关键词：大型压水堆；核电汽轮机；再热压力；选择方法
我国是能源消费大国，而目前我国能源消费结构中化石燃料发电占比仍较高。随着人民生活水平的提高，公众对大气环境污染的容忍度越来越低。为此，我国提出了绿色发展、建设环境友好型社会、大力发展清洁能源的战略方针。核电和其他能源相比具有独特的优势，其燃料能量密度高、负荷稳定、生产过程零碳排放，因此大力发展核电是解决我国巨大能源需求和环境治理问题的优选方案之一。国家能源发展战略行动计划中提出，在采用国际最高安全标准、确保安全的前提下，适时在东部沿海地区启动新的核电项目建设，研究论证内陆核电建设。到2020年，核电装机容量将达到5800万kw。
核电汽轮机作为核电站常规岛中最关键的设备之一，未来市场前景广阔，因此有必要对我国目前核电汽轮机的发展现状进行总结，并根据未来核岛反应堆的发展趋势对核电汽轮机的发展方向进行预测，提前布局和研发，以更好地适应我国核电发展的需要。现阶段国内在建和投运的大型核电机组的主流机型有CPR1000、AP1000及EPR等。自主设计的CAP1400、ACP1000等大型核电机组也已开展了设计。这些核电机组普遍采用二级再热的MSR系统。汽轮机的排汽已带有微量湿度，若不采用再热措施，汽轮机排汽湿度将超过20%，不仅低压缸效率降低，并且远超出末级叶片许用范围。所以核电机组必须采用汽水分离再热器（Moisture Separate Reheater，简称MSR）来提高汽轮机的排汽干度。
1 MSR系统构成及再热压力的针对性选取
1.1 MSR系统构成
大型压水堆核电站汽轮机应用的MSR系统主要由两部分组成，分别为汽水分离器与再热器，具体构成如下：（1）汽水分离器。MSR系统中的汽水分离器主要负责处理带有一定湿度的蒸汽，处理后的蒸汽可实现汽水分离，且蒸汽的湿度能够逼近饱和蒸汽，即湿度可达到0.5%。（2）再热器。MSR系统中的再热器主要负责饱和蒸汽的加热，由此MSR系统即可将反应堆出口湿蒸汽最终转化为干蒸汽。从理论层面进行分析可以发现，机组循环效率会随着再热器级数的增多而提升，但这种提升的幅度会不断缩小。
2 再热压力的针对性选取
2.1 计算思路
考虑到MSR系统出口的温度直接影响大型压水堆核电汽轮机再热压力的选取，而主蒸汽参数则会直接决定该问题，因此最佳再热压力的范围必定会受到不同的反应堆影响，为提升研究的实践价值，本文选择了EPR、CAP1400、CPR1000三种压水堆作为研究对象，并由此针对性构建计算模型。为保证计算取得结果的可靠性，三种压水堆核电机组的计算均围绕机组进汽参数、排汽压力、以及反应堆热功率保持额定值展开，为重新设计压水堆核电汽轮机通流，需严格开展变化再热压力的计算。
2.2 再热压力与功率关系分析
三种压水堆机型的选取不同的再热压力进行计算，但计算建立在汽轮机末级湿度符合标准要求的前提下，由此可得出图1所示的开口向下抛物线形式关系曲线，再热压力与机组功率关系由此得到了直观展示。结合图片进行分析可以发现，抛物线的顶端随着主蒸汽压力升高而不断向右偏移，这说明主蒸汽压力升高会导致再热压力的最佳值不断升高，因此可确定主蒸汽压力与最佳再热压力存在较高相关性。MSR系统的出口温蒂会随着主蒸汽压力提升而升高，这一过程中压水堆核电机组的低压膨胀过程线不断发生右移，这说明压水堆核电机组的中低压可利用焓降处于不断缩短的状态，为保证中低压缸中蒸汽的充分膨胀，再热压力需适当提高，机组循环效率可由此实现长足提升。
经研究发现高压排汽湿度会因过高的再热压力而减小，总焓降会同时出现显著降低；可用总焓降会在中低压情况下实现长足提升，但部分级次会受到中低压影响而过早进入湿蒸汽区，效率会因此受到较为负面影响；高压可用的总焓降会因再热压力过低而增大，但高压缸效会因此增大的高压排汽湿度而减小，存在一定上升趋势的中低压效率会伴随着可利用焓降减小。总之，大型压水堆核电汽轮机组的循环效率会因此再热压力的过低或过高而出现显著下降。
2.3 最佳再热压力范围选取
大型压水堆核电汽轮机组的热经济性会直接受到再热压力的选择影响，整个电厂的设计及相关部件的选择也会同时受到较为深远影响。以国产百万等级核电机组的汽轮发电机组布置为例，该机组中的汽轮机本体部件与MSR系统的尺寸基本相当，因此可认为MSR系统已经成为大型压水堆核电站汽轮发电机组的主机之一，再热压力的大小直接关系着再热阀门、再热热段管道、MSR本体、高压排汽管等部件的选择。
结合国内外核电工程经验不难发现，早期的部分核电汽轮机在可靠性层面存在严重问题，应力腐蚀则是引发问题的主要原因，这类应力腐蚀主要发生在过热区向湿蒸汽的过渡区。结合大型压水堆核电汽轮机组蒸汽膨胀特点可以发现，其蒸汽膨胀线和饱和线交点明显较高，这说明火电机组过渡区部件的工作温度明显低于核电机组，二者的温差在30℃左右。温度直接影响核电汽轮机的应力腐蚀程度，腐蚀恶化的严重性会随着温度的升高而提升，而为了保证核电汽轮机的应力腐蚀控制在合理区间，再热压力具备的过渡区工作温度控制能力必须得到充分发挥，大型压水堆核电汽轮机组的可靠性可由此得到更好保障。
2.4 实际应用中再热压力的选择
在工程设计中要充分考虑再热压力变化后对设备本身尺寸加大带来的影响（尺寸、电厂布置、重量、运输等）。由于核电机组蒸汽流量巨大的原因，所以特别在大容量机组的设计中要充分考虑。鉴于此原因，超大容量（例如EPR）、较低进汽参数的核电机组的再热压力，可以适当取得高一些。这对优化机组尺寸、电厂布置和平衡投资是特别有效的。根据当前世界最大单机容量的EPR核电机组在不同的再热压力设计时的高压排汽管、中压蝶阀的尺寸变化情况可以看出，当再热压力变化时，相关管道和设备的尺寸将发生很大的变化，需进行综合考虑。
根据国际上核电工程的经验，早期的部分核电汽轮机发生过严重的应力腐蚀（SCC）问题，严重影响了核电机组的可靠性。低压汽轮机的应力腐蚀主要发生在过热区向湿蒸汽的过渡区(即wilson区)。所以核电机组的部件在过渡区的工作温度高于火电机组，可达30℃左右。研究表明应力腐蚀的程度和温度密切相关，温度愈高腐蚀恶化愈加剧烈。通过优化再热压力，可以降低过渡区的工作温度，将应力腐蚀控制在合理的范围内，确保机组的可靠性。根据以上综合分析，得到压水堆核电机组主汽压力与最佳再热压力范围，一般为主汽压力的13%~18%。CPR1000、AP1000、EPR压水堆核电机组再热压力均处于上述论证的最佳再热压力范围之内。这些机组已有部分机型成功投运，投运机组性能优异，结构合理。
3 结论
综上所述，大型压水堆核电汽轮机再热压力的选择较为关键，本文研究中提及的大型压水堆核电汽轮机组最佳再热压力范围的可靠性在实际工程中应用良好，因此同类设计的开展可以以此为参考。
参考文献：
[1]胡天南.压水堆CPR1000 DCS系统设计[J].电子制作,2019(06):84-85+98.
[2]彭帅国.压水堆核电厂反应堆功率控制系统测试设计与实现[J].核科学与工程,2018,38(06):970-976.
论文作者:周守昊
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期下
论文发表时间:2019/12/2
标签：核电论文; 机组论文; 压力论文; 汽轮机论文; 蒸汽论文; 应力论文; 系统论文; 《中国电业》2019年第12期下论文;