摘要：核电汽轮机的参数低，流量及湿度均较大，具备节流调节的特点，其容量匹配主要以机随堆模式为主，通流裕量较小，于火电机组不同。半速机和全速机比较，前者圆周速度小，所以应力较小，对于水腐蚀方面有较好的性能，但是半速机的制造的成本较全速机高。所以，选型时主要结合地区实际情况、经济、技术指标，以及机组实际容量等来进行确定，就我国目前核电发展情况来看，对1000MW及以上等级的核电汽轮机机组主要以半速机为主，优势显著。
关键词：核电厂；汽轮机；特点分析
1 核电厂汽轮机概述
汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。它的主要用途是在热力发电厂中做带动发电机的原动机。在采用化石燃料（煤、石油和天然气）和核燃料的发电厂中，基本上都采用汽轮机作原动机。有时，汽轮机还直接用来驱动泵，以提高电厂的经济性或安全性。
来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。由于汽轮机排气口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排气口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排气口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水。此凝结水由凝结水泵抽出送往蒸汽发生器构成封闭的热力循环。为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保持较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积累，必使凝汽器内压力升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功；同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化。这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。
2 核电站汽轮机特点
核电站汽轮机通常采用饱和水蒸汽（或微过热蒸汽）作为工质，并由高压汽缸、低压汽缸、汽水分离再热器、回热加热器和凝汽器等辅助设备组成。其工作原理与普通电厂汽轮机相同，结构也大体上相近，唯有新蒸汽初参数较低而已（一般新蒸汽初压在5-7MPa范围内，过热度仅20~30℃左右）。与高初参数的火电厂汽轮机相比，其蒸汽理想焓降仅为后者的65%左右，汽耗率约大1倍，在相同容量和相同背压的条件下，排汽容积流量大致要增大60~70%。
按转速高低的不同，有全速和半速汽轮机两种，由于新蒸汽初参数很低，绝大多数核电站汽轮机为获得较大的功率都不得不制成半速（即1500r/min）汽轮机形式，半速机组虽可保持较高的相对内部效率，级数相应减少，但与相同容量的全速机组相比，它的某些线性尺寸（如动叶片高度、叶片间距、叶轮直径等），必须放大1倍左右，致使整机的体积和重量相应增大。因此汽轮机的制造、运输和安装等都比较困难。当半速汽轮机甩负荷时，如果没有可靠的超速保护装置，汽轮机很容易超速20%以上。目前大多在低压汽掳进口处采用一自动关闭的截止阀来防止超速。
此外，广义的核电站汽轮机还包括过热蒸汽汽轮机，这种高效率汽轮机，这种高效率汽轮机适用于快中子堆核电站和高温冷堆核电站。
3 核电汽轮机特点
3.1 核电汽轮机基本特点
3.1.1 蒸汽初参数低且湿度大
反应堆供给汽轮机的蒸汽参数较低，压力一般为4.0～7.0MPa，湿度为0.25%～0.40%，温度大约270℃，即为略带湿度的饱和蒸汽。这比常规火电汽轮机初参数低得多。
在常规火电机组中蒸汽大部分处于过热蒸汽状态，只有在低压缸末几级处于湿蒸汽状态下。核电汽轮机只有低压缸前几级处于过热状态，其余部分都处于饱和线之下的湿蒸汽状态。
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3.1.2 进汽量和容积流量大
由于核电汽轮机初参数低，其有效焓降仅为常规火电汽轮机的50 %左右，致使同等功率机组，核电汽轮机的进汽量是火电机组的2 倍，而容积流量则为4～6 倍，同时疏水量也猛增。
3.1.3 单机功率大且承担基本负荷
因为核电站投资成本高，运行费用低，所以核电汽轮机都设计成大功率的，并承担电网的基本负荷。近期投运的机组，功率均在600～1500MW之间，最大的单机功率已达到1580MW（法国），并准备生产2000MW的机组，以进一步降低成本。
3.2 核电汽轮机设计制造特点
3.2.1 结构
由于蒸汽初参数低和容积流量大，核电汽轮机在设计制造时，绝大多数采用1 个高压缸加2～4个低压缸的结构。相同功率的常规火电汽轮机，毫无例外地由1个高压缸、1 个中压缸再加1～2个低压缸。核电汽轮机一般无中压缸，高压缸都是双流程，和火电汽轮机中压缸一样。低压缸由于容积流量大需要较大排汽面积，一般为2个（600～700MW）或3～4个（1200MW以上），其汽缸体积大、重量大。
3.2.2 转速选择
常规火电汽轮机多采用全速（3000r/min或3600r/min），极少采用半速（1500r/min或1800r/min）。核电机组因为进汽量和排汽容积流量很大，所以有必要采用半速机组。
3.2.3 材料使用方面的特点
核电汽轮机进汽参数低，高温、高压的湿蒸汽具有极强的侵蚀性，因此核电汽轮机选材考虑的主要问题是材料的防侵蚀性能。在湿蒸汽环境中工作的汽轮机受到的侵蚀一般有冲击侵蚀、缝隙侵蚀和冲刷侵蚀三种。
3.2.4 去湿、防蚀及汽水分离再热器（MSR）
核电站二回路的蒸汽参数低，进汽为饱和蒸汽，工作段大部分为湿蒸汽，所以要采取去湿、防蚀、提高蒸汽干度的措施，以保证核电的安全，并提高效率。
4 核电机组汽轮选型
核电机组的汽轮机主要包括两种，一种是半速机，转速是1500r/min或者1800 r/min，另一种是全速机，转速是3000r/min或者3600 r/min。但通常情况下，容量较大的核电汽轮机往往会采用半速机。相同容量的核电机组和火电机组相比较，前者排汽面积大约是后者的2倍。在实际应用中可以根据实际排汽面积选取合适的汽轮机型。增加其排汽面积的方法往往有以下三种：
（1）加大汽轮机末级叶片的长度。加大汽轮机末级叶片的长度就是增大其单个排汽口的面积，对于全速机，会受到转子材料、叶片限制。（2）增加轴数。增加轴数就是增加低压缸的数量，由于受轴系振动限制，轴数多轴系振动就越复杂。通常情况下轴数应低于6轴，轴承数低于11个。核电汽轮机组中，高中压力缸仅一个，而低压可以增加到3缸6排。（3）尽可能选择半速机。增大机组末级叶片的长度可以解决轴系振动限制问题，半速机末级叶片最短长度是1.25米，排汽面积大约是14m2，末级叶片最长可达到1.8米，排汽面积大约是26㎡。不过最长的叶片仅仅用于北欧一些冷却水温低的地方，而在大部分地区，机组末级叶片的长度在1.35米到1.45米左右，排汽的面积在17m2-20m2左右。
在选择汽轮积机型时，全速机最大的排汽面积和半速机最小的排汽面积往往相差不大，但是其应力水平则有很大差别。机组生产材料的造价必然不相同，半速机的造价往往高于全速机，半速机尺寸大、耗材多，所以，制造与运输、起重等投资成本都要高于全速机，但是半速机的应力、水腐蚀率比全速机低，其他的动叶片、转子应力同时也会降低，若半速机和全速机制作材料相同的话，半速机可靠性设计就会比全速机更加容易[3]。而对于百万级的核电机组，选择何种机型，同样也要对其具体项目、技术、经济等进行分析后才能确定。
5 结论
世界核电发展已经走过半个世纪的历程，其作为一种清洁能源，技术已经成熟，安全可靠性得到了实践验证，供应能力较强，已成为国家能源电力战略的重要组成部分。本文通过对核电汽轮机和常规火电汽轮机的比较，了解了核电汽轮机独有的设计特点以及与火电机组的差异。
参考文献
[1]黄鹏飞，黄伟. 核电汽轮机的特点分析[J]. 科技视界，2015（24）：260-260.
[2]杨晓辉，单世超. 核电汽轮机与火电汽轮机比较分析[J]. 汽轮机技术，2006，48（6）：404-406.
论文作者:高程,薛威
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/17
标签：汽轮机论文; 核电论文; 蒸汽论文; 机组论文; 凝汽器论文; 火电论文; 叶片论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;