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核电站汽轮机的技术特点

已有 2852 次阅读 2019-8-3 20:56 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 核电站, 汽轮机, 技术特点, 核汽轮机, 核动力

核电站汽轮机的技术特点

伍赛特

 

1 湿蒸汽汽轮机的特点

1939年发现用中子轰击铀原子核引起核裂变并释放出大量能量起,世界开始进入核能应用时期。经过几十年,建造了各种堆型(如石墨水冷堆、石墨气冷堆、压水堆、高温气冷堆、沸水堆和重水堆等)的核电站。自20世纪50年代第一座核电站出现至今已有50年,核电事业已进入辉煌的高速发展阶段。国际原子能机构统计表明,已有近50个国家和地区拥有超过500座核电站在运行。

我国自行设计建造的秦山核电站,第一台300 MW核发电机组已在1990年并网发电,标志我国已有设计制造核发电设备的能力。引进法国和英国核电技术建造的广东大亚湾核电站一期工程2900 MW的发电机组也建成投产,取得了良好的经济效益。继大亚湾核电站引进修建的岭澳核电站21 000 MW核电机组已建成投运。秦山第二核电站2600 MW机组、秦山第三核电站2700 MW重水堆核电站、田湾核电站21000MW核发电机组也已陆续投产。未来相当长的一段时间内,中国将处于核电的快速发展期。

各种堆型的核电站都采用汽轮机作原动机,核电站汽轮机可分为过热蒸汽汽轮机与饱和蒸汽汽轮机两大类,前者用于石墨气冷堆、高温气冷堆和快中子增殖堆等堆型的核电站,而后者用于压水堆和沸水堆堆型核电站。

 

1.1 过热蒸汽核电站汽轮机

    高温气冷堆和改进型石墨气冷堆的核电站汽轮机,进汽参数已完全达到常规火电厂的标准。也可采用中间再热,容量已达到甚至超过常规火电厂。

 

1.2 饱和蒸汽核电站汽轮机

    饱和蒸汽汽轮机又称湿蒸汽汽轮机(包括微过热蒸汽汽轮机)。目前饱和蒸汽汽轮机约占核电站总装机容量的89%,其中绝大部分机组是利用轻水堆(包括压水堆和沸水堆)产生的蒸汽。由于受反应堆冷却剂温度的限制,一般压水堆平均出口温度低于310 ℃,所以二回路只能产生压力较低(57 MPa)的饱和蒸汽(或微过热蒸汽)。这种汽轮机具有以下特点。

 

1.2.1 低蒸汽参数

由于饱和蒸汽汽轮机初参数低,比体积大,在一定背压的条件下,整机的理想比焓降小。在相等的功率下,饱和蒸汽汽轮机的进汽体积流量要比常规火电厂的汽轮机大2535倍,排汽体积流量为常规火电厂的1.65倍,所以饱和蒸汽汽轮机的进、排汽尺寸要比常规电厂汽轮机大得多。高压缸采用双流道两个排汽口,低压缸采用多缸双流道多个排汽口,末级采用更长的叶片。

 

1.2.2 腐蚀和侵蚀

饱和蒸汽汽轮机的大部分级都处于湿蒸汽区工作,这将引起动、静部分零部件的腐蚀和侵蚀,不仅降低机组的使用寿命,而且会增加级的湿汽损失,降低汽轮机级的相对内效率。

 

1.2.3 汽水分离再热器

饱和蒸汽汽轮机在高、低压缸之间必须装设汽水分离再热器。它由汽水分离器和再热器两大部分组成,一般为大直径圆筒型,卧式布置在高、低压缸两侧。蒸汽在汽水分离器中除掉高压缸排汽中90%98%的水分,然后在两级再热器中变成过热蒸汽,进入低压缸膨胀做功。这样会使高压缸排汽压力损失约2%5%,另外汽水分离再热器体积庞大,给布置带来困难。但从安全性和经济性来看,设置汽水分离再热器是必需的。

 

1.2.4 半转速

核电站汽轮机容量越大,其技术经济优越性越突出。随着机组容量的增大,汽轮机进、排汽体积流量也很大,所以进、排汽和通流部分的尺寸,特别是末级叶片高度很大。

在不增加转子和叶片零件的应力水平条件下,若把汽轮机转速降低一半(即所谓“半速机”)其排汽面积可增至原来的四倍,流量或功率大致也达到四倍。美国轻水堆汽轮机几乎全部采用“半速机”,但欧洲一些国家为沿用火电厂汽轮机的末级叶片和两极发电机技术,也在发展“全速”的饱和蒸汽汽轮机。

已经投入运行的有代表性的大容量的半速核电汽轮机是ALSTOM公司的1550MW汽轮机,安装在法国的ARABELLE电站。该汽轮机是由一个高、中压合缸和3个双排汽低压缸组成的冲动式汽轮机。

 

1.2.5 甩负荷超速

饱和蒸汽汽轮机甩负荷容易引起超速。其主要原因是:①甩负荷后存留在通流部分内、蒸汽联通管和汽水分离再热器等处的大量蒸汽,继续流经各级膨胀做功;②饱和蒸汽汽轮机的大量疏水积存在静子零部件表面,形成一层水膜,或在凹坑内有积水,当汽轮机甩负荷时,通流部分内蒸汽压力突然降低引起水膜闪蒸而产生大量蒸汽,也会在级内膨胀做功,导致汽轮机超速。

为防止饱和蒸汽汽轮机甩负荷超速,要求汽轮机进汽部件结构紧凑,尽量缩短连接管道,或在低压缸进口安装截止阀,使饱和蒸汽汽轮甩负荷超速值不超过4%7%,即最大转速限制在3 1203 210 r/min以下,而不会引起危急遮断器动作,能维持汽轮机空转。

 

2 反应堆和核电站汽轮机参数

    核电站的三个主要部分是:反应堆,热交换装置和汽轮发电机组。核反应堆按照所用裂变燃料、中子减速剂、冷却工质(或载热质)以及中子速度不同等情况,可以分为许多类型。

产生饱和蒸汽或低过热度蒸汽的反应堆叫轻水反应堆,它是与以重水为中子减速剂的重水反应堆相对而言的。目前已经发展成熟并大量应用的轻水反应堆有压力水反应堆和沸腾水反应堆两种。在两种轻水型系统中,压水堆系统不但效率略低,单位功率的造价也略高一些。但它的最大的优点就是由于采用了双回路循环,工作蒸汽不受放射性污染,因此在人员安全方面优于沸水堆系统。

气冷反应堆以石墨作为中子减速剂并以气态CO2作为冷却工质。这种系统的最大优点是水蒸气循环的参数不受反应堆参数的限制。但是这种反应堆造价比轻水反应堆造价高,同时,在发生事故的情况下不容易控制放射性物质的扩散(因为堆中充满了气体)。所以从全面的技术经济性和安全可靠性方面来衡量,还不能与压水堆相竞争。

    目前,压水堆在数量上占很大比重,尤其舰船用反应堆,无一例外采用压水堆。压水堆有运行安全可靠、调节性能良好等优点。压水堆和沸水堆这两种堆型目前约占核电站堆型的87%以上。

 

参考文献

[1] 黄树红. 汽轮机原理[M]. 北京:中国电力出版社, 2008.08:167-169.




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