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核电汽轮机


核电汽轮机
徐大懋
中国广东核电集团有限公司
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一、热力参数特点 二、机与堆的容量匹配 三、设计冷却水温的选择 四、全速机与半速机 五、小结

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一、热力参数特点 参数低,效率低,焓降小, 1. 参数低,效率低,焓降小,流量大
参数 总焓降 ° 种类 KJ/kg C/°C/bar 核电 600MW 280/265/64.5 1130 1710 火电 600MW 537/537/167 0.660 比 值 项目 新汽量 排汽量 排汽量 通流效率 T/h T/h 新汽量 3310 1785 0.54 ~0.84 1800 1080 0.60 ~0.89 1.84 1.65 0.90 ~0.94 循环效率 ~0.35 ~0.46 ~0.76

o 堆内温度低→参数低→焓降小,流量大 堆内温度低→参数低→焓降小, o 新汽流量比值更大:有10%左右用于再 新汽流量比值更大: 10%左右用于再 热 o 汽耗,kg/kw·h:火电3,核电5.5 汽耗, 火电3 核电5.5 2. 带基本负荷 o 定期换料 o 燃料价格低廉 o 采用节流调节,非额定工况效率无意义 采用节流调节, o 核电本身可调峰:低温;无最低稳燃 核电本身可调峰:低温; 负荷问题

喷嘴调节 节流调节

N N

节流调节与喷嘴调节比较
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一、热力参数特点(续) 热力参数特点(
3. 湿蒸汽影响 o HP在湿区:进口湿度(0.2-0.4)%,出口湿度(12-15)% HP在湿区 进口湿度(0.2-0.4)%,出口湿度(12-15) 在湿区: o 低压出口湿度比火电大:火电(6~8)%;核电(9~11)% 低压出口湿度比火电大:火电( 8 核电( 11 11) o HP流速低,蒸汽密度大,水滴为雾状,对叶片损伤小;内压>外压,浸蚀 HP流速低 蒸汽密度大,水滴为雾状,对叶片损伤小;内压>外压, 流速低, 接合面,用不锈钢或堆焊 接合面, o 闪蒸 易引起超速 闪蒸—易引起超速 o 两相流研究:HP ↑效率;LP 去湿 两相流研究:HP—↑效率;LP—去湿 o 湿蒸汽对效率的影响:湿度,粒度 湿蒸汽对效率的影响:湿度, o 经验公式: 经验公式: η =ηo (1? K X ) η =η (1? K X )
HP HP H a

LP

LP

L

a

Xa: 级平均湿度

KH = 0.6 ~ 0.8 ,
600MW 亚临界火电 核电

KL = 0.8 ~ 1.0
低压效率 0.88~0.90 0.85~0.87

K反映密度和粒度的影响 反映密度和粒度的影响
高中压平均效率 0.89~0.91 0.82~0.85

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一、热力参数特点(续) 热力参数特点( 3. 湿蒸汽影响 o 速度三角形 HP LP

蒸汽 水滴

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一、热力参数特点(续) 热力参数特点( 3. 湿蒸汽影响 o 子平面两相流 HP: HP:两相密度和粒度差别小 LP: LP:两相差别大

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二、机与堆的容量匹配
1. 各种负荷定义( IEC) 各种负荷定义(据IEC) o 额定负荷(NR)=最大连续出力(MCR) 额定负荷(NR) 最大连续出力(MCR) 条件:额定参数,保证热耗, VWO, 条件:额定参数,保证热耗,非VWO,在寿命期内可无 限制运行。 限制运行。 o 最大负荷 条件:VWO,额定参数(对火电可否超压按合同),可 条件:VWO,额定参数(对火电可否超压按合同),可 ), 在冬季运行,只保证可靠性,功率和热耗供参考。 在冬季运行,只保证可靠性,功率和热耗供参考。 o 经济连续负荷(ECR) 经济连续负荷(ECR) 可能在NR(汽轮机设计工况);可能在VWO(无节流损失), 可能在NR(汽轮机设计工况);可能在VWO(无节流损失), NR );可能在VWO 也可能<NR。如用户无特殊需要,可不提。 也可能<NR。如用户无特殊需要,可不提。
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二、机与堆的容量匹配(续) 机与堆的容量匹配(
常规火电: 2. 常规火电:炉跟机 o 各种裕量 夏天保证NR 夏天保证NR (3-5)% 10) 机组老化 (2 - 3 )% (6~10)% 10 制造误差 (1 - 2 )% o 裕量的三种留法 功率~流量 初压、 流量~初压 功率 流量 初压、面积 10%通流面积 简单, 通流面积: 10%通流面积:简单,效率低 5%通流面积 5%超压 效率高, 通流面积, 超压: 5%通流面积,5%超压:效率高,但锅炉等高压部件价格 只留5% 5%通流面积 只留5%通流面积 o 俄、中用10%面积;美、日两种均可,按合同;欧洲习惯只用5%面积。 中用10%面积; 10%面积 日两种均可,按合同;欧洲习惯只用5%面积。 5%面积 o 10%与5%比较 10%与5%比较 10%:全寿命期可发NR NR, 储备容量大。 10%:全寿命期可发NR, ηNR ,储备容量大。 5%:与上相反。 5%:与上相反。

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2.

常规火电:炉跟机( 常规火电:炉跟机(续)

设δ1 = δ2 = 5%



平均





平均



10%裕度 10%裕度 储备容量:AHKGCA, 储备容量:AHKGCA,8.8%

5%裕度 5%裕度 储备容量AEFCA, 储备容量AEFCA,3.8% AEFCA

共同点: 共同点:A、B、C点不动,裕量向上移,即锅炉供汽 。 点不动,裕量向上移, 优缺点:10%裕度,任何时候可发额定功率,但储备容量大,存在浪费; 优缺点:10%裕度,任何时候可发额定功率,但储备容量大,存在浪费; 裕度 5%裕度,有可能夏天发不出额定功率,但投资可下降。 5%裕度,有可能夏天发不出额定功率,但投资可下降。 裕度 9

二、机与堆容量匹配(续) 机与堆容量匹配(
3. 核岛无裕量, 核岛无裕量,机跟堆 o 按SG给出的参数设计汽轮机,B点为 SG给出的参数设计汽轮机, 给出的参数设计汽轮机 额定功率, 额定功率, N =1.0 o SG无流量裕量,也不能超压,夏天 SG无流量裕量,也不能超压, 无流量裕量 发不出额定功率。 发不出额定功率。如要求夏天达到 额定功率, NR必须降低 必须降低( 额定功率,则NR必须降低(B )。 o SG可留一定面积余量,防止堵管。 SG可留一定面积余量,防止堵管。 可留一定面积余量 o 汽机自身可留一定面积裕量,只是 汽机自身可留一定面积裕量, 考虑设计、制造误差和老化。 考虑设计、制造误差和老化。 o 堆功率:可以保证。 堆功率:可以保证。 o 如承担一次调频,必须减负荷运行。 如承担一次调频,必须减负荷运行
冬 平均 夏

o 优点:充分发挥设备潜力,需精心 优点:充分发挥设备潜力, 维护,可促进管理。 维护,可促进管理。
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三、设计冷却水温的选择
o 按取水口温度的年平均值

用于常规火电, 用于常规火电,锅炉有裕量 ? 电负荷四季均匀 ? 优化目标:年平均效率最高,节约燃料 优化目标:年平均效率最高, o 按高负荷季节平均水温 ? 核电,核岛功率无裕量 核电, ? 电负荷四季不均匀 ? 优化目标:电费收入最多 优化目标: o 不同情况区别对待
?
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三、冷却水温选择(续1) 冷却水温选择(
o

何为优化设计? 何为优化设计? ? 末级轴向出口

?

根部不产生分离

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三、冷却水温选择(续2) 冷却水温选择(
o 经济性比较

ABOCA( ),按年均水温设计值 ABOCA(——),按年均水温设计值 ), A′BO′CA′(┄┄),按夏季平均水温设计值 BO′CA′ ┄┄),按夏季平均水温设计值 ), A′′BOCA′′( ′′BOCA′′( BOCA′′ ′′( A′′BO ′CA ′′( ′′BO + ),按年均水温运行值 ),按年均水温运行值 ),按夏季平均水温运行值 + ┄┄ ),按夏季平均水温运行值
A A' A"

冬季无需高 负荷, 负荷,可在 A"运行 A"运行

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四、全速机与半速机
为何出现半速机——三个限制 1. 为何出现半速机 三个限制 余速限制
排汽速度, 余速损失, 排汽速度, 余速损失, m/s kj/kg 26~45 火电 230~300 核电 210~280 22~40
转速 全速 半速 3000 3600 1500 1800

强度限制
叶高, 叶高,m 目前可用 钢 钛 0.90~1.25 1.20~1.40 0.70~1.05 1.0~1.2 1.25~1.8 1.1~1.5

轴数限制:一般不大于6 轴数限制:一般不大于6 火电600MW 火电 火电1200MW 火电 核电1000MW 核电 核电1000MW 核电

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三、全速机与半速机(续) 全速机与半速机(
2. 全速机与半速机的应用范围

全速机与半速机的应用范围
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四、全速机与半速机(续) 全速机与半速机(
3. 半速机技术特点 o 长叶片设计
由性能良好的全速机模化而来, 1450mm来自火电725mm长叶片。 由性能良好的全速机模化而来,如1450mm来自火电725mm长叶片。 来自火电725mm长叶片 可靠性—圆周速度小 圆周速度小, 耐水涮性能好。 可靠性 圆周速度小,应力 ;耐水涮性能好。

U, ,m/s U2×10-4
长叶片顶部M 长叶片顶部M

速, 全 ,945 速 409.8 16.79

速, 半 ,1450 速 330.7 10.93

降 , 下 值,% 值 19.3 34.9

,叶型效率高。 叶型效率高。

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o 转子结构

ALSTOM 焊接

Seimens

套装

东芝、 东芝、日立 整锻

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?

焊接转子

Arabelle France 1530 MW LP 94 with 57” LSB

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ARABELLE 1530 MW Welded LP Rotor

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Belfort Works Welding Station

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Vertical Welding : GTAW

Gas Tungsten Arc Welding

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Vertical Welding with Heating Equipment

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? 红套转子:减少应力集中,改善SCC 红套转子:减少应力集中,改善SCC

Disk contours shot peening Rolling of shaft
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o 高压部分:为抵消轴间推力,一般采用分流 高压部分:为抵消轴间推力,

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o

ALSTOM采用特殊设计:高中压合缸, ALSTOM采用特殊设计:高中压合缸,提高效率 采用特殊设计

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Arabelle Nuclear Steam Turbine Main features
? 9 HP stages ? 4 IP stages ? Welded rotor ? Casing in 4 parts

HP/IP Cylinder Section

Rotor weight : 126 tons

THE WORLD LARGEST COMBINED HP/IP

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o 低压汽缸支承 ? 半速机LP汽缸大,带负荷时受大气压力作用变形 半速机LP汽缸大, LP汽缸大
? 常规结构:内缸支承在外缸上,如外缸变形,内缸也变形,影响与 常规结构:内缸支承在外缸上,如外缸变形,内缸也变形, 转子对中和标高 ? 新结构:内缸直接落在基础上,或支承在外缸上,而外缸在同一部 新结构:内缸直接落在基础上,或支承在外缸上, 位支承在基础上, 位支承在基础上,
to a minimum.

ALSTOM结构 ALSTOM结构

LP INNER CASING

FLEXIBLE SEAL RING

Pedestal

INDEPENDENT LP EXHAUST HOOD CONDENSER
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April 2003 China Nuclear Steam Turbines 1

三菱结构

Cutting Section of Axial Direction

Cutting Section Perpendicular to Axial Direction

Deformation of the outer cylinder is absorbed by the bellows.

Gland is supported by the bearing box directly installed on the pedestal.

Both inner and outer cylinders are individually supported by the foundation

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西门子结构

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o电泵与汽泵 电泵与汽泵 ? 用汽泵可以增加排汽面积,下降余速损失 用汽泵可以增加排汽面积,
? 火电给水泵功率比较大,约占2%,流量占7%,余损占14%,对大机组, 火电给水泵功率比较大,约占2%,流量占7%,余损占14%,对大机组, 2% 7% 14% 排汽余速大, 排汽余速大,用汽泵为宜 ? 核电给水泵功率小,约占1%,流量占2.5%,余损占5% 核电给水泵功率小,约占1%,流量占2.5%,余损占5% 1% 2.5% ? 半速机排汽面积大,余损小,选电泵可靠、经济 半速机排汽面积大,余损小,选电泵可靠、 ? 全速机排汽面积小,余损大,汽泵为宜 全速机排汽面积小,余损大, 例: ? 60万千瓦火电,余损40kj/kg,40×0.14=5.6,排汽流量=300kg/s 60万千瓦火电,余损40kj/kg,40×0.14=5.6,排汽流量=300kg/s 万千瓦火电 40kj/kg 5.6=1428KW, N/N=0.24%,很可观。 △N=0.85 × 300 × 5.6=1428KW, △N/N=0.24%,很可观。 ? 半速百万千瓦核电,余损25kj/kg,25×0.05=1.25,排汽流量850kg/s 半速百万千瓦核电,余损25kj/kg,25×0.05=1.25,排汽流量850kg/s 25kj/kg N=0.85×850×1.25=903KW, N/N=0.09%,很小。 △N=0.85×850×1.25=903KW, △N/N=0.09%,很小。 ? 全速百万千瓦核电,余损42kj/kg,42×0.05=2.10,排汽流量850kg/s 全速百万千瓦核电,余损42kj/kg 42×0.05=2.10,排汽流量850kg/s 42kj/kg, N=0.85×850×2.10=1524KW, N/N=0.15%。 △N=0.85×850×2.10=1524KW, △N/N=0.15%。
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o 半速机的经济性
? 对百万千瓦等级核电,广东地区,与先进全速机相比, 对百万千瓦等级核电,广东地区,与先进全速机相比, 功率增加(3~5)% 功率增加(3~5)% ? 半速机与全速机每台造价差约2000万美元 半速机与全速机每台造价差约2000 2000万美元 ? 单位造价:设全速机为15亿美元/百万千瓦, 单位造价:设全速机为15亿美元/百万千瓦, 15亿美元 则半速机单位造价= 则半速机单位造价= 15 + 0.2 = 14.6亿美元 百万千瓦 亿美元/
100 + 4

? 半速机单位造价下降很多

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o 制造 制造——关键是转子 关键是转子 (1)需要大设备 转子车 围带车 轮槽铣(A,S,M) 轮槽铣(A,S,M) 高速动平衡机 转子焊接设备( 转子焊接设备(A) 长叶片制造 (2)运输 LP外缸 LP外缸 LP转子直径 LP转子直径 发电机总重 发电机内定子 冷凝器模块(管束) 冷凝器模块(管束)

φ>3.5m, 3.5m, 长13m 4.5m(除末 除末2 φ>4.5m(除末2级), 长13m 承重>250t, 叶根宽> 承重>250t, 叶根宽>400mm >250t 模锻后机加工

长×宽×高≈13(一分为三)×10×5 13(一分为三) 10× 去末级5m 含末级5.8m 5m, 去末级5m,含末级5.8m 510t 重量≈ 重量≈354t 长×宽×高≈23 × 4 × 5
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o

ALSTOM半速机发展规划 ALSTOM半速机发展规划

1500rpm 94 128 144 叶片号 1.45 1.77 1.85 叶片长度 L,m , 19.2 25.8 28.8 排汽面积 F,m2 , 4.21 4.64 4.96 平均直径 D,m , 330.7 364.4 389.6 圆周速度 U,m/s , 1800rpm 65 89 叶片号 1.208 1.475 叶片长度 L,m , 13.4 18.0 排汽面积 F,m2 , 3.51 3.86 平均直径 D,m , 330.7 364.4 圆周速度 U,m/s , 为模化关系 注:1500rpm 和 1800rpm 为模化关系

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o 半速机可能方案比较
主 机
厂商 项目 末级叶高, 末级叶高,m 最大外径, 最大外径,m 总排气面积, 总排气面积,m2 设计背压,bar 设计背压, 出力(电泵),MW 出力(电泵), ), 汽机总长, 汽机总长,m STG总长,m 总长, 总长 ST总重,t 总重, 总重 LP转子重,t 转子重, 转子重

哈尔滨 三菱 1.375 5.600 72.0 0.056 33.00 52.00 2155 165 东芝 1.320 5.486 65.5 0.055 37.00 48.30 2200 208 1.430 5.560 74.2 0.056 38.19 55.53 2970 181

东方 ALSTOM 日立 1.320 5.370 67.4 0.059 37.66 55.86 2450 250 1.400 5.703 80.0

上海 SIEMENS WH 1.250 4.938 58.0 0.0608 30.8 51.3 1389 149

0.0608 30.4 51.10 1830 239

1060—1086

?

机组总长全速、半速相当, 机组总长全速、半速相当,厂房无大差别

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厂商 项目


东方 ALSTOM 9.72 4.270 20.80 3% 75770 63 日立 9.71 3.721 23.30 4% 72560 60 上海 SIEMENS 12.44 5.100 20.5 3.5% 77378 53 WH 12.40 3.721 18.7 3% 78484 53

哈尔滨 三菱 东芝 13.42 3.868 22.80 1.5% 83928 63

MSR进口 ,bar 进口P, 进口 MSR外径,m 外径, 外径 MSR长度,m 长度, 长度 压力损失, 压力损失,% 冷凝器F, 冷凝器 ,m2 循环水量, 循环水量,m3/S

14.29 4.264 29.40 5% 83120 63

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o 全速机与半速机比较
只有在混合区才存在 此问题 从用户观点出发, 从用户观点出发,只 要效率高,可靠性好, 要效率高,可靠性好, 价格合理即可 对中国情况,百万等 对中国情况, 级压水堆, 级压水堆,半速机组 的可靠性和经济性均 优于全速机

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四、小结 用于水堆的核电汽轮机参数低,流量大,湿度大。 1. 用于水堆的核电汽轮机参数低,流量大,湿度大。 采用节流调节,高负荷时效率最重要。 2. 采用节流调节,高负荷时效率最重要。 3. 容量匹配机随堆,通流裕量小。 容量匹配机随堆,通流裕量小。 设计冷却水温选择与火电有差别。 4. 设计冷却水温选择与火电有差别。 5.全速机与半速机的选用,具体分析。 5.全速机与半速机的选用,具体分析。 全速机与半速机的选用

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