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核电汽轮机结构设计及运行特点分析发布时间：2022-05-04T10:00:40.360Z 来源：《当代电力文化》2022年1期作者：丁浩[导读] 将核电厂技术特点作为研究的起点，分析压水堆核电站及相应的热力循环系统，丁浩福建福清核电有限公司福建福清 350318摘要：将核电厂技术特点作为研究的起点，分析压水堆核电站及相应的热力循环系统，通过对核电汽轮机技术特点进行探讨，分析在设计和结构上的应用特点，为理论及实践应用提供有力的支持。
核电厂的工作就是将核燃料轴在反应堆的裂变链式反应中产生的热量转变为电能，是我国目前重要的发电厂。
核燃料发生裂变反应主要通过热能的方式表现出来，通过一次、二次冷却剂的栽带和转变，通过蒸汽驱动汽轮发电机发电。
核电厂根据反应堆的不同可分为轻水堆核电厂、重水堆核电厂、石墨气冷堆发电常等。
轻水堆发电厂还可分为压水堆和沸水堆；石墨气冷堆可分为天然铀气冷堆及高温冷堆。
关键词：核电汽轮机；结构设计；运行特点在压水堆核电厂的运行过程中，向环境排放的放射性物质相比火电厂中粉煤灰排放的放射性物质含量较低，不会产生二氧化硫等有害气体。
相比气冷堆、重水堆、沸水堆等对比，压水堆的特点为功率密度高、结构紧凑、安全、操作简便、技术成熟、造价成分低等，因此成为了目前世界范围中核电厂最常用的类型。
我国的大亚湾、秦山等核电厂都采用的是压水堆类型发电，根据研究，在快中子增殖堆等发展成熟前，压水堆在我国核电厂的应用中有极大的优势。
一、关于压水堆核电厂压水堆核电厂就是通过压水反应堆通过核裂变能转变为热能，然后再形成蒸汽从而发电的核电厂。
压水堆的堆芯放置在压力容器中，水不仅是慢化剂，还是核心内燃料元件的一次冷却剂，能够将堆芯的热量带入蒸汽发生器的一次侧，传递到二次侧的水，在温度降低后再次进入堆芯，从而形成循环。
蒸汽发生器的二次侧中的水吸收热量，形成了具有一定压力的饱和蒸汽或微过热蒸汽，进入到汽轮机中做功。
做功完成后的蒸汽会进入到凝汽器中凝结成水，水泵再传输到蒸汽发生器二次侧，以此完成二回路系统[1]。
根据有关资料统计，截⽌到1996年底，我国已安装燃⽓轮机总量为4100MW，联合循环发电机组的容量占490MW。
1997～1998年期间新增加燃⽓轮机22台，其中联合循环发电机组为18台，新增容量为1607MW。
由于燃⽓轮机联合循环发电机组是燃⽓轮机、发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统，它是将燃⽓轮机作功后排出的⾼温乏烟⽓通过余热锅炉回收转换为蒸汽，送⼈蒸汽轮机发电，或者将部分发电作功后的乏汽⽤于供热。
常见形式有燃⽓轮机、蒸汽轮机同轴推动⼀台发电机的单轴联合循环，也有燃⽓轮机、蒸汽轮机各分别与发电机组合的多轴联合循环。
主要⽤于发电和热电联产，燃⽓轮机联合循环机组具有以下独特的优点：①发电效率⾼：由于燃⽓轮机利⽤了布朗和朗肯⼆个循环，原理和结构先进，热耗⼩，所以，联合循环发电效率⾼达60％，⽽燃煤电⼚(0.75～600)MW机组发电效率仅20％～42％。
②环境保护好：燃煤电⼚锅炉排放灰尘很多，⼆氧化硫多，氮氧化物为200PPM。
燃机电⼚余热锅炉排放⽆灰尘，⼆氧化硫极少，氮氧化物为(10～25)PPM。
⑧运⾏⽅式灵活：燃煤电⼚，仅只能作为基本负荷运⾏，不能作为调峰电⼚运⾏。
燃机电⼚，不仅能作为基本负荷运⾏，还可以作为调峰电⼚运⾏；燃机为双燃料(油和天燃⽓)时，还可以对天然⽓进⾏调峰。
④消耗⽔量少：燃⽓⼀蒸汽联合循环电⼚的蒸汽轮机仅占总容量的1／3，所以⽤⽔量⼀般为燃煤⽕电的1／3，由于凝汽负压部分的发电量在全系统中⼗分有限，国际上已⼴泛采⽤空⽓冷却⽅式，⽤⽔量近乎为零。
此外，甲烷(CH4)中的氢和空⽓中的氧燃烧还原成⼆氧化碳和⽔，每燃烧1m3天然⽓理论可回收约1.53kg⽔，每公⽄可回收2.2kg⽔，⾜以满⾜电⼚⾃⾝的⽤⽔。
⑧占地⾯积少：由于没有了煤和灰的堆放，⼜可使⽤空冷系统，电⼚占地⼤⼤节省，占地仅为燃煤⽕电⼚的10％～30％，节约了⼤量的⼟地资源，这对地少⼈多的中国⾮常重要。
目录GE公司“H”联合循环燃机系列介绍 (2)H型燃气轮机蒸汽冷却技术的开发及技术特点 (4)H级燃气轮机进入南韩 (9)西门子效率超过60%的H级燃气轮机成功推向市场 (9)GE公司“H”联合循环燃机系列介绍21世纪的发电系统—通用电气“H”联合循环燃机系列介绍“H”系列的背景及基本原理使用燃机发电50年来一直在持续稳定地增长，燃机循环自身所固有的性能使其比常规电厂拥用更高的功率密度，更高的热效率以及更低的排放。
燃机的性能是由燃点温度决定的，它和单位功率有直接的关系，反过来又影响发电的燃耗。
这就意味着燃点温度的增高可以提供更高的热效率（降低发电的燃耗），同时提供更高的单位β剩?堪醮┕?钙降目掌?刹嗟牡缌浚??/P> 通过使用飞机发动机材料和冷却技术，可以允许GE工业燃机的燃点温度稳定增高，当然燃烧室的高温同时产生更多地的NOx。
在本文的“概念设计”部分，我们将阐述GE “H”系列如何解决NOx问题，如何能将燃点温度比目前“F”系列燃机提高2000F/1100C而同时将NOx排放量维持在“F”型燃机的水平。
通用电气的业务涵盖不同类型的业务，公司的各项业务得以兴旺发展，部分原因正是借助于改良技术的迅速引入和运用。
公司的一线技术开发部门就是坐落在纽约的GE研发中心。
H系列新产品引进部也坐落在此地，是他们将GE研发中心的研究成果引入到生产中。
另外还有一些正式的技术协会，如热碍喷涂协会，高温材料协会，NOx干燥剂降低协会也在协同推广工作，支持新技术的发展。
GE发电部及GE飞机发动机部在很多方面协同作战，包括NOx干燥剂降低测试手段、压气机元件和汽轮机元件等方面。
GE的制造厂拥有独特的资源，GE飞机发动机部可以派出200名工程师到GE研发中心和GE发电部支持H系列的开发工作，这只有在GE公司才做得到。
这些调入人员都成为H系列设计与系统部的中坚力量，而“H”系列的技术由GE发电部及GE飞机发动机部共享资源，包括实验数据和分析源码。
联合循环汽轮机特点初探
李曦滨
【期刊名称】《东方汽轮机》
【年(卷),期】1996()2
【摘要】结合１０５ＭＷ联合循环汽轮机的初步设计，介绍了该种该汽轮机的机理和分类，比较了它和常规电站汽轮机的一些不同之处，以及由之产生的汽轮机设计方面的一些新特点。
【总页数】9页(P18-25)
【关键词】联合循环;汽轮发电机;设计
【作者】李曦滨
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TM311.02;TM611.31
【相关文献】
1.某300MW联合循环机组汽轮机系统及启动运行特点 [J], 张杰;刘绪芳
2.热电联供联合循环蒸汽轮机的技术特点 [J], 刘绪芳;唐礼
3.新一代F级联合循环汽轮机通流设计特点 [J], 金光勋;李杨
4.燃气—蒸汽联合循环机组汽轮机旁路系统特点分析 [J], 张巍
5.F级联合循环调整抽汽系列汽轮机结构特点 [J], 陈倪;张立建;沈坚;胡泽丰;赵忠伟;刘纪伟;姚默然
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燃气蒸汽联合循环机组单轴与多轴配置的特点及方案比较摘要：联合循环机组中的燃气轮机、汽轮机和发电机的不同布局关系而形成的轴系配置型式，与电厂的总体布置和厂房结构、检修方式等有关，而且对机组运行、操作与性能（特别是变负荷）以及投资成本等都有很大关系。
本文将从电气设备、控制系统、安装、运行特性、维修、建设安排、事故影响等方面对不同配置方案进行对比分析。
关键词：燃气轮机；联合循环机组；方案1.引言燃气－蒸汽联合循环机组有单轴机型和多轴机型两大类。
所谓单轴即燃机、汽机、发电机共用一根轴；多轴是指燃机和燃机发电机一根轴，汽机和汽机发电机另一根轴。
早期机组配置中一般大容量燃机用于调峰，多配单轴；容量较小的常用于热电联产，一般按多轴配置。
近几年大型燃机用于热电联产的工程增多，对于此类项目，也有单轴和多轴两种布置。
一般在供热量不是很大的情况下可选用单轴机组，在供热量较大的情况下则选用多轴机组较多。
2.单轴配置的特点单轴布置的配置方式即燃气轮机、发电机和蒸汽轮机串联安装在同一根轴系上，由燃气轮机和汽轮机共同驱动一台发电机。
发电机可以位于燃气轮机和汽轮机之间，也可以位于汽轮机排汽端。
这种方案只能用于单台燃机、单台余热锅炉和单台汽轮机匹配的情况，即所谓1+1+1单轴布置方案。
单轴配置又有两种方式：2.1发电机尾置方式燃气轮机+向下排汽的汽轮机+发电机的连接方式，简称发电机尾置方式。
这种连接方式的优点是：发电机位于机组端部，发电机出线和检修时抽转子比较方便。
缺点是：①汽轮机在中间，汽轮机向下排汽使整套联合循环机组必须布置在较高的运转层上。
②发电机只有当燃气轮机和汽轮机都安装完毕后才能投运，不利于安装周期较短的燃气轮机及早投产发电。
③运行中蒸汽系统出现故障时，燃气轮机仍拖着汽轮机空转，一方面汽轮机不能停机检修，另一方面汽轮机叶片鼓风发热，还必须设置小的辅助锅炉，产生辅助蒸汽通入汽缸进行冷却。
④汽轮机正常启动时，也需要辅助蒸汽汽源提供轴封汽和汽轮机一开始空转时汽缸所需的冷却蒸汽。
联合循环发电厂的特点及发展趋势TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-联合循环发电厂的特点及发展趋势樊守峰程政 [西北电力设计院 ] 2003-07-25前言与常规的燃煤电厂相比较，联合循环发电厂以其启动时间短、所需冷却水量少、占地面积小、建设周期短、环保效益明显，可有效地调整电力需求峰值等诸多优点而备受世界各国的重视。
近二十年来，美国、日本、英国、法国和韩国等国家都在大力兴建联合循环发电厂。
在日本联合循环发电容量近五年内将翻一番[1]。
我国的香港特别行政区建成世界上最大的联合循环发电厂-香港龙鼓联合循环电厂，设计容量为8台32万kw机组[6]。
随着人们环境意识进一步地增强及黄金时间用电负荷需求的不断上升，在我国很有必要在天然气丰富地区大力发展联合循环发电厂。
1 联合循环构成方式及其各自的特点按照燃烧方式的不同可分为：(1)排热回收型图1为排热回收型联合循环发电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)系统简单；(b)燃气轮机出力高；(c)启动时间短；(d)系统总效率与燃气轮机入口温度有关，即燃气轮机入口温度愈高，系统总效率愈高；(e)汽轮机不可能单独运行。
(2)排气助燃型图2为排气助燃型联合循环发电厂要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)助燃量越大，汽轮机出力越大；(b)启动时间短；(c)汽轮机不可能单独运行；(d)助燃燃料量越大，凝汽器凝结水量越大。
(3)排气再燃型图3为排气再燃型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)汽轮机出力大；(b)在利用全部燃气轮机排气的情况下，全厂效率最大；（c）锅炉燃料消耗量与燃气轮机燃料消耗量无关；（d)燃气轮机和汽轮机可以单独运行；（e）运行控制系统复杂(4）增压锅炉型图4为增压锅炉型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)汽轮机出力大；(b)锅炉燃料消耗量受燃气轮机的限制；（c）燃气轮机和汽轮机不可能单独运行；（d）增压锅炉传热效率高，因此锅炉的传热面积及体积减小，但锅炉的耐压性要求高于其它锅炉。
第38卷 第3期2009年9月热力透平THERMAL TURBINEVol.38No.3S ept.2009HE 型联合循环汽轮机结构特点分析陈 倪,董 真,沈 坚(上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂,上海200240)摘 要:通过对引进西门子HE 型联合循环汽轮机的总体布置和结构特点的描述,分析了该汽轮机的独特性和先进性所在,为今后同类型汽轮机的自主设计起到引导和借鉴作用。
关键词:H E 汽轮机;联合循环;结构特点;先进性中图分类号:T K 263 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2009)03-0153-03Structure Characteristics of HE Combined Cycle Steam TurbinesCH E N N i,DON G Zhen,SH EN J ian(Shanghai Electric Power Generati on Equipm ent Co.,Ltd.Shanghai Turbine Plant,Shanghai 200240,China)Abstract: T his paper pr esents the particular cha racteristics of Siemens H E combined cycle steam tur bines,and analyzes its uniqueness and adv antag e,w hich can g ive a r efer ence to t he design of similar steam tur bines.Key words: H E steam turbine;combined cycle;structure characterist ic;advantage收稿日期:2008-05-16作者简介:陈倪(1965-),1985年毕业于上海机械学院动力系,现任上汽轮机厂设计研究所设计二室主任,多年来一直从事汽轮机结构设计开发。
0 前言上海电气在我国第二捆燃机项目中向西门子引进了配F 级燃机的H E 型联合循环汽轮机的技术,并陆续生产了9台,已在4个电厂全部投入运行。
该汽轮机在结构合理性、运行灵活性、高效节能方面都是非常出色的,在同类型机组中居世界先进水平。
其结构设计从总体到局部都经过了缜密的构思,先进、独特而又合理,这些先进的设计方法可供借鉴以提高自身设计水平。
本文从总体布置和结构特点这两大方面对该型号汽轮机最主要的特点进行描述和分析。
1 总体布置1.1 单层同轴布置该型号汽轮机为双缸、三压再热型。
与西门子其它同类产品一样,该汽轮机采用了模块化的设计,即采用了H 和E 两个模块(亦称H 缸和E 缸)。
除了这两个模块之外,该机组还配置了一个自同步离合器。
使得整套联合循环机组自前到后由燃气轮机、发电机、自同步离合器、汽轮机H 缸、汽轮机E 缸几大部分构成同轴布置,如图1所示。
这也正是西门子H E 型联合循环机组总体布置的一大特点。
图1 燃气轮机、发电机、汽轮机布置示意图由于汽轮机部分为双缸结构,汽轮机转子由高压和中低压2根转子组成,两者之间刚性连接,采用三支点支承方式。
考虑了自同步离合器的支承后,汽轮机部分共有4个轴承,分别装在落地式的前轴承座、中轴承座和座缸式的后轴承座内。
其中,中轴承为袋式轴承,集径向轴承和推力轴承为一体,为机组相对死点;汽轮机的绝对死点也设在中轴承座处。
H E 型联合循环汽轮机结构特点分析该机组总体布置的另一大特点是单层布置,这得益于汽轮机E 缸独特的轴向排汽方式。
因此,凝汽器布置在E 缸的后端,而汽轮机的出轴则设于高压缸的前端,这一点也是与常规汽轮机明显不同的。
同轴、单层布置使电厂整个工程的造价大大降低,带来了极大的经济和社会效率。
1.2 自同步离合器由图1可以看出,发电机位于燃气轮机和汽轮机之间。
发电机转子与燃机转子直接刚性连接,而与汽轮机转子则是通过自同步离合器连接在一起的。
其目的是在燃气轮机和汽轮机同轴布置的情况下,使燃气轮机的启动和运行不受汽轮机的制约,也就是汽轮机在必要时可以连接或断开燃机发电机组,以实现联合循环或燃机单循环。
该离合器是英国SSS Gear Ltd.公司的专利产品,又称SSS 离合器(其典型结构见图2)。
它是一种中继式、低速保护型离合器,中继式离合可以保证啮合、脱开的可靠性,低速保护可保证离合器的输入端(汽轮机端)在低于某个转速时离合器不产生啮合动作,不妨碍汽轮机转子正常的低速运转,如停机状态下的盘车。
图2 SSS 离合器结构原理图SSS 离合器还具有吸收汽轮机、发电机转子膨胀的功能。
汽轮机、发电机转子各有自己的死点,并向离合器方向膨胀而产生差胀,SSS 离合器在结构上保证了可以吸收这个差胀。
虽然SSS 离合器的采用使轴系稍显复杂,但它带来的好处也是明显的。
它使燃气轮机的启动和运行不受汽轮机的制约,可实现燃机单循环运行;汽轮机启动后可通过SSS 离合器连上发电机,输出功率;在SSS 离合器脱开状态下,汽轮机还可独自进行维护。
因此,SSS 离合器的采用,大大增加了联合循环机组运行的灵活性,缩短了联合循环的启动时间,降低了运行成本。
SSS 离合器的采用是整个联合循环装置的一大亮点,并已逐渐成为许多联合循环设备供应商和电厂用户的首选。
1.3 配汽机构)))无导汽管布置该H E 型汽轮机配备了三组阀门:主汽阀组、再热阀组和补汽阀组。
它们有着共同的特点,都是直接固定在汽缸上,其间无导汽管连接。
其中主汽阀组为焊接式,其它为法兰连接式;下方都用支架支撑自身重量,以利于汽缸热胀。
图3所示为再热阀组与汽缸直接连接的结构型式。
图3 E 缸三维模型图由于阀门与汽缸直接连接,无导汽管,所以它具有蒸汽压损极小、效率高的特点;加之采用了中低压合缸模块,没有中低压联通管,因而实现了本体无导汽管布置,使整个机组结构更加简洁和高效。
1.4 固定式前轴承座)))独特的滑销结构前轴承座内仅装有SSS 离合器轴承、前轴承和SSS 离合器,不仅落地,而且前轴承座是固定于基础上的。
H 缸的后猫爪支承在中轴承座上并作轴向定位,前猫爪支承在前轴承座上,H 缸的热胀使前猫爪在前轴承座上产生滑动。
由于前轴承座不参与热胀滑动,使得前轴承座包括轴承与支承在轴承上的转子重量均不产生磨擦阻力,仅H 缸静子部分的约一半重量在滑动面上产生磨擦阻力,使磨擦阻力降至最小,极大地有利于H 缸的热胀。
2 结构特点2.1 H 缸)))圆筒型设计H 缸采用的是西门子独特的圆筒型设计,圆筒型汽缸的优点已经为业界所认识,它可以减小154运行中产生的应力,加快启动速度,提高设备寿命,这些对联合循环汽轮机来说尤为重要。
图4所示为H缸的结构示意图。
图4 H 缸纵剖面示意图该H 缸采用内外双层缸设计,除外缸采用了圆筒型的特色设计外,还有以下几个特点:(1)高压进汽为切向进汽如图5所示,主蒸汽由外缸进汽口,经内外缸夹层后,切向进入内缸作功。
切向进汽明显减小了蒸汽压损,提高了效率。
E缸的再热进汽也同样采用了切向进汽。
图5 高压切向进汽(2)内缸低应力设计内缸为中分面型,可以看到,整个内缸都被高温高压蒸汽包围,使中分面螺栓以及缸体自身不受到高压蒸汽张力,虽然级份越往后内外温差越大,但壁厚也越薄,温度应力的分布偏均匀。
而内缸轴向定位外圆所受到的轴向力,通过结构的巧妙设计互相抵消而达到最小。
端部的端盖因其工作在压力较低的汽封区域,使固定端盖的螺栓受力很小。
2.2 E 缸)))轴向排汽E 缸模块采用的是中、低压合缸的结构型式。
中压部分采用内外双层缸结构,低压部分则采用持环型式。
流道设计成中压逆流、低压顺流的反流形式,以减小转子轴向推力。
转子采用焊接转子,以解决中压段的FAT T 和低压段的机械强度问题。
E 缸最大的特点在于轴向排汽,其优点如1.1所述。
除此之外,E 缸还有另外几处独到的设计:图6 E 缸纵剖面示意图(1)外缸采用铸铁材料虽然中压部分的进汽为经过再热的高温蒸汽,但外缸仍采用铸铁材料,这得益于两点,一是进汽部分的合理设计,二是以中压的内外缸夹层作为中压排汽通向低压部分的通道,使外缸的工作温度降低。
外缸采用铸铁材料可大大降低机组成本,同时使整个汽缸的刚度得到提高。
(2)空心静叶汽轮机的末级静叶采用由模锻成型钢板拼焊而成的空心结构,其空心的腔室经特别设计的通道与凝汽器相连,在静叶顶部一定高度表面上加工有若干小孔。
这种独特设计在节约材料和成本的同时,还起到了高效的除湿作用。
利用这些小孔和凝汽器真空,将静叶表面的水分吸出并排入凝汽器,比起传统的除湿手段,这种小孔除湿的方法在除湿效能上要强许多。
(3)液压驱动的回转设备该机组回转设备位于转子排汽末端,由液压马达驱动,液压马达与转子之间采用超越离合器连接。
液压马达在正常盘车时采用高压顶轴油驱动,其它时间采用轴承润滑油驱动。
这种设计的优点是:1)由于与转子同轴,采用超越离合器自动啮合和脱离,不存在常规回转设备中需齿轮啮合脱开的过程,动作可靠;2)采用顶轴油驱动,只要顶轴油压建立,就驱动液压马达进行盘车,不需另(下转第201页)程持续的时间更短、受到的扰动更小。
5 结论通过仿真结果可以看出,串级负荷控制系统仿真模型在控制参数优化整定后,不仅可以实现真实系统的控制功能,而且控制性能有较大提高。
另外,本文所采用的图形化建模方法,可以对真实系统快速建模,开展仿真研究,降低新算法应用的风险性,避免控制参数调整的盲目性,对真实控制系统优化运行起到预测和指导作用。
参考文献:[1]金以慧.过程控制[M ].北京:清华大学出版社,2000.[2]高伟等.300M W 汽轮发电机组负荷控制模型与仿真研究[J].汽轮机技术,1994(7).(上接第155页)设TSI 元件测零转速来启动盘车,系统简单而合理;3)汽轮机升速越过液压马达转速时,超越离合器使转子自动与液压马达脱离;4)采用DENISON CA LZONI 的MR 型径向活塞式液压马达(如图7所示),具有高机械效率、低油耗、大输出扭矩、高可靠性等特点。
图7 液压马达3 小结H E 型汽轮机的设计无疑是先进的,其单层同轴布置、SSS 离合器、高效的配汽机构、固定式前轴承座、圆筒型高压缸、中低压合缸、中空静叶、液压回转设备,以及其它细节(如不设同轴主油泵、采用电超速等)构成了整个H E 汽轮机的灵魂。
不仅如此,它的叶片、辅助系统、控制系统等都有其独特和先进的设计,使整个机组的优良性能在电厂得以充分体现。
事实上,西门子仍在对该产品进行优化改进,如改E 缸的反流为顺流等。
随着对清洁能源需求的不断增加,H E 型汽轮机将会有更好的市场前景。
参考文献:[1]何劲,董真,陈倪.西门子H E 型联合循环汽轮机的技术特点[J ].上海电力,2006(1):9-12.。
