羅吉江

（山東核電有限公司，煙臺(tái) 265116）

AP1000核電廠采用美國(guó)西屋第三代核電技術(shù)建造的百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組，濕蒸汽汽輪機(jī)為三菱－哈動(dòng)聯(lián)合供貨的半速汽輪機(jī)。眾所周知，壓水堆核電汽輪機(jī)的初始汽源為核島蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽，壓水堆核電汽輪機(jī)的高壓缸葉片全部工作在濕蒸汽區(qū)，汽輪機(jī)低壓缸的大多數(shù)級(jí)工作在濕蒸汽區(qū)。濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的通流部件產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕。減少和避免濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的侵蝕，對(duì)核電汽輪機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

1 AP1000核電汽輪機(jī)的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AP1000核電汽輪機(jī)為單軸、中間再熱、反動(dòng)式、四缸、六排汽凝汽式半速汽輪機(jī)，其型號(hào)為TC6F－54。汽輪機(jī)由一個(gè)高壓缸、三個(gè)低壓缸組成，每個(gè)汽缸的通流部分均是兩邊各10級(jí)的雙流對(duì)稱布置。高壓缸為單層缸，低壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子及低壓轉(zhuǎn)子均為無(wú)中心孔合金鋼整鍛轉(zhuǎn)子，一個(gè)高壓轉(zhuǎn)子、三個(gè)低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接成一個(gè)軸系，再通過(guò)剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。每根轉(zhuǎn)子都由一對(duì)徑向軸承支承，推力軸承位于1號(hào)低壓缸和2號(hào)低壓缸之間。低壓缸的末級(jí)葉片長(zhǎng)度為1 375mm。汽機(jī)本體疏水為自流疏水，通過(guò)疏水節(jié)流孔板或疏水閥排到凝汽器中。

1.2 熱力系統(tǒng)

來(lái)自蒸汽發(fā)生器的蒸汽通過(guò)4個(gè)截止閥和4個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高壓汽輪機(jī)，在高壓缸內(nèi)膨脹做功以后，排汽進(jìn)入2臺(tái)外置式汽水分離再熱器，被加熱后通過(guò)6根管道分別進(jìn)入3個(gè)低壓缸。汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)為兩高、四低、一除氧，高壓汽輪機(jī)的抽汽段分別為汽水分離再熱器和6、7號(hào)高壓加熱器提供加熱蒸汽，高壓缸的排汽向除氧器提供蒸汽，低壓汽輪機(jī)的第3、5、7、8 級(jí)后的抽汽段分別向第4～1 號(hào)低壓加熱器提供蒸汽。另外汽輪機(jī)還布置有40%額定蒸發(fā)量的旁排管路。

1.3 主要參數(shù)

額定功率： 1 251MW

額定主蒸汽壓力：5.38MPa（a）

額定主蒸汽溫度：268.6℃

額定主蒸汽流量：6 066t／h

主蒸汽濕度： 0.45%

高壓缸排汽濕度：12.1%

額定再熱蒸汽壓力：0.932MPa（a）

低壓缸排汽壓力：4.4kPa（a）

設(shè)計(jì)冷卻水溫度：16℃

額定給水溫度： 226.7℃

低壓末級(jí)葉片長(zhǎng)度：1 375mm

額定轉(zhuǎn)速： 1 500r／min

2 濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的危害

壓水堆核電站汽輪機(jī)絕大部分級(jí)處于濕蒸汽區(qū)，因此其通流部分去濕和防蝕的設(shè)計(jì)完善與否，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性有直接影響。

2.1 濕蒸汽降低了汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性

濕蒸汽的膨脹過(guò)程在焓熵圖中汽水分界線以下的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。首先，由于濕汽中水分的存在，減少了汽流的有效做功流量；其次，水分的存在將引起熱力損失、氣體動(dòng)力損失和直接的阻滯損失等，這些損失的存在致使核電經(jīng)濟(jì)性較差。一般可近似地認(rèn)為級(jí)的平均濕度增大1%，級(jí)的內(nèi)效率降低1%，所以蒸汽濕度的增加降低了級(jí)的效率。

2.2 濕蒸汽導(dǎo)致核電汽輪機(jī)部件的侵蝕

壓水堆核電站汽輪機(jī)整個(gè)高壓缸均處于濕蒸汽中，低壓缸又較早地進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，并有較大的排汽濕度。濕蒸汽使核電站汽輪機(jī)中的零部件受到不同方式的侵蝕，包括濕蒸汽流經(jīng)表面的沖蝕和結(jié)合面間的隙蝕。此外，在低壓缸過(guò)渡區(qū)的高應(yīng)力區(qū)還會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。在汽輪機(jī)內(nèi)過(guò)熱或飽和蒸汽膨脹做功，穿過(guò)飽和線后，會(huì)有水滴凝結(jié)析出使水蒸氣濕度增加。若汽輪機(jī)內(nèi)濕度過(guò)大而不采取措施，末幾級(jí)葉片會(huì)發(fā)生侵蝕，工作數(shù)年后就會(huì)損壞，甚至斷裂。

2.3 濕蒸汽限制了機(jī)組的調(diào)峰特性

由于飽和蒸汽放熱系數(shù)大，大大提高蒸汽到金屬表面的放熱、傳熱強(qiáng)度，在經(jīng)常甩負(fù)荷或大幅度變負(fù)荷時(shí)，可能使汽輪機(jī)部件出現(xiàn)很高的熱應(yīng)力而引起疲勞損害。所以對(duì)于核電汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，限制其負(fù)荷變化率和變化次數(shù)是必要的。

2.4 汽輪機(jī)超速風(fēng)險(xiǎn)加大

汽缸內(nèi)轉(zhuǎn)子和靜子的表面都存在水膜，凹坑及中間汽水分離器內(nèi)部存在水分，壓力降低時(shí)的閃蒸現(xiàn)象將產(chǎn)生大量氣體，使轉(zhuǎn)子在甩負(fù)荷和事故停機(jī)時(shí)汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)增大。一般甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速可能繼續(xù)增加到115%～125%。

3 AP1000 核電汽輪機(jī)去濕防蝕技術(shù)的應(yīng)用

為了減少或避免濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的危害，AP1000核電汽輪機(jī)除設(shè)置了汽缸本體疏水等常規(guī)火電的防沖蝕技術(shù)外，還采用了以下方法：

3.1 采用半速機(jī)

AP1000核電汽輪機(jī)采用1 500r／min的半速汽輪機(jī)。半速機(jī)具有抗蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在同樣末級(jí)葉片情況下，由于半速機(jī)葉片的圓周速度u降低，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的離心應(yīng)力也降低，同時(shí)葉片的水蝕明顯減輕。侵蝕速率可用以下實(shí)驗(yàn)公式估算：

式中，u為葉頂圓周速度，x為蒸汽濕度。

在采用相同的葉片材料、相同的防蝕措施情況下，半速汽輪機(jī)葉片的侵蝕情況遠(yuǎn)沒(méi)有全速汽輪機(jī)嚴(yán)重。

3.2 選擇了合適的分缸壓力

分缸壓力高，低壓缸級(jí)數(shù)多，汽輪機(jī)末級(jí)濕度可能超出允許范圍；分缸壓力低，分離效果好，但對(duì)高壓缸要求提高；在只采用一級(jí)外置式汽水分離去濕的條件下，若以緩解汽輪機(jī)的水蝕為目標(biāo)，最佳分缸壓力應(yīng)為Pr＝（0.1～0.15）P0（P0為初始進(jìn)汽壓力）。

3.3 汽輪機(jī)配汽方式采用節(jié)流調(diào)節(jié)

AP1000核電汽輪機(jī)沒(méi)有調(diào)節(jié)級(jí)，汽輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式：將新汽經(jīng)過(guò)一定的節(jié)流之后引入汽輪機(jī)中做功。由于節(jié)流過(guò)程是一個(gè)等焓降壓過(guò)程，壓力降低對(duì)應(yīng)飽和溫度降低，因此飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，這樣當(dāng)蒸汽膨脹到排汽點(diǎn)時(shí)，可控制濕度在允許的范圍之內(nèi)，這是非常有效的降低水蝕的途徑；但節(jié)流過(guò)程產(chǎn)生了能量損失，降低了機(jī)組的效率。

3.4 配置汽水分離再熱器

AP1000核電每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)汽水分離再熱器，分別布置在汽輪機(jī)兩側(cè)；汽水分離再熱器將高壓缸排出的濕蒸汽（濕度約12%）進(jìn)行除濕、加熱，使之變?yōu)橛屑s100℃過(guò)熱度的過(guò)熱蒸汽，再進(jìn)入低壓缸做功，確保低壓缸末級(jí)葉片排汽濕度控制在10%左右。額定工況下汽水分離再熱器進(jìn)／出口溫度為178.6／257.0℃。汽水分離再熱器的使用降低了低壓缸內(nèi)的蒸汽濕度，改善了汽輪機(jī)的末級(jí)葉片的工作條件，提高了汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率，減少和防止了濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)零部件的侵蝕作用。

3.5 使用空心靜葉抽吸除濕技術(shù)

低壓末級(jí)葉片采用空心葉片，靜葉表面有吸水縫，能夠破壞水膜，減少大水滴的產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)壓力差使得水滴進(jìn)入靜葉空腔。空心靜葉通過(guò)環(huán)形通道與壓力比它低的低壓加熱器或凝汽器連通，從而形成負(fù)壓。這樣通過(guò)靜葉表面的吸水縫即可將靜葉表面的凝結(jié)水膜吸走，降低通流部分的濕度和水蝕，提高流動(dòng)效率，如圖1所示。

圖1 空心靜葉圖

3.6 適當(dāng)增大動(dòng)、靜葉間間隙

隨著動(dòng)靜葉片之間的軸向間隙的增加，動(dòng)葉腐蝕的現(xiàn)象將會(huì)降低。選取一個(gè)最佳的動(dòng)靜葉間隙，以降低低壓末級(jí)葉片的腐蝕速率。當(dāng)動(dòng)靜間隙被放大以后，動(dòng)葉片上飛出的水滴隨著動(dòng)靜間隙的增大而變小，從而被再次霧化，減輕沖蝕，如圖2所示。

圖2 動(dòng)靜葉間隙示意圖

3.7 設(shè)置“捕水器”

LP末三級(jí)靜葉在靜葉環(huán)上設(shè)計(jì)有“捕水器”，將水分捕捉后疏出。低壓靜葉持環(huán)上的疏水捕捉器根據(jù)水珠受離心力作用被拋向外緣的原理設(shè)計(jì)，當(dāng)水珠被拋向外緣后，經(jīng)過(guò)捕水口槽道進(jìn)入環(huán)形捕水室，然后通過(guò)疏水通道流入凝汽器，如圖3所示。

圖3 捕水器示意圖

3.8 在較易受濕蒸汽侵蝕的部位采用防腐材料或在表面堆焊不銹鋼

根據(jù)水滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在水滴沖刷嚴(yán)重的地方鑲嵌硬質(zhì)合金或者進(jìn)行表面硬化處理，以提高材料的抗沖蝕性能。

高壓缸使用材料為碳鋼，隔板套和內(nèi)軸封套為12%Cr合金鋼，外軸封為低合金鋼。在前后軸封（變形最大）處的汽缸中分面、隔板套密封面和中分面堆焊防腐蝕的低合金鋼，如圖4所示。

圖4 高壓缸材質(zhì)分布圖

在低壓內(nèi)缸及排汽導(dǎo)流環(huán)易腐蝕部位堆焊不銹鋼覆層；水平中分面易腐蝕部位堆焊INCONEL覆層，如圖5所示。

另外在汽輪機(jī)的末三級(jí)動(dòng)葉頂部鑲有足夠長(zhǎng)的司太立合金。

圖5 低壓內(nèi)缸中分面水平覆層

4 結(jié)論

由于核電汽輪機(jī)使用的蒸汽為飽和蒸汽，汽輪機(jī)的侵蝕在國(guó)內(nèi)外早期核電機(jī)組中普遍存在，隨著科技的發(fā)展，AP1000核電汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)、制造等方面均采取了很多措施、方法，侵蝕問(wèn)題得以緩解。在運(yùn)行中也應(yīng)制定相應(yīng)的措施，加強(qiáng)去濕防蝕的意識(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)程操作，精心保養(yǎng)。在運(yùn)行中注意以下幾點(diǎn)：

1）控制好蒸汽發(fā)生器的水位，確保蒸汽發(fā)生器出口蒸汽濕度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；

2）加強(qiáng)蒸汽發(fā)生器出口濕度的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整；

3）控制好汽輪機(jī)本體和抽汽段疏水閥，防止蒸汽濕度增大或發(fā)生水擊事件；

4）保證汽水分離再熱器的正常運(yùn)行，避免其因故障而停止運(yùn)行；

5）注重停機(jī)后的汽輪機(jī)保養(yǎng)。

如果對(duì)此認(rèn)識(shí)不足或處理不當(dāng)，侵蝕腐蝕問(wèn)題仍會(huì)發(fā)生，雖然它一般不會(huì)直接引起事故與危害性大的損壞，但卻明顯地降低了機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，也可能成為損壞事故的原因。

［1］廖亞民.AP1000核電廠常規(guī)島系統(tǒng)初級(jí)運(yùn)行［M］北京：中國(guó)原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.

［2］劉建成.汽輪機(jī)內(nèi)部除濕技術(shù)的發(fā)展［J］.熱能動(dòng)力工程，2005，20（1）：1－5.

［3］陳娟，徐大懋.核電汽輪機(jī)的特點(diǎn)及選型［J］.熱能動(dòng)力工程，2010，25（4）：459－462.