百万千瓦等级半速核电汽轮发电机组选型及设计原则

/上海电气电站集团 周一工/

0 引言

根据中国核能协会公布的数据，2013年度我国核电装机容量14834MW，占总装机容量的1.19%，累计发电量1107亿度，占总发电量的2.11%。这与世界核电先进国家20%以上的核能发电占比还有很大的差距。2014年3月25日下午3时，广东阳江核电1号机组顺利通过168小时示范运行，正式投入商业运行，成为我国第18台商业运行的核电机组。根据我国核电中长期发展规划，核电及其相关行业即将迎来“311核事故”之后的新一轮发展高峰。我国目前在建核电机组容量超过3000万千瓦，居世界第一位；世界顶级战略管理咨询公司罗兰贝格，预测未来30年全世界新增的核电装机容量将有一半在中国。

目前，我国在运的核电站以“二代加”技术为主，正全力发展与建设“三代”核电机组。除更高的安全性为先进核电技术的必要条件以外，单机大容量也是未来核电发展的一大特点。在建核电机组单台机组额定功率基本均在1000MW以上，而AP1000型机组达到1250MW等级，CAP1400型机组达到1450MW等级，未来CAP1700型机组更将达到1900MW等级。

1 大型半速汽轮发电机组选型特点

常规火电机组设计过程中，一般采用炉跟机的匹配模式，即由汽轮机确定新蒸汽量与蒸汽参数，锅炉根据汽轮机的要求进行设计。而对于核电汽轮机来说，新蒸汽流量与蒸汽参数已经由核岛内的蒸汽发生器确定，汽轮机需要跟随蒸汽发生器的要求进行设计。另外，火电锅炉在设计中充分考虑了各种情况下的蒸汽流量裕量，如夏季工况中循环水温与背压升高，机组老化运行等。而核电蒸汽发生器设计中不曾考虑流量裕量，需要汽轮机在设计中考虑因制造误差和机组老化需要的蒸汽流量裕量，而这种裕量考虑是十分有限的。所以核电汽轮机对设计、制造和维护提出了更高的要求。

核电汽轮机的形式由热端与冷端参数即可基本决定，热端参数即为主蒸汽参数，包括压力、温度、干度和流量；冷端参数即为背压、循环水温和循环水流量。热端参数由核岛部分决定，与反应堆容量参数相对应；冷端参数基本由厂址的地理条件所决定，对整个汽轮发电机组的输出功率有直接的影响。热端参数决定了汽轮机高压模块的形式，因此针对不同的核反应堆容量，可以开发不同参数等级的高压模块，不同堆型根据堆芯容量划分，高压模块的设计与选型是完全通用的；冷端参数决定了汽轮机低压模块的排汽面积，具体来说就是末级长叶片的长度和低压缸的个数，虽然不同厂址的运行背压和循环水温各不相同，但该参数是在一个很有限的范围之类的，因此可以针对不同的排汽面积（流通能力）开发不同的低压模块系列，不同机组根据流通能力等级划分，低压模块的设计与选型可以通用。

发电机的选型较为简单，最主要的就是容量与转速的匹配。随着发电机容量的增大，额定电压与额定电流随之增大，直接导致通风冷却系统的设计困难，并且通风结构与端部结构变的非常复杂，也还需要考虑绝缘性能的优化。若按照容量等级进行划分，系列化、模块化设计不同容量等级的发电机，将有利于产品的成熟性与可靠性。

2 大型半速汽轮机模块化设计

2.1 汽轮机结构

第三代核电汽轮机组基本结构为单轴、半速、并具有汽水分离再热器（MSR）的凝汽式汽轮机。整个机组由一个双流高压缸和两个（或三个）双流低压缸组成，汽水分离再热器（MSR）布置于汽轮发电机平台上，位于机组的两侧。高压叶片和低压叶片均为先进的全三维（马刀型）叶片。汽轮机的两种配置方案分别如图1和图2所示。

2.2 高压模块

目前主要的核电站堆型主要有CPR1000、AP1000、ACP1000、CAP1400、EPR和CAP1700，其蒸汽参数如表1所示。

高压模块容量增加主要涉及的部件包括主汽阀、再热阀、高压缸以及相关的蒸汽管道。三个不同容量高压模块静子部件的开发状况如表2所示。

SH-1高压模块适用于CPR1000与ACP1000堆型，SH-2高压模块适用于AP1000与CAP1400机型，大容量SH-3高压模块适用于EPR与CAP1700机型。高压模块的设计采用计算机辅助工程系统（CAE），包括高压内外缸的CFD流场计算；高压内外缸的强度、刚度及密封性能；高压转子在各种工况下的强度、应力分布、寿命等计算。

表1 核岛堆型及蒸汽参数

表2 半速核电高压模块及主要参数

当然高压缸通流部分，包括级的设计等，需要根据具体机组蒸汽流量的不同进行优化设计，其中叶片级的通流面积基本与蒸汽流量是同步增加的。

2.3 低压模块

低压模块的选配是决定汽轮机性能的关键。为保证机组的经济性和安全可靠性，选配低压模块的排汽面积必须遵循三个基本准则：

避免机组在夏季或者低负荷工况下，长期处在小容积流量、回流激振状况下运行，保证机组的可靠性。

机组额定工况的排汽容积流量应足够偏离末级叶片的阻塞工况，既可避免过大的排汽损失，又避免高马赫数下的气流激振，保证机组的可靠性。根据末级叶片的排汽损失特性，额定工况的排汽损失应不大于3%。

机组排汽容积流量应尽量与末级叶片的轴向排汽相匹配，此时选配的低压模块，排汽损失对应在1.5%~2%左右。机组不仅额定工况出力最大，而且在部分负荷，在夏季，或者冬季工况运行时也有较高的经济性，同时末级叶片还可避免小容积流量和大容积流量的气流附加激振，保证足够的安全可靠性。

为了满足在各种不同背压和容量的条件下，所有机组末级叶片的通流能力配置均能处在最佳范围的要求，必须预先建立一个排汽面积按一定比例间隔配置的低压长叶片模块系列。根据气动原理，末级叶片的通流能力大小不仅取决于排汽面积，还与圆周速度、出汽角有关，考虑到平均直径，即圆周速度的变化因素，末级长叶片系列通流能力的变化比例间隔在1.4左右。

根据低压模块选配排汽面积的基本准则，以及核电半速汽轮机末级长叶片的排汽损失特性，可以得出低压模块背压适合范围，如图3所示。

从图中可以清楚地看出，汽轮机容量从900~1800MW，以及背压从2~10kPa的范围中，低压模块可以有6×30m2、6×26m2、6×20m2、4×30m2、4×26m2、4×20m2多种配型方式，可以满足核电厂址从南到北，从沿海到内陆，单双冷却塔和单双背压等各种要求。

相对于20m2、26m2和30m2三种排汽面积的低压模块，分别对应1396mm、1710mm和1905mm三种低压末级长叶片。1396mm末级长叶片已经应用于我国多台CPR1000型机组，1710mm末级长叶片将应用于巴基斯坦卡拉奇项目ACP1000型机组，1905mm末级长叶片已经设计完成。对26m2、30m2大排汽面积的低压缸，低压内外缸的支撑刚性设计是关键，为增加刚性，减轻重量，减小机组对基础的载荷，加强低压缸的抗震性能，在26m2低压模块设计中采取了低压内缸直接支撑于基础的方案。而30m2低压模块尺寸更大，将采用低压内外缸分别落地的方案。

3 大型半速发电机模块化设计

大容量核电发电机采用模块化设计理念进行系列化设计开发，为四极、三相、隐极式汽轮发电机，采用全封闭自通风，水氢氢冷却方式。为匹配CPR1000、AP1000、ACP1000、CAP1400、EPR和CAP1700等主要堆型，发电机按照容量分为四个等级进行系列化、模块化设计，各个等级的发电机主要性能参数如表3所示。

表3 发电机主要性能参数

在核电大容量半速汽轮发电机自主设计与开发的过程中，进行了一系列的二次创新工作，攻克诸多技术难点，形成了以下多项改进与革新。

（1）通过四项措施，有效提高发电机效率

调整定子线圈空、实心导线的尺寸，优化转子铜排通风孔尺寸，优化了定、转子线圈设计，增加了槽满率，降低了发电机定、转子铜耗；

改进铁心冲片材料，减小铁心损耗，同时与百万火电材料相兼容；

优化风扇结构，改善叶片叶型，降低风磨耗；

更新轴瓦乌金材料，优化轴承结构，减小轴承损耗。

（2）优化转子结构设计

改进联轴器结构、研究发电机轴系动力特性，与西门子协调轴系方案，解决汽轮发电机组轴系问题，使该型发电机能与西门子汽轮机匹配；

调整转子轴颈及动、静叶片间隙，解决汽轮机大涨差对发电机的影响；

护环改为长护环结构，使转子齿低周疲劳次数提高到10000次，满足用户要求；

结合制造技术，优化转子线圈通风孔加工，并降低转子热点温度。

（3）开发24kV发电机定子线圈绝缘结构和防晕体系

开发了24kV定子线圈绝缘体系，减薄主绝缘厚度，优化了内屏蔽结构，提高了定子线圈绝缘及电气性能；采用多段防晕结构，开发了新的防晕材料，提高发电机防晕水平。

（4）定子线圈冷却系统三水路结构开发和刚柔结构

发电机定子线圈、并联环、主出线及套管全部采用水冷，同时三水路采用独立的并联结构，通过与外部水系统的结合，每个水路可以分别监控和调整。从而提高了冷却效果，避免了并联环气堵的可能性。

定子线圈端部由参考机型的固定绑扎结构改成采用大锥环、弹簧板的刚柔结构，有效的提高发电机运行可靠性。同时定子线圈及并联环采用球形接头连接结构，便于装配。

（5）优化铁心设计

根据大型发电机组铁心的压装技术，对核电定子铁心结构进行优化，采用了新型全补偿技术，防止铁心蠕变松动。

（6）改进励磁机设计，提高强励倍数

为满足国内用户对强励倍数的高要求，采用大容量永磁机提高励磁机响应；优化励磁机整理组件、熔断器设计，提高二极管过电流及反相电压能力；使发电机强励倍数由原设计1.25提高到1.8。

（7）氢油水系统自主设计

在已有的技术上，自主开发百万核电发电机配套氢油水系统，通过加碱装置的开发，有效控制定子冷却水水质。

（8）优化发电机监测系统

增加发电机机内温度测点，采用光纤测振方法有效监控发电机定子线圈端部振动。此外，增加对发电机轴电流、轴电压，转子匝间短路，局部放电等监测装置，对发电机的正常运行进行有效监控。

4 结束语

大型核电半速汽轮发电机组可以进行模块化设计与选型，能够满足目前各主要核电堆型的需求，并且模块化的设计提高了技术成熟性与可靠性。另外，不断完善与增加模块设计的过程，也是技术转化与自主创新的过程，对于提高企业竞争力与形成自主知识产权具有重要的意义。

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