核电汽轮机转速选择比较

核电汽轮机转速选择比较

马纯毅宋培丹

中核核电运行管理有限公司314300

摘要：分析了核电目前采用的汽轮机转速，并对全速与半速汽轮机在安全可靠性、经济性、发展潜力等方面进行了分析和比较。

关键词：核电汽轮机；转速选择；比较

1.0引言

核电汽轮机采用饱和蒸汽，进汽参数较低，可利用的焓降一般仅为火电汽轮机的一半，因此与相同功率的火电机组相比，流量就要大一倍，这就要求核电汽轮机有更大的流通面积。另外核电汽轮机在其整个寿命期间以承担基本负荷为主，热应力不占主要地位，而经济性、安全可靠性和投资费用等问题相对突出，面转速的选择与它们的关系较为复杂，如何选择汽轮机的转速就需要就行分析。

2.0核电汽轮机转速选择

介绍一下半速和全速汽轮机的概念。

目前，世界上核电汽轮机组有全速和半速之分。半速机是相对全速机而言的，是指汽轮机组正常运行时的转速是全速机的一半。在50Hz的电网频率下，全速机转速为3000转/分钟，半速机转速为1500转/分钟，在60Hz电网频率下，全速机和半速机转速分别为3600转/分钟和1800转/分钟。核电汽轮机分为全速核电汽轮机和半速核电汽轮机。根据有关方面的统计数据，到目前为止世界上已投运的单轴百万千瓦级及以上的核电机组大约共有219台（包括大亚湾及岭澳核电站4台1000MW等级机组），其中半速机共209台，全速机共10台。在电网频率是60Hz的国家中，几乎全部采用半速机组，在电网频率为50Hz的国家中，全速和半速机组都有使用，但绝大多数为半速机组。在我国大陆已投运的核电机组中，只有秦山三期的汽轮发电机组为半速机，其余全部为全速机。从当前核电机组的发展趋势来看，对于1000MW及其以上等级的汽轮发电机组，大多采用半速机组。下面我们就半速机组和全速机组在安全可靠性、经济性、发展潜力等方面进行了分析和比较。

3.0全转速与半转速汽轮机的比较

3.1应力水平安全可靠性

3.1.1应力水平

一一般来讲，全速汽轮机与半速汽轮机静子部件的应力水平大致相当，但对于转动部件来说两者的应力水平差别就比较大。

由离心力引起动叶片的拉伸应力[σ]由下式表示：

σ=MRω2

式中：

M—动叶片的质量；

R—动叶片的平均旋转半径；

ω—角速度。

从上式可以看出，应力是与转速的平方成正比。如果1500r/min和3000r/min的汽轮机使用相同的动叶片（即M相等），那么全速与半速应力之比就是4：1，这是理论上的比较。实际情况是全转速汽轮机转子应力比半转速高1.3-2倍。对于大功率机组，全速汽轮机转动部件的应力水平往往用到许用应力的极限．所以，从这一角度比较，对于大功率汽轮机，半速机组的安全裕量更大些。

3.1.2汽缸的稳定性

在功率等级相同条件下，半速汽轮机尺寸和重量比全速机大，因而承受外界对机组产生的力和力矩的能力比全速汽轮机强，其稳定性优于全速机。当然这种作用也不能过量。

3.1.3抗侵蚀、腐蚀能力

核电汽轮机大约2/3的做功在低压缸内完成，虽然核电汽轮机低压缸的进汽参数核火电差不多，但由于核电汽轮机在低压缸内的焓降较火电多，因此核电汽轮机低压缸的排汽湿度较大，一般高达12%-14%。发生侵蚀、腐蚀的部件，除动叶片外大部分与转速无关。由于末级及次末级长叶片长时间在湿蒸汽区工作，因此受侵蚀腐蚀情况比火电机组要严重得多。如果不作防水蚀处理，叶片运行一段时间后会因水滴冲击产生水蚀，在叶片顶部背弧进汽边处会出现蜂窝状的凹坑或被冲击成锯齿形。叶片的水蚀，不但使叶片热力性能降低，还可能造成叶片断裂等事故。

日立公司根据大量经验数据，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）/304]2·m0.8（K<5～6）

式中：u—顶部速度，单位m／s；

m一蒸汽湿度，单位％。

从以上公式可以看出，在给定的排汽温度下，叶顶速度的高低是影响叶片侵蚀程度的主要因素。由于半速汽轮机叶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。

3.1.4运行的灵活性

半速汽轮机由于转子直径大、重量重，高压缸的汽缸壁较厚，导致热应力增大，在快速起动和变负荷适应性方面比全速汽轮机稍微差些，但由于核电机组大部分为带基本负荷运行，起、停、变负荷次数较少，加上核电的进汽参数比较低，因此热应力的影响不是太大。

3.1.5机组的振动特性

半速汽轮机由于转速较全速低、转子重量重、转动惯量大，因此其对激振力的敏感程度比全速机低，抗振性能比全速机优。全速机与半速机的振动验收标准也不同。具体要求见下表。

3.1.6机组的超速特性

汽轮机的超速主要是由于某种原因导致发电机与电网突然脱开、甩负荷导致汽轮发电机组转子的转速突然增加超过其额定值。一般情况下核电饱和汽轮机超速的主要原因有以下三个方面：

甩负荷后，由于阀门关闭还需要滞后一段时间，所以仍有一定量的新蒸汽继续进入汽轮机膨胀做功。

在汽轮机内部腔室和管道内残留的高压蒸汽，在阀门关闭后继续膨胀做功。核电机组由于使用了体积庞大的汽水分离再热器（MSR），因此超速情况要比火电机组严重。

对于湿蒸汽汽轮机在甩负荷后，原附在汽缸内壁或某些腔室中的凝结水，由于压力下降导致闪蒸而膨胀做功。

半速汽轮机由于体积大，产生超速的蒸汽体积大于全速汽轮机。但因为半速汽轮机转子重量大，其转动惯量也较大，所以其超速幅度受到限制。总的说来，全速机与半速机超速特性相当，即汽轮机甩负荷后的超速与其转速没有太大的关系。在低压缸前没有设置阀门时，无论全速机还是半速机。都有较高的超速率。近年来汽轮机速度控制器的性能不断得到改进和提高，特别是在核电机组低压缸进汽口前的管道上安装再热蒸汽截止调节阀，从根本上解决了核电汽机的超速问题。一般情况下大功率的全速机与半速机的超速率为6%—8%。

一般分析认为，全速汽轮机适合用于1200MW以下，否则机组的安全可靠性不容易得到保证，而半速汽轮机则可达到1700MW甚至更高。

3.2经济性比较

在机组入口参数（主蒸汽压力、温度、湿度、流量）确定的情况下，汽轮机的效率主要取决于通流部分效率和排汽损失等。

3.2.1通流部分效率

在现代汽轮机设计中减小了各项损失，使汽轮机通流部分效率有明显的提高。无论是全速汽轮机还是半速汽轮机，对通流部分效率的提高已经接近了目前的开发极限。相比而言，由于叶片较长、级数减少等结构特点，半速汽轮机通流部分效率比全速汽轮机高一些。

3.2.2排汽损失

在蒸汽流量一定情况下，排汽面积越大，余速越低，余速损失越小。所以要减少余速损失，就需要较长的汽轮机末级叶片，以增大排汽面积。半速汽轮机由于末级叶片可以设计得比较长，能够提供较大的排汽面积，从而减少了排汽损失，提高了汽轮机的热效率。

另外转速降低，减少了湿蒸汽对叶片的侵蚀，改善了蒸汽的流动特性，从而也提高了热效率。

3.2.3百万千瓦级核电汽轮机热效率

根据世界上各大核电汽轮机制造商的介绍情况，目前百万千瓦级核电半速汽轮机热效率比全速汽轮机高，平均高出2%，最多的高出3.3%。如果反应堆热输出功率为2905MW，即相当于出力提高9.6%。

3.3发展潜力

3.3.1极限功率

由于核电站选址要求严格而又不太容易，且投资成本比较高，为了降低单位千瓦（KW）造价，在同样的厂址面积范围内增大单机的功率是降低造价的发展趋势。核电汽轮机功率一般为百万千瓦级，目前世界上最大的核电单机功率高达1700MW。末级叶片的通流能力是决定单机所能达到最大功率的主要因素。这样就要求不断增大汽轮机低压缸的排汽面积。为了增加排汽面积，要么增加低压缸数量，要么采用更长的末级叶片。

增加低压缸数量：目前运行的核电机组一般不超过3只低压缸，极少数采用4只低压缸。缸数的增加将使结构复杂，尤其会给轴系带来一些难以解决的问题。

采用更长的末级叶片：末级叶片的加长由于受到应力水平和材料的限制，全速机不可能采用很长的末级叶片，半速机的末级叶片可以适当加长。末级叶片的加长，使得排汽面积增大，功率增大。从而使半速汽轮机的极限功率可以比全速汽轮机高。

一般分析认为，全速汽轮机适合用于1200MW以下，否则机组的安全可靠性不容易得到保证，而半速汽轮机则可达到1700MW甚至更高。

3.3.2发展趋势

目前核电汽轮机的发展不仅限于百万千瓦级核电机组，而且要向1200MW、1300MW、1500MW、l700MW甚至更高等系列发展。从这一方面来讲，半速汽轮机有更好的适应性，机组的安全可靠性更容易得到保证，有利于核电机组向大功率化不断发展。

4.0全半转速汽轮机比较汇总

总的来说，半速机通流部分效率比全速机高，排汽损失小。在安全可靠性方面，半速机比全速机应力水平低，汽缸稳定性好，抗侵蚀腐蚀能力强。但其运行灵活性不及全速机。在机组容量不断增大的情况下，半速汽轮机在安全可靠性、经济性等方面较全速汽轮杌韵机的优势越来越突出。

参考文献

[1]崔宏博.全_半转速核电汽轮机的比较.东方电气评论，2006，第20卷第2期，58-63

[1]周维国.核电1000MW等级半转速汽轮机热力性能简析.热力发电，2011，第40卷第12期，1-4