核电空冷汽轮机主要技术问题分析研究

杨冰

【摘 要】针对空冷汽轮机的特点，结合火电汽轮机与核电汽轮机的成功经验，对空冷造成的主要问题进行分析，包括空冷系统、背压高、背压变化范围大、排汽容积流量变化大以及末级叶片等，并对核电空冷汽轮机的主要问题从空冷系统的选择和末级叶片的设计方面进行了解决方案的研究。

【关键词】核电；空冷；汽轮机

0 引言

随着我国经济的迅速发展，未来的煤炭和水资源将不能满足电力需求的大幅度增长，为保证经济的可持续发展，必须快速大力发展核电，以缓解电力供需的矛盾。从长远的战略和环境保护角度，中国除了沿海核电外，仍需发展内陆核电。

截止到目前为止，我国大陆已建成并投入商业运行的核电机组21台，已经具有丰富的经验。随着化石能源资源日趋紧张、价格不断攀升，减少污染物排放的要求日渐严格以及缺水地区对电能的不断需求，发展内陆空冷核电将成为了中国能源发展的必然趋势，开发核电空冷汽轮机也成为亟待解决的课题。

为此，针对空冷汽轮机的特点，以火电汽轮机为基础，对核电空冷机组的主要技术问题进行分析研究。

1 核电空冷汽轮机主要技术问题分析

对于核电空冷汽轮机，可根据火电空冷汽轮机的成功经验，并结合核电湿冷汽轮机的特点，进行分析研究。

核电空冷汽轮机的主要技术问题是背压高、变化范围大，末级叶片，低压缸温度变化大，新蒸汽流量大，压力、焓值低等。

以下重点分析研究核电空冷汽轮机的这些主要问题。

1.1 背压高、变化范围大

由于空冷汽轮机采用空冷系统对乏汽进行冷却，空冷系统的应用导致了汽轮机背压高、变化范围大，使得汽轮机的末级叶片容积流量变化范围大，以下简要分析。

1.1.1 空冷系统的主要形式

空冷系统分为直接空冷系统和间接空冷系统：

（1）直接空冷：直接空冷系统是汽轮机乏汽与环境空气通过空冷散热器直接进行换热。背压变化范围一般为：8～50kPa。

（2）间接空冷：间接空冷系统是汽轮机乏汽与环境空气通过循环冷却水间接进行换热。背压变化范围一般为：5～30kPa。[1]

1.1.2 容积流量变化大

（1）气温高，汽轮机末级叶片容积流量减小。可能产生汽轮机背压高于零功率背压的情况。

（2）气温低，汽轮机末级叶片容积流量增大，可能产生汽轮机背压低于阻塞背压的情况。

1.2 末级叶片

背压高、变化范围大及其所导致的容积流量变化大的特点，直接影响着空冷汽轮机的末级叶片，以下进行分析。

1.2.1 高背压

在高背压情况下，流经末级的容积流量相当小，轴向流量集中在叶片顶部，叶片中部和根部可能产生涡流，根部甚至可能出现倒流，以至于鼓风，引起叶片颤振，导致叶片损坏，将严重影响到机组安全和经济运行。[2]

1.2.1 低背压

在低背压情况下，流经末级的容积流量相当大，末级叶片流道内的蒸汽气流速度迅速增加，可能达到音速而造成阻塞。大量蒸汽在末级叶片形成紊乱的膨胀而引起附加损失，同时在末级叶片后形成的紊乱气流，有可能造成汽轮机的振动增大，对汽轮机的安全运行构成威胁。

1.3 新蒸汽问题

核电空冷汽轮机除了具备火电空冷汽轮机由于背压高且变化频繁造成的问题外，还具有新蒸汽流量大，压力、焓值低的问题。

1.3.1 主蒸汽流量大

与相同功率的火电汽轮机相比，核电汽轮机蒸汽做功的焓降小，所以需要的主蒸汽流量大。

由于末级叶片排汽面积取决于节圆直径，大容积流量和排汽面积就需要更长的末级叶片，与火电相比，相同容量的核电汽轮机需要更长的末级叶片。

流量的增加，使末级叶片的工作应力增加，蒸汽的作用力、激振力、水蚀以及蒸汽所携带水滴冲击叶片的概率增加。

由此可见，核电空冷机组末级叶片在承受火电空冷背压高、变化频繁的影响之外，同时还要能经受核电特有的大流量造成的各种影响。

2 核电空冷汽轮机的主要技术问题解决方案

针对空冷系统造成的背压高、变化范围大及蒸汽流量大的问题，主要结合现有火电和核电的成功经验，从空冷系统的选择与末级叶片的设计方面来解决。

2.1 空冷系统的选择

间接空冷系统与直接空冷系统相比，背压较低、背压变化范围较小，且对环境敏感程度也较低，无论是在安全还是设计方面都具有优势，因此，核电空冷机组选择间接空冷系统比较合适。

2.2 末级叶片的设计

2.2.1 结构特性

针对背压高，变化范围大的特点，应采用大刚度、低动应力，小应力集中，高强度、高内阻的材料及大阻尼、能防止颤振的整圈自锁阻尼型叶片结构。[3]

2.2.2 气动特性

当叶片根部反动度为0或负值时，根部区域不仅会产生脱流，而且可能发生倒流，甚至波及到静叶中。在叶片顶部，如果反动度过大，则可能加重漏气损失。

马赫数小于0.35，轮周效率将急剧下降，效率为0%表示叶片级进入了鼓风发热的负功状态，即零功率背压，0%效率的马赫数在0.22～0.3之间；马赫数有一个最大值，取决于叶栅流道形式，一般为0.85～0.9，称之为阻塞马赫数。[4]

所以应采用具有更好的变工况适应性，对马赫数不敏感的叶型型线，具有较低的阻塞背压、较高的零功率背压，较高的根部反动度、适中的顶部反动度和能很好控制沿叶高的反动度分布的叶型。

2.2.3 设计开发

通过在已有运行业绩的叶片基础上进行模化设计。模化设计可以大大缩短研发周期，同时提高叶片的运行可靠性。开发制造的实物叶片应进行静频测量试验、叶轮和轮槽应力特征验证试验、动应力测量试验、动频试验、叶片转子动平衡试验、湿蒸汽性能验证试验等相关试验工作，以确保叶片安全可靠。[5]

模化设计：汽轮机叶片由全转速叶片模化到半速叶片，可在保持气动特性及静强度特性基本不变的同时，使其通流能力增加为原来的4倍，并且半速叶片的动应力和安全可靠性基本不变。因此，目前几乎所有半速核电汽轮机的长叶片均有全转速叶片按转速放大模化后得到。

3 结论

本文结合火电空冷机组和核电湿冷机组现有的成功经验，分析空冷引起的直接问题，并得到了解决方案，为核电空冷项目的进一步开展奠定了基础。

内陆空冷核电是缓解日益增长的电能需求和水资源与环保压力的有效解决办法，是未来的发展趋势，相信在不远的将来，一定可以实现。

【参考文献】

[1]李润森.1000MW级空冷机组可行性研究[J].电力勘测设计.2008（2）：43-50.

[2]蔡颐年.蒸汽轮机[M].西安交通大学.

[3]崔宏博.全、半转速核电汽轮机的比较 [J].东方电气评论.2006（2）：58-63.

[4]吴其林.空冷汽轮机末级长叶片设计特点[J].热力透平.2007（2）：89-100.

[5]陆伟.半速大容量核电汽轮机末级长叶片开发[J].华东电力.2010（11）：1771-1774.

[责任编辑：邓丽丽]