核电汽轮机去湿与防腐蚀关键问题探究

1、核电汽轮机去湿与防腐蚀关键问题探究摘 要：从理论上阐述核电湿蒸汽汽轮机的特点，重点讨论湿汽对核电汽轮机 运行造成的影响。介绍了大型汽轮机低压通流去湿和防侵蚀常规措施和一些新型 防侵蚀措施和结构。关键词：核电汽轮机；湿蒸汽；侵蚀腐蚀；去湿防蚀Abstract: This paper describes the characteristics of the nuclear wet steam turbine. It emphases discussing the effects of the wet steam to the wet steam turbine . The routine meth

2、ods of moisture removing and erosion resistant and new measures and structures of erosion resistant for steam path of nuclear steam turbine are introduced.Key words: nuclear steam turbine; wet steam; erosion & corrosion; moisture removal & corrosion prevention引 言核电是一种经济、安全、可靠和清洁的能源，相比煤电而言，一台1 000MW

3、级核电站每年可减少标准煤耗250万,t从而减排580万七二氧化碳，0. 4万七二氧化 硫和1. 2万t一氧化氮。1虽然福岛核电站事件对我国核电事业发展造成一定影 响，安全高效地发展核电，实现未来清洁能源发展仍是必然趋势。2汽轮机是核电安全运行的重要组成部分。大型汽轮机的最末几级叶片经常工 作于湿蒸汽区。湿蒸汽中的水滴不仅降低了级效率，而且腐蚀了动叶片，缩短了 叶片的工作寿命，增加了机组运行的安全隐患。核电汽轮机由于采用饱和蒸汽或 过热度不大的蒸汽，往往高压叶片已工作于湿蒸汽区，湿蒸汽造成的影响更加严 重。因此对于工作于湿蒸汽区的叶片，必须采取去湿或防侵蚀措施，从而降低湿 气损失并保证叶片的安全

4、性。31核电湿蒸汽汽轮机的特点1. 1初参数低且湿度大反应堆供给汽轮机的蒸汽参数较低，压力一般为 4070 MPa,湿度为0.25% 0.40%,温度大约270C , 即为略带湿度的饱和蒸汽。这比常规火电汽轮机初参数低 得多。核电汽轮机的热力过程曲线如图1所示，图中虚线 段abcde表示1台进汽压力16.7 MPa的常规亚临界中间 再热汽轮机的过程线。饱和线上方为过热蒸汽区，下方为 湿蒸汽区。虚线段ab表示蒸汽在高压缸内的膨胀过程， bc段表示高压缸排汽的再热过程，cd段表示中压缸内 的膨胀过程，de段表示蒸汽在低压缸内的膨胀过程。仅 有低压缸中（de段）末几级叶片处于饱和线以下的湿蒸 汽区工

5、作，其余均在过热区。核电汽轮机在高压缸进口， 蒸汽在6.07.0MPa下，进入时为略带湿度的饱和蒸汽， 温度约270 C。经实线段AB膨胀至高压缸出口，湿度增加到大约12%左右，进 入汽水分离再热器去湿及再热至大约有70 C过热度，如线段BC所示。然后进 入低压缸膨胀，如线段CD所示。可见，核电汽轮机只在低压缸部分与常规火电 汽轮机有相似的工作过程，其初参数低，压力仅为亚临界机组的1/3，临界、超 临界机组的1/ 4,同时湿度大，工作段大部分处于湿蒸汽区。1 .2进汽量和容积流量大由于核电汽轮机初参数低，其有效焓降仅为常规火电汽轮机的50%左右， 致使同等功率机组,核电汽轮机的进汽量是火电机组

6、的2倍，而容积流量则为4 6倍，同时疏水量也猛增。42湿汽对核电汽轮机运行的影响 2. 1湿汽损失与运行经济性湿汽损失主要包括热力损失、气动损失和阻滞损失。a热力损失由于湿汽中水分的存在，减少了汽流的有效作功流量；由于汽流 速度很快，原该凝结的一部分蒸汽还来不及凝结，这部分蒸汽的汽化潜热来不 及释放出来，出现过冷膨胀，其焓降小于理想膨胀过程的焓降，造成过冷损失。b气动损失因水滴的膨胀性差，悬浮 在蒸汽中的水滴需要靠汽流的 带动而消耗汽流的一部分动能; 水滴虽依靠汽流的带动得到加 速，但其静叶出速度c1x远小 于汽流的速度c1 ,导致水滴 进入动叶的相对进汽角P1x远 大于蒸汽进入动叶的相对进汽

7、 角61 , w 1x的方向冲向动叶 的背孤，如图2所示。水滴不 断撞击动叶背孤而致使动叶叶 型遭受破坏，使叶型损失增加； 同理，在动叶出口处，由于水 滴流速低于蒸汽流速，当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时，水滴将撞击在喷嘴 进口的背弧上，扰乱了汽流而造成能量损失;蒸汽与水滴运动速度的不相等，还 将使汽流内产生漩涡，造成动能损失。c阻滞损失当水滴撞击在动叶进口背弧时，将阻止动叶的旋转运动，消耗了一部分叶轮的 轮周功，造成能量损失。2. 2导致汽轮机机件的侵蚀湿汽中水滴的存在不仅造成一定的能量损失，同时还将对汽轮机的机件造成侵 蚀。在湿汽环境中工作的汽轮机，受到的侵蚀腐蚀一般有冲击侵蚀、缝隙侵蚀、

8、 冲刷侵蚀和应力腐蚀等4种。2. 3对凝汽器产生冲刷腐蚀凝汽器的冲刷腐蚀发生在冷却水管的汽侧，当蒸汽挟带水滴高速冲刷冷却水管 时，在多次重复冲击下，冷却水管外表面逐渐变得粗糙，最终将导致冷却水管 的管壁穿孔。2. 4限制负荷变化率和变化次数核电汽轮机多数级工作在湿汽区，湿蒸汽的温度与压力的一一对应的。当机组甩 负荷或负荷大幅度快速变化时，通流部分的汽温将随汽压的变化而剧烈变化，而 湿蒸汽的对流换热系数又特别大，这将使汽轮机金属表面的温度也会随负荷的 变化而大幅变化，导致零部件内部产生较大的温度梯度和较高的热应力，引起 热疲劳损伤。因此，核电汽轮机应更严格限制其负荷变化率和变化次数。2. 5水膜

9、和疏水闪蒸引起超速在核电汽轮机的汽缸、汽水分离再热器和回热抽汽管道等腔室和管道中积聚的疏 水，包括其内壁面和转子表面上覆盖的水膜，这些水分均处于饱和状态。当事故 停机或甩负荷时，由于主汽阀关闭后使这些腔室和管道内压力骤降，其内大量 的水膜和疏水将闪蒸成蒸汽，这些附加蒸汽可使机组转子的转速快速升高15% 25%,这样会进一步加剧汽轮机超速，危及汽轮机的运行安全。可见，湿汽中水 分的存在对汽轮机的经济安全运行都是极为不利的。53核电湿蒸汽汽轮机通流防侵蚀、腐蚀措施3 .1积极的防侵蚀措施3 .1.1去湿防侵蚀措施以饱和蒸汽作为工作介质的核电汽轮机，其经济性和可靠性在很大程度上取 决于蒸汽流道中的去

10、湿效果，通流部分水分减少，能减轻动叶片和静子部件的侵 蚀损坏，并降低甩负荷时因汽轮机负荷变化导致部件表面水膜闪蒸而引起的超速 影响；水分的减少可以降低水膜的形成数量进而减少水膜和汽水附面层间的摩擦 损失和相间摩擦损失。水分的减少，还能增大有效功流量，减少水滴碰撞所消耗 的能量，从而提高了机组的经济性和可靠性。实际上汽轮机通流部分只能去除大水滴，它们在总含水量中又只占不大的比 例。然采取这种措施非常有效，因为正是这种大水滴和水膜才引起叶片和通流部 分其他元件的浸蚀，并成为湿度引起的机械损失的原因。汽轮机采用的去湿方法 主要有内部去湿和外部去湿两种。高压内缸疏水孔。核电汽轮机高压缸均处于湿蒸汽工作

11、区域内，排汽湿 度为12%左右。因蒸汽密度大，水分呈细小雾状，通常不存在水滴对动叶片撞击 侵蚀问题，然而通流部分积水，则会造成严重的侵蚀损坏事故。为此，从可靠性与经济性出发，必须考虑去除高压缸内水分。高压蒸汽中的水分均匀呈雾状，并 与主蒸汽流相似的速度运动，所以高压缸很少采用去湿结构，而较多考虑的是消 除积水的可能性。一般在高压内缸下半底部有疏水接管，用来排走进汽腔室的积 水。在高压外缸各腔室的积水通过底部抽汽口排出，不需要另外设计疏水孔，就 可以保证腔室内不积水。动静间去湿孔和静叶汽道中的去湿。静叶和动叶间设去湿孔（见图3）， 此孔穿过动叶顶部的隔板（汽封）环，将水滴抽除到机组最后一级抽汽口

12、中。在 末级静叶汽道中设去湿孔（见图4），用以将累积在末级隔板外环上的水分在其 重新落入汽道中和撞击末级隔板外环之前抽除，并通过内缸壁上的孔抽除至排汽 压力区域。在排汽导流环和低压内缸结合的垂直法兰面处留有5 mm间隙（如图4）， 可以去掉末级动静叶间水分。这种去湿装置同时有助于提高末级动叶的抗腐蚀能 力。图3静叶和动叶间去湿孔图4 静叶气道中去湿孔C.由于水滴的径向上升与其轴向位移平方成正比，因此在动静间距增大时 去湿效果明显提高。增大静叶和动叶之间的轴向间隙，可以加长水滴行程，有助 于间隙中弥散大水滴的升速和碎化，使水滴可以充分的雾化，减少水滴对动叶的 冲击。6在湿度比较高的级内将静叶做成

13、中空，在容易集聚水膜的叶片表面开出 专用槽，以抽吸掉附在叶片表面的水分，把流道表面的水膜中的水分导走。槽内 去湿效率主要由槽的形状和开槽位置决定，根据经验，一般去湿槽设置在叶片进 汽部分背弧或出汽部分内弧去湿更有效。采用蜂窝汽封次末级和次次末级动叶顶部采用蜂窝汽封（图3），各蜂窝 眼可以收集叶片流道内的水汽，增强去湿能力，并能提高机组效率。末级未采用 蜂窝汽封是因为其本身抗冲蚀的能力较低，在末级湿度很大的环境里很容易遭到 损坏。蜂窝汽封的轴向位置不应覆盖住动叶出汽边，经验表明，超过动叶出气边 位置以外的蜂窝汽封极易被腐蚀掉。级间抽汽去湿。在利用上述的去湿方法的同时在级间抽汽会提高去湿效果， 能

14、将汽缸壁面上附着的和蒸汽中的一部分水分随同蒸汽抽吸出去。但这样需要从 循环中抽走部分尚有一定做功能力的蒸汽。因此，除了在回热抽汽处自然抽吸含 水量偏高的蒸汽外，在任何具体的场合采用这种去湿方法的可行性需要在经济上 进行讨论。73.1.2其它的积极防侵蚀措施a.选择半转速核电汽轮机。一般认为在给定的排汽湿度下，叶顶速度的高低 是影响叶片侵蚀程度的主要因素。国外公司根据经验数据，整理出一个影响侵蚀 速率的公式，K越大表示侵蚀的速率越快。K=(u-244)/3042 m0.8 (KV56)式中：u顶部速度，m/s； m蒸汽湿度。从以上公式可以看出，动叶片的 圆周速度大，冲击速度也大。由于半速汽轮机叶

15、顶线速度比全速汽轮机较低， 所以在采用相同的叶片材料、相同的防水蚀措施情况下，半速汽轮机叶片的侵蚀 情况没有全速汽轮机严重。图5是针对典型的全速机和半速机，应用范围是由强 度限制和综合技术经济分析得到的。根据图5所给定区域，不必进行任何计算， 只须凭经验估计出合理背压即可。0.0090.0070.0050.0110.003400600800100012001400选择合理的设计参数。主要采用可控涡设计方法和增大级焓降。选择合理的分缸压力。核电汽轮机设计多采用1个高压缸(或高中压合缸) 加2 3个低压缸的结构。对于压水堆腱8套的核汽轮机来说，当分缸压力在0.4 0.5 MPa时，低压缸通流部分的

16、侵蚀磨损实际上与火电汽轮机没有本质区别(在 采用相同的材料下)。当分缸压力大于0.6 MPa、湿度为2%3%时冲蚀现象较严 重，所以必须选择合理的分缸压力。添加防腐剂。向蒸汽中注入十八胺微量添加剂，可使工作叶片的水滴冲刷 冲蚀强度减少，并降低汽轮机中及湿蒸汽抽汽中的湿度损失。这是由于处于水膜 中的较小量的十八胺实际上完全沉积在表面上，成为氧化物-水膜分界面上腐蚀 抑制剂，这样通过锁闭氧化层中的微孔及减小其内扩散过程的强度来降低冲蚀腐 蚀过程的腐蚀影响程度。同时，采用十八胺可减小水膜形成的波浪和紊流。此外， 添加十八胺可降低表面张力，减小水滴的尺寸，进而使冲蚀腐蚀过程中水滴冲刷 冲蚀分量减小。凝

17、汽器的防冲蚀。合理选材，凝汽器的冲刷腐蚀与冷却水管的材质有关, 不锈钢管和钛管的抗冲刷腐蚀性能优于铜合金。在凝汽器喉部设置导流板来重组 高速汽流的分布，并在管束的适当位置设置防冲板或防冲棒。凝汽器管束顶部迎 汽区的前三排冷却水管采用厚壁管。3.2消极的防侵蚀措施选择抗浸蚀性材料、强化叶片表面和采用保护涂层等措施来增加动叶片受水 蚀表面硬度，以提高叶片的抗水蚀能力。目前国内外常用的方法是对动叶片出气 边进行强化处理，这是一种常用的汽轮机叶片防水蚀的方法。对动叶片的上半部 的出气边背弧采用电火花强化、焊接硬质合金片或等离子喷涂硬质合金等方法可 有效地提高叶片的抗腐蚀能力，提高叶片的寿命。也可在动叶

18、片进汽部分开几条 纵向去湿槽，这些纵槽中流动的水分可以缓和水滴的冲击作用。表1列出了秦山二期核电机组与常规火电的材料对照表，从表中可以看出核 电汽轮机选材的独特性。8表1核电汽轮凯和火电汽轮机主要零部件材料对照u脚吁柚套核 电火电1nlZG 13Cr进汽H袜环LSt； k-1 nlZG15C k-lM nl4棉板岱ZGOC 11 3N i4M 4； ：!5CrlM53(K；rlM 1Vi4M 小6低Hi托r7内外汽封i lM nA4结论丽板1 (1 i!2M o为了降低湿汽损失并提高叶片的安全性，王作于湿蒸汽区的叶片，必须采取 去湿或防侵蚀措施。本文介绍和讨论了目前湿气汽轮机的特点及对机组正常工作 的影响，提出了制造厂家常用的动叶片积极和消极去湿或防侵蚀措施。另外近年 来对其他较新的叶片防侵蚀措施和结构如：添加防腐剂、采用可控涡设计、末几 级蜂窝汽封的工作机理同样进行了讨论和介绍。参考文献:1