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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-0391
摘 要：近年来，在社会经济快速增长的背景下，国家相关部门越来越重视核电发展战略。尽管核电厂汽轮机的技术发展相对成熟，但依然存在改良或技术换代的空间。因此分析国内核电厂汽轮机现状，研究核电厂汽轮机发展趋势，是一项十分重要的工作。本文不涉及运行及控制方面的技术，仅将国内核电厂汽轮机汽缸特点、转速等主要技术区别罗列出来，以探讨未来汽轮机技术的可能发展方向。
关键词：汽轮机 高压缸 高中压合缸 低压缸 转速
中图分类号：TK26 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0065-03
Research on the Status Quo and Trends of Nuclear Power Plant Steam Turbines
TANG Li NI Xiaoshuai CAO Mengtian* GAO Shengqiang
（Research Institute of Nuclear Power Operations， Wuhan， Hubei Province， 430223 China）
Abstract： In recent years， in the context of rapid social and economic growth， relevant state departments have paid more and more attention to nuclear power development strategies. Although the technology development of nuclear power plant steam turbines is relatively mature， there is still room for improvement or technology replacement. Therefore， analyzing the current status of domestic nuclear power plant steam turbines and studying the development trend of nuclear power plant steam turbines is a very important task. This article does not involve the technology of operation and control， only the main technical differences such as the cylinder characteristics and speed of the steam turbines of domestic nuclear power plants are listed in order to explore the possible development direction of the steam turbine technology in the future.
Key Words： Steam turbine; High pressure cylinder; High and medium pressure cylinder; Low pressure cylinder; Speed
隨着我国经济的发展，总用电量逐步增大。要提高核电装机容量，就需要提高核热功率，相应的，汽轮机功率也应与之匹配，因此提高汽轮机功率也是非常重要的一环。梳理发现，随着技术的发展，汽轮机单机额定功率是逐步提高的，从最早的300MW到650MW，再到900MW，1000MW，1200MW甚至1750MW的各类型汽轮机都正在商运中。本文正是在总结目前国内核电厂汽轮机现状特点的基础上，探讨未来汽轮机发展的可能趋势。
1 国内核电厂汽轮机现状
国内核电厂汽轮机现状见表1。表1中给出了各核电厂汽轮机的“额定功率”“末级叶片高度”“额定转速”及“汽缸类型”4个参数。除石岛湾高温气冷堆汽轮机为超临界汽轮机外，从功率上看，随着技术的发展，单机功率总是增加的，这与经济发展、用电量增加和汽轮机技术的进步是相适应的;从汽机结构上看，随着额定功率从220MW增加到1750MW，汽机的进气量大幅增加，轴向推力大幅增加，为了保证汽机平衡，一般有双流高压缸和高中压合缸两种类型的布置。此外汽机的排气量也增加，这就要求要么增加末级叶片的长度，要么增加低压缸的数量;从汽机转速上看，额定转速则分为两档，分别为3000rpm和1500rpm。
石岛湾高温气冷堆汽轮机较为特殊，为保证总的发电量输出、热效率以及总体经济性，一回路氦气温度较高，出口温度达到750℃，而蒸汽发生器出口温度则达到了571℃，相应的，进入汽轮机的蒸汽参数也达到了火电汽轮机的参数级别;而又由于碳的慢化作用弱于水的慢化作用，不可能实现较大的一回路功率，因此与之匹配的二回路功率，即汽轮发电机总功率也不大。因此就出现了高温气冷堆汽轮机总功率小，而蒸汽参数较高的特点。总之，由于存在过大的差异，下文将目光聚焦在主流的核电厂汽轮机技术方面[1]。
2 发展趋势
2.1 末级叶片长度与低压缸数量 上文已说明，随着汽轮机功率的增加，末级叶片长度与低压缸数量都相应增加。根据汽轮机的功率方程N电=D·H理·η内·η机·η电/860（D单位kg/h，H理单位kcal/kg，N电单位kw），要增大汽轮机功率，就需要增加比焓降或蒸汽流量。要增加比焓降，则蒸汽要进行更多的膨胀，产生更大的速度，而汽轮机需要在最佳速比范围内工作，才能保证其工作效率，因此不能过大增加汽机转速。此外汽机额定转速的增加，受制于电网频率的牵制，以及叶片材料的限制;而根据连续性方程，流速一定的情况下，要增加蒸汽流量，则必须增加排汽面积，可以采用增加低压缸数量和增加末级叶片长度解决[2]。
2.2 增加末级叶片长度
增加末级叶片长度，受到叶片材料强度的制约。这是因为：1叶片跟随转子同步旋转，受到离心力的作用，长度越长，离心力越大，叶片断裂的风险越大。尽管可以采取降低转速的办法来降低离心力，如采用1500rpm的汽轮机技术。但即便采用这种技术，叶片也不可能无限制增加，总会受到离心力的制约;2叶片长度增加，汽缸缸体必定要加大，这会会带来材料、制造、安装及经济性等多方面的制约。
2.3 增加低压缸数量
增加低压缸数量，对缸体本身没有影响，但会受到转子制造、运输、安装及运行等方面的影响。对于整煅转子，制造、运输及安装，都会带来较大的困难。
从表1中可以看出，按照核电厂建造的先后顺序看，为增加汽轮机功率，普遍采用了增加叶片长度的方案，而低压缸数量多数则为2～3个不等。这也就是说，由于材料，制造等技术方面的进步，低压缸逐步实现了大型化，而不是简单的进行数量上的堆叠[3]。
2.4 全速机与半速机
核电厂汽轮机转速受外电网频率的牵制，在极对数确定的情况下，其同步转速也是确定的。正如上文所述，可以通过降低转速，即采用1500rpm的汽轮机技术，来实现末级叶片长度的增加，最终提升功率的输出。概括起来，全速机、半速机各有优劣[4]。
2.5 半速机相比全速机的优点
（1）提高汽机极限功率。
（2）改善末级叶片应力水平。
（3）半速机转子数量少，整个轴系分段少，故机组振动较小。
2.6 半速机相比全速机的缺点
从表1可以看出，海南核电厂采用的是与秦二厂相同的技术，所以仍使用3000rpm汽轮机技术。除此之外，早期核电厂汽轮机多为全速机，新建电厂则普遍采用半速机，与经济发展和技术发展相适应的。这也就是说，国内新建电厂采用1500rpm汽轮机技术是一个较为明显的趋势[5]。
2.7 双流高压缸或高中压合缸
近年来，出现了一些采用高中压合缸技术的机组，相比双流高压缸，高中压合缸的特点如下。
（1）由于合缸两侧结构不同，蒸汽参数也不同，轴向推力的平衡问题，胀差等参数的控制，是值得关注的。
（2）由于高压缸蒸汽参数较高，高压缸蒸汽压力较高，有蒸汽从高压缸窜入中压缸的可能性，因此两缸接合处的蒸汽密封显得非常重要。
（3）高中压转子制造工艺不一样，相当于一台机组要制造高压转子、中压转子和低压转子3种类型的转子，较双流高压缸多出一个类型。
（4）中壓缸较高压缸蒸汽参数要低，制造中压缸在汽缸和转子材料选择上可能成本更低。
（5）合缸进汽管线均安装在头部，经阀组与汽水分离再热器（MSR）连接，空间分布上较双流高压缸更为紧凑。
（6）核电厂汽轮机高中压合缸一般共有13级叶片，较双流高压缸少，意味着可能的制造成本减少以及轴系长度变短[6]。
3 结语
汽轮机是核电厂实现电能生产的重要一环，虽然汽轮机技术已经发展得较为成熟，但作为核电人，理应对其现状和将来的技术发展方向有清晰的认知。
参考文献
[1] 曾彬.基于模糊PID控制的核电厂汽轮机控制系统研究[D].上海： 上海交通大学，2018.
[2] 沈新生，林斌，张国栋，等.核电汽轮机状态监测评估技术[J].设备监理，2019（8）：22-23.
[3] 张海军.核电汽轮机超速影响因素分析[J].科技视界，2019（1）：11-13.
[4] 伍赛特.汽轮机技术研究现状及发展趋势[J].能源研究与管理，2019（4）：7-13.
[5] 季佳.百万核电汽轮机故障安全控制技术的研究与应用[D].上海： 上海交通大学，2018.
[6] 余炎，李杨.核电汽轮机通流能力分析及优化[J].热力透平，2019，48（3）：192-195.
摘 要：近年来，在社会经济快速增长的背景下，国家相关部门越来越重视核电发展战略。尽管核电厂汽轮机的技术发展相对成熟，但依然存在改良或技术换代的空间。因此分析国内核电厂汽轮机现状，研究核电厂汽轮机发展趋势，是一项十分重要的工作。本文不涉及运行及控制方面的技术，仅将国内核电厂汽轮机汽缸特点、转速等主要技术区别罗列出来，以探讨未来汽轮机技术的可能发展方向。
关键词：汽轮机 高压缸 高中压合缸 低压缸 转速
中图分类号：TK26 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0065-03
Research on the Status Quo and Trends of Nuclear Power Plant Steam Turbines
TANG Li NI Xiaoshuai CAO Mengtian* GAO Shengqiang
（Research Institute of Nuclear Power Operations， Wuhan， Hubei Province， 430223 China）
Abstract： In recent years， in the context of rapid social and economic growth， relevant state departments have paid more and more attention to nuclear power development strategies. Although the technology development of nuclear power plant steam turbines is relatively mature， there is still room for improvement or technology replacement. Therefore， analyzing the current status of domestic nuclear power plant steam turbines and studying the development trend of nuclear power plant steam turbines is a very important task. This article does not involve the technology of operation and control， only the main technical differences such as the cylinder characteristics and speed of the steam turbines of domestic nuclear power plants are listed in order to explore the possible development direction of the steam turbine technology in the future.
Key Words： Steam turbine; High pressure cylinder; High and medium pressure cylinder; Low pressure cylinder; Speed
隨着我国经济的发展，总用电量逐步增大。要提高核电装机容量，就需要提高核热功率，相应的，汽轮机功率也应与之匹配，因此提高汽轮机功率也是非常重要的一环。梳理发现，随着技术的发展，汽轮机单机额定功率是逐步提高的，从最早的300MW到650MW，再到900MW，1000MW，1200MW甚至1750MW的各类型汽轮机都正在商运中。本文正是在总结目前国内核电厂汽轮机现状特点的基础上，探讨未来汽轮机发展的可能趋势。
1 国内核电厂汽轮机现状
国内核电厂汽轮机现状见表1。表1中给出了各核电厂汽轮机的“额定功率”“末级叶片高度”“额定转速”及“汽缸类型”4个参数。除石岛湾高温气冷堆汽轮机为超临界汽轮机外，从功率上看，随着技术的发展，单机功率总是增加的，这与经济发展、用电量增加和汽轮机技术的进步是相适应的;从汽机结构上看，随着额定功率从220MW增加到1750MW，汽机的进气量大幅增加，轴向推力大幅增加，为了保证汽机平衡，一般有双流高压缸和高中压合缸两种类型的布置。此外汽机的排气量也增加，这就要求要么增加末级叶片的长度，要么增加低压缸的数量;从汽机转速上看，额定转速则分为两档，分别为3000rpm和1500rpm。
石岛湾高温气冷堆汽轮机较为特殊，为保证总的发电量输出、热效率以及总体经济性，一回路氦气温度较高，出口温度达到750℃，而蒸汽发生器出口温度则达到了571℃，相应的，进入汽轮机的蒸汽参数也达到了火电汽轮机的参数级别;而又由于碳的慢化作用弱于水的慢化作用，不可能实现较大的一回路功率，因此与之匹配的二回路功率，即汽轮发电机总功率也不大。因此就出现了高温气冷堆汽轮机总功率小，而蒸汽参数较高的特点。总之，由于存在过大的差异，下文将目光聚焦在主流的核电厂汽轮机技术方面[1]。
2 发展趋势
2.1 末级叶片长度与低压缸数量 上文已说明，随着汽轮机功率的增加，末级叶片长度与低压缸数量都相应增加。根据汽轮机的功率方程N电=D·H理·η内·η机·η电/860（D单位kg/h，H理单位kcal/kg，N电单位kw），要增大汽轮机功率，就需要增加比焓降或蒸汽流量。要增加比焓降，则蒸汽要进行更多的膨胀，产生更大的速度，而汽轮机需要在最佳速比范围内工作，才能保证其工作效率，因此不能过大增加汽机转速。此外汽机额定转速的增加，受制于电网频率的牵制，以及叶片材料的限制;而根据连续性方程，流速一定的情况下，要增加蒸汽流量，则必须增加排汽面积，可以采用增加低压缸数量和增加末级叶片长度解决[2]。
2.2 增加末级叶片长度
增加末级叶片长度，受到叶片材料强度的制约。这是因为：1叶片跟随转子同步旋转，受到离心力的作用，长度越长，离心力越大，叶片断裂的风险越大。尽管可以采取降低转速的办法来降低离心力，如采用1500rpm的汽轮机技术。但即便采用这种技术，叶片也不可能无限制增加，总会受到离心力的制约;2叶片长度增加，汽缸缸体必定要加大，这会会带来材料、制造、安装及经济性等多方面的制约。
2.3 增加低压缸数量
增加低压缸数量，对缸体本身没有影响，但会受到转子制造、运输、安装及运行等方面的影响。对于整煅转子，制造、运输及安装，都会带来较大的困难。
从表1中可以看出，按照核电厂建造的先后顺序看，为增加汽轮机功率，普遍采用了增加叶片长度的方案，而低压缸数量多数则为2～3个不等。这也就是说，由于材料，制造等技术方面的进步，低压缸逐步实现了大型化，而不是简单的进行数量上的堆叠[3]。
2.4 全速机与半速机
核电厂汽轮机转速受外电网频率的牵制，在极对数确定的情况下，其同步转速也是确定的。正如上文所述，可以通过降低转速，即采用1500rpm的汽轮机技术，来实现末级叶片长度的增加，最终提升功率的输出。概括起来，全速机、半速机各有优劣[4]。
2.5 半速机相比全速机的优点
（1）提高汽机极限功率。
（2）改善末级叶片应力水平。
（3）半速机转子数量少，整个轴系分段少，故机组振动较小。
2.6 半速机相比全速机的缺点
从表1可以看出，海南核电厂采用的是与秦二厂相同的技术，所以仍使用3000rpm汽轮机技术。除此之外，早期核电厂汽轮机多为全速机，新建电厂则普遍采用半速机，与经济发展和技术发展相适应的。这也就是说，国内新建电厂采用1500rpm汽轮机技术是一个较为明显的趋势[5]。
2.7 双流高压缸或高中压合缸
近年来，出现了一些采用高中压合缸技术的机组，相比双流高压缸，高中压合缸的特点如下。
（1）由于合缸两侧结构不同，蒸汽参数也不同，轴向推力的平衡问题，胀差等参数的控制，是值得关注的。
（2）由于高压缸蒸汽参数较高，高压缸蒸汽压力较高，有蒸汽从高压缸窜入中压缸的可能性，因此两缸接合处的蒸汽密封显得非常重要。
（3）高中压转子制造工艺不一样，相当于一台机组要制造高压转子、中压转子和低压转子3种类型的转子，较双流高压缸多出一个类型。
（4）中壓缸较高压缸蒸汽参数要低，制造中压缸在汽缸和转子材料选择上可能成本更低。
（5）合缸进汽管线均安装在头部，经阀组与汽水分离再热器（MSR）连接，空间分布上较双流高压缸更为紧凑。
（6）核电厂汽轮机高中压合缸一般共有13级叶片，较双流高压缸少，意味着可能的制造成本减少以及轴系长度变短[6]。
3 结语
汽轮机是核电厂实现电能生产的重要一环，虽然汽轮机技术已经发展得较为成熟，但作为核电人，理应对其现状和将来的技术发展方向有清晰的认知。
参考文献
[1] 曾彬.基于模糊PID控制的核电厂汽轮机控制系统研究[D].上海： 上海交通大学，2018.
[2] 沈新生，林斌，张国栋，等.核电汽轮机状态监测评估技术[J].设备监理，2019（8）：22-23.
[3] 张海军.核电汽轮机超速影响因素分析[J].科技视界，2019（1）：11-13.
[4] 伍赛特.汽轮机技术研究现状及发展趋势[J].能源研究与管理，2019（4）：7-13.
[5] 季佳.百万核电汽轮机故障安全控制技术的研究与应用[D].上海： 上海交通大学，2018.
[6] 余炎，李杨.核电汽轮机通流能力分析及优化[J].热力透平，2019，48（3）：192-195.