法一、对工作叶片积极的防护方法1、努力减少级的蒸汽湿度；2、减少水滴对工作叶片的撞击作用；3、降低工作叶片的外缘圆周速度：（1）减少最末级叶片的高度；（2）降低汽轮机转速。二、对工作叶片的消极防护方法二、对工作叶片的消极防护方法（1）工作叶片采用耐侵蚀材料；（2）在叶片易受侵蚀的部位镶嵌司太立硬质合金块；（3）在叶片易受侵蚀的部位采用局部加工工艺。2022年3月30日星期三page 23一、

16、概况一、概况u到目前为止，世界上已投运的单轴百万千瓦级及以上的核电机组大约共有219台，其中半速机半速机209台，全速机台，全速机10台台。u在电网频率是60Hz的国家中，几乎全部采用半速机组几乎全部采用半速机组，在电网频率为50Hz的国家中，绝大多数为半速机组绝大多数为半速机组。u在我国大陆已投运的核电机组中，只有秦山三期只有秦山三期的汽轮发电机组为半为半速机速机，其余全部为全速机。u从制造来看，西门子、三菱、日立、东芝西门子、三菱、日立、东芝生产的百万千瓦级以上的机组全部为半速机组。ABB和和ALSTOM既生产半速机组又生产全速机组。俄罗斯生产全转速机组。8 半速汽轮机2022年3月30日

17、星期三page 24二、核电采用半转速汽轮机的原因二、核电采用半转速汽轮机的原因u采用半速机组有利于提高单机的极限功率和机组效率，有利于降低叶片的设计难度。 对于全速汽轮机，同样长度的叶片承受到的离心力是半速机的四倍，因此全速汽轮机不可能采用较长的叶片。 采用半速机在同样的末级叶片应力和强度的情况下，可使汽轮机的功率大约增加四倍。u 在同样末级叶片情况下，由于半速机叶顶速度降低，叶片的水蚀量减小，同时降低了转动部件的应力。在给定功率的前提下，由于可以采用更长的末级叶片来增加排汽面积，因此可以减少排汽缸的数量，降低设备及厂房的投资。8 半速汽轮机2022年3月30日星期三page 259 核电汽

18、轮机技术发展趋势n消除高压缸热应力n防止超速n除湿防蚀措施n研制新的末级长叶片系列n新型在线监控、诊断和运行支持系统的开发n低压部分超净整锻转子及焊接转子的开发2022年3月30日星期三page 265 核电汽轮机技术发展趋势n消除高压缸热应力消除高压缸热应力 高压缸表面温度在变工况时会随蒸汽温度而快速变化；且在汽轮机甩负荷后，由于进汽量骤减，压力急降，使缸内水膜闪发为蒸汽，同时还吸收了缸内外壁的大量热量，这均会造成高压缸内外壁与中分面法兰间的巨大温差，产生极大的热应力，会导致静止部件的变形和裂缝，造成汽缸中分面缝隙侵蚀与蒸汽泄漏。解决的方法为高压缸采用双层结构，加大中分面螺栓及增设加热装置。

19、2022年3月30日星期三page 275 核电汽轮机技术发展趋势n防止超速防止超速 核电汽轮机因贮汽空间和转动惯量均比火电汽轮机的大，故在机组甩负荷时，容易引起超速。除调节系统能快速响应并动作，迅速切断汽源及快速关闭传热汽阀外，还必须规定超速的数值低于危急折断装置动作的转速，使汽轮机能维持空载运行。 2022年3月30日星期三page 285 核电汽轮机技术发展趋势n除湿防蚀措施除湿防蚀措施 除在核电汽轮机内部设置除湿结构和采取防蚀措施外，关键在于汽水分离再热器。汽水分离再热器的运行故障几乎占所有非计划停机的30左右，原因为：1）在两相流动时，再热器管束阻塞，在出水侧端部产生过冷现象；2）疏水受阻或不畅；3）再热器管束因热应力或振动而爆管。为此，研究了多种流程回路结构，以达到既可靠又高效的目的。2022年3月30日星期三page 295 核电汽轮机技术发展趋势n研制新的末级长叶片系列研制新的末级长叶片系列 就核电汽轮机而言，提高单机功率和降低热耗在很大程度上取决于末级叶片的长度和效率，所以各国均投入很多力量研制新的末级长叶片系列，投运了不少1000mm以上的末级叶片。如美国GE公司的1041