海阳核电主汽轮机本体和运行限制

田鹏，冯小华

(山东核电有限公司，山东海阳，265116)

海阳核电主汽轮机本体和运行限制

田鹏，冯小华

(山东核电有限公司，山东海阳，265116)

文章详细介绍了海阳核电主汽轮机的本体结构及相关特点，在此基础上对其运行限制条件进行了说明。

本体结构，运行限制

1 海阳核电汽机本体结构概述

汽轮机是一种利用蒸汽做功的高速旋转式机械，其功能是将蒸汽带来的反应堆的热能转变为推动汽轮机转子高速旋转的机械能，并带动发电机发电。

海阳核电汽轮机采用日本三菱重工技术，关键重要部件进口，哈尔滨汽轮机厂和三菱联合供货。汽轮机为工作转速1 500 r/min、单轴、四缸六排汽的反动凝汽式核电汽轮机，有2个两级再热的外置式中间汽水分离再热器，末级动叶片长1 375mm。

值得注意的是：汽轮机末级叶片体现出了一个汽轮机组的容量与性能以及低压缸的数量。对于一个汽轮机组而言，一般只有一个高压缸而低压缸的数量则可以增减，从而可以增加或降低一个汽轮机组的出力。

海阳核电主汽轮机由1个高压缸、3个低压缸及其附件组成，附件包括进汽阀、盘车装置、润滑油系统 （包括顶轴油系统）及仪表和控制系统，4个缸通流部分均是双流对称分布式 （见图1）。1个高压转子、3个低压转子通过刚性联轴器接成一个轴系，再通过刚性联轴器与发电机转子相联。每根转子都有一对径向轴承支承。整个轴系只有一个推力轴承，位于1号低压缸和2号低压缸之间。

图1 汽轮机简图

2 主要设备

2.1 主汽阀和主调阀

2个主汽阀和2个主调阀的阀体由一个整体铸件组成，形成一个阀组进汽室。共有2个阀组进汽室，分别位于汽机平台上高压缸两侧，都锚定在汽机底座上。蒸汽流过MSV后进入进汽室，经主调阀流到高压缸的入口 （布置方式见图2）。

图2 MSV-GV阀组示意图

2.2 高压缸

主蒸汽通过4个主调节阀和4根高压导汽管后进入高压缸主蒸汽入口，主蒸汽入口在高压缸的轴向中部，之后蒸汽经汽机的级膨胀做功，乏汽经6根高压排汽管经MSR的底部进入外置的汽水分离再热器，部分排汽供到除氧器用于给水加热。

高压缸通流部分为双流对称分布，正反向各10级，动叶片采用全3D设计的ISB结构，叶根型式采用大根部/枞树型。为了提高汽轮机的效率，在设计上不采用调节级。高压缸为单缸结构，缸体材料为碳钢，水平结合面处分开，形成汽缸上半和下半部分。静叶栅安装在隔板套上。隔板套是在水平结合面支承在汽缸上的独立部件，定位销在顶部和底部定位隔板套，使它们保持相对于汽机轴向的正确位置，并容许随温度变化自由地膨胀和收缩。高压缸隔板套用不锈钢制造 （12%铬钢）以增强耐腐蚀性，高压缸结构见图3。

图3 高压缸结构

高压转子为合金钢整锻件且经过精加工而制成，主轴与叶轮是一体锻造的，解决了套装转子在高温下叶轮和轴之间的松动问题，且有利于机组快速启动。高压转子调端用螺栓固定一只单独的延长轴，该延长轴上装主油泵和危急遮断器。高压转子采用无中心孔整锻转子。维修中不必做周期性中心孔检查，从而减少维修费用，转子结构见图4。

图4 整体锻造的转子

无论是冲动式汽轮机还是反动式汽轮机，都承受着很大的推力。这个推力由2部分组成：轴向动推力和静推力。轴向动推力是由动叶栅中蒸汽方向变化引起的，静推力是由叶轮两端的压差引起的。汽轮机采用双流道，且使蒸汽在汽缸内的流动方向相反，可大大减少轴向推力。

同时需注意到：海阳核电的轴向推力产生的主要原因是由于抽汽的不均匀布置。即：高压缸一侧在第三级叶片后抽汽用于汽水分离再热器第一级加热；高压缸另一侧第四级叶片后抽汽用于7号高加。这就造成了高压缸两侧存在压差，产生轴向推力。

2.3 低压缸

在先前的设计中，转子和内缸都由外缸支撑。随着运行工况的变化，如冷凝器真空变化等，外缸可能发生变形，从而也可能改变转子的垂直位置。在某些情况下，转子表面和轴封会相互接触从而产生摩擦，摩擦产生的热量使转子垂向弯曲，最终可能导致明显的横向振动。海阳核电低压缸是改良的双层缸结构，内缸和外缸分别落在基座上。由于外缸和轴系互不关联，低压转子的垂直位置绝不会因运行工况的变化而发生改变。轴封直接由位于基座上的轴承箱支撑，也避免了转子和轴封之间的摩擦。低压外缸的变形由安装在外缸和轴承箱之间的波纹管吸收，所以变形绝不会传送到轴承箱 （见图5）。

图5 传统型与改良型低压缸

低压缸通流部分为双流对称分布，正反向各10级，采用全3D设计的反动式叶片，这种叶片的效率高。在设计低压末级叶片的过程中慎重考虑了防蚀能力和增强性能。经过汽水分离再热器后的再热蒸汽由6根低压缸进汽管经3个低压缸前的再热主汽阀和再热调节阀送至3个低压缸，在喷嘴和动叶中膨胀做功。每个低压缸进汽口设在低压缸的顶部，通过法兰与蒸汽管道相连。低压缸的第4、3、2、1级抽汽分别为4号、3号、2号、1号低加供应回热蒸汽。低压缸做完功的蒸汽由两侧的2个排汽口直接排入各自的冷凝器中。低压外缸上半部分和下半部分各由3个轴向模块组成，即调端模块、电端模块和中间模块。电端模块和调端模块相同，中间模块的结构与两个端侧模块不同。

低压转子材料为低合金钢 （3.5%NiCrMoV钢）锻件，相对套装转子而言，可减小离心切向应力，对减小汽轮机产生飞射物的概率非常有效。叶轮和联轴器与主轴锻造为一个整体，叶轮重量可减小。每个汽机转子装有2个径向滑动轴承，两端各一个，这些轴承均为强制润滑型。末级叶栅高度为1 375mm，最大转动直径5 556mm，轴的跨度8 500mm。

低压缸底部通过柔性膨胀接头与冷凝器外壳连接。该膨胀节的设计温度为80℃，为了保护膨胀节，当低压缸排汽温度高于70℃时，会触发低压缸排汽喷淋，防止温度继续上升而损坏膨胀节。

2.4 轴承

每个转子由2个径向轴承支撑，一个轴系配一个推力轴承，这些轴承均为强制润滑。汽轮机组共有11个径向轴承，径向轴承承担转子的重量以及其他因素引起的其他作用力，保证转子中心在径向上与汽缸一致。

海阳核电#1～#10径向轴承采用自动对中球面座套筒轴承 （见图6），以便沿轴取得良好的轴承对中效果。#11径向轴承为瓦块式结构。轴承在轴承座中的垂直和水平位置通过插入或移除单个键和轴瓦之间的衬套、轴承座和底座之间的衬套来实现。

图6 径向轴承 （套筒式）

轴瓦下半部分内的定位销钉伸入轴承座内的槽口，从而防止轴承相对轴承座转动。由于必须保证静子和转子间准确的相对位置，从而避免静子和转子轴向彼此接触，在汽轮机上配置了一个承受轴向力的推力轴承，位于1号低压缸与2号低压缸之间。汽轮机的轴向力通过推力轴承传递给1号低压缸与2号低压缸之间的轴承座。推力轴承是整个轴系的相对死点。整个轴系可以以推力轴承为死点向两端膨胀，见图7。

图7 止推轴承

所有轴承均装有热电偶，用来探测金属和回油的温度。当金属温度达到99℃会发出报警；达到107℃时需手动打闸。对回油温度也设有相关报警：回油温度达到77℃发出报警，达到82℃需要手动打闸。

2.5 滑销系统

汽轮机在启动、停机和运行时，汽缸的温度变化较大，将沿长、宽、高几个方向膨胀和收缩。由于基座的温升低于汽缸，如果汽缸和基座为固定连接，则汽缸将不能自由膨胀，就会产生不应有的应力及相伴而生的振动。汽缸与基座和汽缸与轴承座之间装上轴向和横向滑销，并使固定汽缸的螺栓留出适当的空隙。海阳核电高压缸的死点布置在电端侧，高压缸可以向机头方向膨胀。低压缸和基座为固定连接，自由膨胀几乎为零。

2.6 盘车装置

盘车装置的主要功能是在机组启动前或停机后用来盘动整个轴系，避免轴系永久变形。汽轮机启动时，为迅速提高真空，常需在冲转汽轮机前向轴封系统供汽。这些蒸汽进入汽缸后大部分滞留在汽缸上部，造成汽缸与转子上下受热不均匀，如果转子静止不动，便会因为自身压差而产生向上弯曲变形，进而引起振动、动静部分摩擦等。汽轮机停机后，汽缸和转子等部件由热态逐渐冷却，其下部冷却快，上部冷却慢，转子因上下温差而产生弯曲。为保证转子均匀受热和冷却设置有盘车装置，位于3号低压缸与发电机之间，在汽轮机启动和停机时对汽机连续盘车，使汽机保持低转速连续转动，直到机组重新启动或汽机的金属温度接近环境温度。

2.7 低压缸排汽喷淋

汽机工作时，由于动叶片的高速旋转，低压缸排汽口会发热。正常工作时，这些热量被主汽流带走。但当汽轮机在低负荷工况，特别是在零负荷额定转速工况下运行时，由于蒸汽流量小，低压缸末级叶片的摩擦鼓风发热使得排汽温度迅速上升，转子和静子部件之间的热变形和过度差胀造成动静部件摩擦相碰而导致机组损坏、停机。为了控制低压缸末级叶片排汽温度升高加装了自动喷嘴。在条件需要时向汽轮机低压缸末级叶片出口处提供低温冷却水，通过喷嘴雾化后与低压缸排汽充分混合，吸收排汽热量，降低末级叶片排汽温度，避免发生动静部件摩擦碰撞事故。喷淋水来自凝结水泵出口，流量由温度响应阀控制。

在无负荷蒸汽流量和最大真空条件下不会出现排汽口过热的现象。出现排汽口过热现象的工况有：低真空；转速≥600 r/min并且负荷≤20%期间。如果此时低压缸排汽口喷淋不工作，排汽口温度将超过70℃，这时应采取专门措施通过增大负荷或提高真空度逐渐降低排汽口的温度。排汽口的温度上限为120℃。一旦达到此温度，自动保护停机。低压缸排气喷淋为喷淋环结构，如图8所示。

图8 低压缸排汽喷淋

2.8 整体围带反动式全3D叶片

海阳核电的高压缸与低压缸的动叶片采用整体围带式结构，当叶轮转动时，叶片会发生反扭（全3D），叶片顶部的围带相互接触形成一个整体，之间产生摩擦力 （见图9）。这样的好处是：在叶片顶部安装围带相当于在叶片顶部增加了支点，其主要功能是减小叶片弯应力和改善叶片的振动特性，尽可能避开共振区。

图9 带有整体围带叶片

2.9 低压缸叶片的防腐蚀措施

由于低压缸工作环境较差，尤其供向最末几级叶片的蒸汽湿度较大。海阳核电汽轮机针对叶片的防腐采用了以下4种措施：

（1）恰当的动叶与静叶之间的距离，可以保证二次雾化 （见图10）。由于水滴的形成是依靠表面张力来维持的，当蒸汽带动水滴时的冲击力大于此张力时，水滴便会破裂变小 （雾化），这是需要一定的距离作保证的。此外恰当的动静之间距离可以使水滴的速度降低，从而减小水滴对叶片的冲击力。

图10 二次雾化

（2）最末三级动叶边缘设有stellite合金。

（3）最末三级静叶设有水滴捕集器。

（4）最后一级静叶设有集水槽，将水分收集并导入凝汽器。

2.10 爆破盘

低压缸外缸设有爆破盘 （见图11），在外缸压力较高时动作，防止低压缸外缸超压。动作值：0.03MPa。

图11 爆破盘

3 汽轮机运行限制

（1）当负荷小于10%额定负荷时，低压缸入口温度小于204℃。

（2）低压缸进汽温度阶跃变化小于28℃，线性变化小于56℃/h。

（3）先建立轴封再抽真空。

（4）汽机停运后，当转速低于200 r/min才能破坏真空。

（5）轴封蒸汽过热度不小于14℃，温度范围121～177℃。

（6）当汽机转速小于600 r/min时，油冷器出口润滑油温度为30℃，大于600 r/min时，油冷器出口润滑油温度为40℃。

（7）高压缸上下缸温差小于42℃，56℃需要手动打闸。

（8）胀差要求：

·汽轮机侧

≥+12.5mm （Rotor Long）

≤-4.5mm （Rotor Short）

·发电机侧

≥+21.5mm （Rotor Long）

≤-1.0mm （Rotor Short）

（9）正常运行时，止推轴承推力盘和推力瓦之间的间隙为0.4mm，当间隙达到0.9 mm时发出报警，达到1mm时需要手动打闸。

4 结束语

海阳核电站引进全球先进的AP1000第三代非能动核电技术，其汽轮机较传统汽轮机采用了多项新的设计和部件制造工艺，掌握这些特点，并严格遵守规定的运行限制，以确保核电机组安全、稳定运行。

图2 直流润滑油泵强启按钮AC

3 断油烧瓦事故的预防措施

（1）加强对运行人员的培训，让运行人员对运行安全要求有清醒的认识，并严格遵守运行章程，严禁违章操作。

针对断油烧瓦事故，运行人员在机组运行中，应严密监视油系统参数，严格按照油系统运行要求进行操作。严禁在机组启、停、运行过程中解除各设备间的联锁。因特殊情况而解除联锁的设备和信号，执行报备制度，按报备制度及时恢复联锁，并严密监视是否处于正常状态。

（2）加强对设备的巡查，及时发现电气线路及设备可能存在的隐患并予以排除。

运行人员应及时巡查各机组设备及电气线路的隐患，如线头松动等现象应及时排除。

（3）经过参与多起断油烧瓦事故的调查与处理，笔者认为按运行规程，制定严谨的紧急预案，并定期演练，让运行人员熟知紧急事故状态下操作流程。

（4）电厂一旦出现润滑油事故，应按预设程序第一时间先保障润滑油系统油压正常，否则立即实施紧急停机。停机后再查明原因。

通过以上措施，尤其是对紧急状况的演练，可以有效地预防断油烧瓦事故的发生，避免或大大降低事故造成的损失。

[1]东方汽轮有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽轮机产品说明书D300N-000100ASM[S].

[2]东方汽轮有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽轮机润滑油系统说明书D 300N-000152ASM[S].

[3]东方汽轮有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽轮机主油箱电气控制柜说明书[S].

[4]东方汽轮有限公司.N 300-16.7/535/535-8型汽轮机低润滑油压遮断装置图[S].

Main Turbine Structure of Haiyang Nuclear Power and Its Operation Lim itation

Tian Peng，Feng Xiaohua
（Shandong Nuclear Pow er Co.,Ltd.,Haiyang Shandong,265116）

The article introduces themain turbine structure and its characteristic of Haiyang nuclear power.On the basis of this introduction,operation limitation for themain turbine is described.

structure ofmain turbine,operation limitation

TK267

：A

：1674-9987（2014）03-0069-06

田鹏 （1983-），男，学士学位，助理工程师，2006年毕业于天津大学自动化专业，主要从事核电站运行工作。