大型压水堆核电汽轮机再热压力的选择

卫栋梁 李曦滨 井芳波 宋 萍 夏开君

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

大型压水堆核电汽轮机再热压力的选择

卫栋梁 李曦滨 井芳波 宋 萍 夏开君

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

本文介绍了大型核电汽轮机组再热压力合理选择的方法， 论证了国内在建的大型压水堆核电汽轮机组MSR最佳再热压力范围。

核电；汽轮机；再热压力

0 引言

现阶段国内在建和投运的大型核电机组的主流机型有 CPR1000、 AP1000 及 EPR 等。 自主设计的 CAP1400、 ACP1000 等大型核电机组也已开展了设计。

这些核电机组普遍采用二级再热的 MSR 系统。汽轮机的排汽已带有微量湿度，若不采用再热措施， 汽轮机排汽湿度将超过 20%， 不仅低压缸效率降低，并且远超出末级叶片许用范围。所以核电机组必须采用汽水分离再热器 （Moisture Separate Reheater， 简称 MSR）来提高汽轮机的排汽干度。

图1 为 1000MW～1700MW 压水堆核电机组的主蒸汽流程图。反应堆出口湿蒸汽进入一单流高压缸膨胀做功后， 高压排汽进入 MSR， MSR 出口的干蒸汽再进入一单流中压缸做功，中压缸排汽进入多个双流低压缸做功，低压排汽的乏汽进入凝汽器。

图1 压水堆核电机组的主蒸汽流程图

图2 为核电和火电机组蒸汽膨胀过程线。从图中可以看出， MSR 作用一定程度上和火电机组再热系统类似，其作用可以减小汽轮机排汽湿度，提高机组循环效率。火电机组的最佳再热压力一般可以通过分析论证得到。核电机组最佳再热压力 （本文将汽水分离器入口压力称之为再热压力）也需要通过论证分析得到每种机型的最佳再热压力范围。本文将通过对不同主汽参数、不同功率等级的核电机组计算、分析来找出典型核电机组最佳再热压力范围。

图2 核电和火电机组蒸汽膨胀过程线

1 MSR

MSR 由汽水分离器和两级再热器组成， 图3为MSR纵剖面图。

1.1 汽水分离器

汽水分离器是将带有一定湿度的蒸汽进行汽水分离， 分离后的蒸汽湿度可达到 0.5%， 接近饱和蒸汽。

1.2 再热器

再热器作用为将汽水分离器出口的饱和蒸汽加热为干蒸汽。理论上再热器级数越多机组循环效率越高，但随着再热级数增加，机组循环效率增加幅度变小。

MSR 结构复杂 （图3 为 MSR 的典型结构之一）、 设计难度大且机组投资成本增加。 所以当代核电机组普遍采用两级再热。其中一级再热蒸汽从高压某级后抽汽，抽汽压力按照各加热器等焓升分配原则选取。被加热蒸汽在再热器出口温度由抽汽压力和加热器端差确定。

图3 MSR 纵剖面图

2 再热压力的选取

2.1 计算模型

最佳再热压力的选取与 MSR出口温度紧密相连， 而MSR 出口温度由主蒸汽参数确定， 所以不同的反应堆对应的最佳再热压力范围应有差异。本文将 CPR1000、 CAP1400、 EPR 三种压水堆作为模型进行分析计算。

2.2 计算原则和条件

为了确保计算数据的可靠性，每种机组均按照下列条件进行计算。

·机组进汽参数、排汽压力、反应堆热功率保持额定值；

·通过变化再热压力，重新设计汽轮机的通流；

·计算边界条件如电机效率、机械损失、回热级数、 加热器端差、 抽汽管道压损、 MSR 端差、压损等保持一致。

·计算分析采用经过工程验证的综合热平衡软件。

2.3 再热压力与功率关系曲线

在保证汽轮机末级湿度在允许范围内前提条件下，对每种机型选取了不同的再热压力进行计算。

热力计算的结果表明再热压力与机组功率关系曲线为开口向下的抛物线形式 （见图4）。 随着主蒸汽压力的升高，抛物线的顶端向右偏移，即最佳的再热压力随主汽压力的升高而升高。由此可以得到最佳再热压力和主蒸汽压力是相关的。

随着主汽压力越高， MSR 出口温度上升， 机组中低压膨胀过程线右移，中低压可利用的焓降缩短，适当提高再热压力可使蒸汽在中低压缸充分膨胀，提高机组循环效率，所以随着主汽压力的升高，再热压力与功率关系曲线向右移动。

图4 再热压力与机组功率关系曲线

表1列出了再热压力变化引起的相关参数的定性变化趋势。

再热压力过高，高压排汽湿度减小，但高压可用的总焓降减小；中低压可用的总焓降虽然增加，但中低压部分级次过早地进入湿蒸汽区，造成中低压效率迅速下降；反之，再热压力过低，高压可用的总焓降增大，但高压排汽湿度增大，高压缸效率减小，中低压效率虽有上升趋势，但其可利用的焓降减小。所以再热压力过高或过低均会引起汽轮机组循环效率下降。

表1 再热压力变化引起的相关参数的定性变化趋势

2.4 实际工程的最佳再热压力范围的选取

再热压力的选取对汽轮机组的热经济性及相关部件及整个电厂的设计具有重大的影响。图5为国内首台百万等级核电机组的汽轮发电机组的实际布置的照片， 从图中可以看到， MSR的尺寸和汽轮机的本体部件相当，已成为主机之一。从高压缸排汽至再热入口的部件主要有高压排气管、MSR本体、 再热热段管道及再热阀门等。 这些部件的尺寸直接和再热压力的选择相关。

图5 国内首台百万等级核电机组实际布置图

在工程设计中要充分考虑再热压力变化后对设备本身尺寸加大带来的影响 （尺寸、 电厂布置、重量、 运输等）。 由于核电机组蒸汽流量巨大的原因，所以特别在大容量机组的设计中要充分考虑。

鉴于此原因， 超大容量 （例如 EPR）、 较低进汽参数的核电机组的再热压力，可以适当取得高一些。这对优化机组尺寸、电厂布置和平衡投资是特别有效的。

表2 列出了当前世界最大单机容量的 EPR 核电机组在不同的再热压力设计时的高压排汽管、中压蝶阀的尺寸变化情况。可以看出，当再热压力变化时，相关管道和设备的尺寸将发生很大的变化，需进行综合考虑。

表2 EPR机组在不同的再热压力设计时的高压排汽管、中压蝶阀的尺寸变化情况

根据国际上核电工程的经验，早期的部分核电汽轮机发生过严重的应力腐蚀 （SCC）问题， 严重影响了核电机组的可靠性。低压汽轮机的应力腐蚀主要发生在过热区向湿蒸汽的过渡区 (即wilson 区)。 核电汽轮机膨胀线和饱和线的交点显著高于再热火电机组的交点 （见图2）。 所以核电机组的部件在过渡区的工作温度高于火电机组，可达 30℃左右。

研究表明应力腐蚀的程度和温度密切相关，温度愈高腐蚀恶化愈加剧烈。通过优化再热压力，可以降低过渡区的工作温度，将应力腐蚀控制在合理的范围内，确保机组的可靠性。

根据以上综合分析，得到压水堆核电机组主汽压力与最佳再热压力范围 （见图6）， 一般为主汽压力的 13%～18%。

图6 压水堆核电机组主汽压力与最佳再热压力范围图

表3列出了当前已完成设计的核电机组再热压力参数。 从图6 可以看出， CPR1000、 AP1000、EPR 压水堆核电机组再热压力均处于上述论证的最佳再热压力范围之内。这些机组已有部分机型成功投运，投运机组性能优异，结构合理，其中合理选择再热压力作出了贡献。

表3 已完成设计的核电机组再热压力参数表

3 结论

通过详细计算分析，得到了当代大型压水堆核电机组最佳再热压力的范围，其可靠性得到了工程验证。自主设计的核电汽轮机组亦可采用同样的方法得到合理的再热压力值。

The Option of Large Pressure Water Reator Nuclear Power Reheat Pressure

Wei Dongliang， Li Xibin， Jing Fangbo， Song Ping， Xia Kaijun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The paper introduced the way how to choose reheat pressure for nuclear power steam turbine.The optimum reheat pressure range was also introduced for nuclear power plantunder construction in china.

nuclear power,steam turbine,reheat pressure

卫栋梁 （1978-）， 男， 工程师， 2001 年毕业于太原理工大学， 长期从事汽轮机热力设计工作。