岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究姓名：周富涛申请学位级别：硕士专业：核能和核科学技术指导教师：匡波;黄海飞20090501上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究 摘 要 岭澳核电站汽轮发电机组设计额定功率为 990MW，经过分析研究，发现其汽轮机高压缸隔板设计通流面积偏大 57，保守估计导致机组少发电 7.5WM。为解决此问题，需进行汽轮机高压缸通流改造，把原隔板更换为通流面积减小的新隔板，使汽轮发电机机组出力至少提高5.5MW。由于电站系统设备的设计冗余，机组 1的功率提升对一般系统设备影响有限。而自电站投产以

2、来，发电机就存在温度偏高的问题，因此发电机是限制机组出力提升关键因素。本文对机组功率提升后，影响发电机安全运行的各方面因素进行了分析评价。同时，汽轮机高压缸通流减小后，汽轮机高压缸一级前进汽压力会升高，从而影响相关的机组运行控制系统：反应堆棒控系统（RGL）和汽轮机调节系统（GRE），本文对此影响进行了分析并提出了处理方法。对于电站投资较大的改造，利用动态收益的原则，本文对机组提高出力改造进行了成本利益分析，通过改造投资，维修成本，仓储成本，发电收益等多方面的分析比较，得出了改造的经济可行性结论。本文通过对岭澳核电站汽轮机提高出力改造的综合性分析，提出此改造对发电机安全运行的影响是可以接受的，

3、对运行控制系统的影响可以通过修改刻度控制曲线予以解决；经过改造的经济利益分析，改造的 收益大于成本，从经济的因素考虑也是可行的。上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 关键词：关键词：岭澳核电站，汽轮机，提高出力，可行性研究 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 FEASIBILITY STUDY ON TURBINE POWER OUTPUT INCREASE OF LING AO NUCLEAR POWER STATION ABSTRACT Based on the structure analysis of turbine with the rated

4、 output of 990MW in Ling Ao nuclear power station,it is found that diaphragm in the HP cylinder of turbine has 5%-7%higher designed flux area,which,conservatively,will cause the generators output drop by at least 7.5MW.In order to eliminate the defect,it is necessary to reduce the turbine high cylin

5、der flux area by replacing diaphragms,which would increase the turbine output by at least 5.5MW.Because of the redundant design of equipments in nuclear power plant,the one percent of turbine output increase will have limited influence on common equipments,but do have obvious impact towards generato

6、rs output.In this thesis,a more detailed analysis and evaluation on the impacts towards the generator after output increase has been carried out.Meanwhile,the decrease of turbine HP cylinder flow flux will cause increase of the 1st stage inlet pressure of turbine that would further influence the rel

7、evant operation control system of the unit,including Full Length Rod Control(RGL)and Turbine Governing(GRE).The thesis analyzes the influence and puts forward pertinent countermeasures.For modification projects with high investment,based on the principle of dynamic benefit,the thesis makes detailed

8、benefit-cost analysis on the modification project of turbine output increase and receives the conclusion of economical feasibility of the modification project by comparing and 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 analyzing such many aspects as modification investment,maintenance cost,warehouse cost,genera

9、ting benefit and so on.Through comprehensive analysis on the turbine output increase modification of Ling Ao nuclear power station,the thesis draws the conclusion that the modification influence on the generator is acceptable and the influence on operation control system may be eliminated by correct

10、ing the calibration curve,and the result of benefit-cost analysis with benefit exceeding cost shows that the modification project is also economically feasible.Key words:Ling Ao Nuclear Power Station,Steam Turbine,Output Increase,Feasibility Study 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在

11、导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：周富涛 日期：年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段

12、保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：周富涛 指导教师签名：匡波 日期：年 月 日 日期：年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 引言 国家经济发展离不开对能源的需求，在可再生能源成本高昂的情况下，有限的不可再生能源仍然是能源需求的主要提供者，因此我国已经把节约能源上升到国家战略的高度。修订后的中华人民共和国节约能源法自 2008 年 4 月 1 日起施行，其把推动企业进行节能技术改造作为一项重要内容。中华人民共和国节约能源法明确指出，“能源资源问题是

13、关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题。我们要从推动我国经济社会持续发展和人民生活水平不断提高的全局出发，全面分析能源资源形势，深入研究能源资源问题，全面做好能源资源工作，促进形成可持续的生产方式和消费模式，建立资源节约型国民经济体系和资源节约型社会，为实现全面建设小康社会的宏伟目标和我国的长远发展提供可靠的能源资源保证。”节约能源“是坚持和落实科学发展观的必然要求”，我们要“加快建立能源资源技术支持体系，加大国家对能源资源技术开发资金的投入，加紧研究开发影响未来能源资源发展方向的重大技术，集中力量研究开发提高能源资源利用效率的技术，依靠科技进步增强节约能源”。为适应我国日益增长的能源需求

14、，国家对核电发展的战略规划由“适度发展核电”调整为“积极发展核电”。在中国核电中长期发展规划（20052020）中，国家确定了“核电装机容量要在2020 年达到 4000 万千瓦的目标，并要求统一发展技术路线，坚持自主设计和创新，努力形成批量化建设先进核电站的综合能力”。目前我国再建核电机组 12 台（岭澳二期，阳江一期，宁德一期，红沿河一期，秦山二期扩建），在建装机容量超过 1000 万千瓦，已成为世界在建核电站最多的国家。随着科学技术的发展，新建核电站所使用的技术越来越先进。相对于新建核电站，在运核电站在成本压力逐渐增大，竞价上网逐渐推广的情况下，发电厂之间的竞争越来越激烈，对在运核电站设

15、备系统进行技术改造以提高其机组出力，已成为在运电站降低成本、提高收益，增强竞争力的一个普遍采用的方法。随着我国经济的发展，电力市场化程度的加深，发电厂竞价上网的压力随之而来，核电站运营者不得不面对发电成本的压力。世界核电复苏在即，国际铀价从现货价每磅八氧化三铀 10 多美元涨到最高 2007 年每磅八氧化三铀 136 美元，目前其期货价稳定在每磅八氧化三铀 70 美元的水平。1一般情况下，核燃料成本在核电站发电成本中占有的比例约 27左右。对于核电站，其换料周期和换料数量是固定的，如果通过技术改造提高机组的出力，则在燃料总价不变的情况下增加了发电量，就降低了单位电价的发电成本。根据功率提升幅度

16、和方法，美国核管会（NRC）将提升功率分为 3 类2：第一类是测量精度改进（MU）,该类主要是通过提高给水流量的测量精度来提升额定功率，提升幅度一般小于 2%。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 一般是安装西屋公司设计的精度为 0.6%的超声波给水流量计 CROSSFLOW UFM，据此就可以将堆功率提升 1.4%；第二类是设计余量利用改进（SPU），该类主要是尽可能利用现有系统和设备的设计余量来提升功率，其提升幅度就取决于这些设计余量，但一般小于 7%。其涉及的改进主要是设定值的修改（比如一回路稳压器和蒸汽发生器高低压或水位定值等），并没有重大系统和设备的改进或更换。第三

17、类是大幅度功率提升改进（EPU），幅度大于前面的 SPU，现 NRC 已批准的最大的提升幅度为 20%。该类可能涉及重大设备的更换或改造，比如蒸发器 SG、汽轮机、发电机和主变压器等。对于我国的在运核电站，机组运行时间相对美国核电站较短，系统设备相对较新，核岛系统在短时间内花费较低成本进行改造，以提高机组出力的可能性及必要性较小。而常规岛汽轮机由于设计时计算的误差，往往存在较大的裕度，随着汽轮机设计及计算水平的提高，目前已经可以较为精确的进行汽轮机通流计算。通过修改汽轮机通流的设计，可以较大的提高机组的出力，增加发电量。同时，汽轮机通流改造不涉及核安全的因素，评估及审批流程较为简单，方案确定后

18、，可以很快在现场实施，机组提高出力的收益可以在短时间内予以显现。1.2 课题研究的工程需求和现实意义 岭澳核电站汽轮机组额定电功率 990MW，以大亚湾核电站汽轮机（额定电功率 984MW）为参考机组设计，并利用先进技术对汽轮机转子和冷凝器进行了局部改进。岭澳汽轮机高压转子采用 R24 叶型整体自带围带预扭叶片代替原来大亚湾的铆接围带叶片，其动叶顶部是平滑的斜面，这样一方面降低了叶片蒸汽弯应力，消除了围带连接片出现裂纹的隐患，增强了设备可靠性；另一方面新叶型使流道光顺，提高了叶片效率，机组效率由 33.9%增加到 34.1%。对应的机组出力提高了 6MW。同时岭澳核电站冷凝器也进行了优化，钛管

19、布置由大亚湾的椭圆形改为了手掌型，传热效果更好，在额定热功率的情况提高了冷凝器的效率。相对大亚湾机组，经过优化后的岭澳核电站冷凝器，在夏季可以给机组带来 7-9MW 的电功率优势，在冬季时大约有 1-3MW 的电功率优势。可以看出，ALSTOM 在设计岭澳核电站机组时留有较大的裕度，按照上述值计算，岭澳核电站的设计功率最大应该能够达到 997999MW。而在岭澳核电站投产后，其实际电功率只能达到 990MW 的保守设计值。究其原因，是由于岭澳核电站汽轮机高压缸通流面积偏大 5-7%。核电汽轮机具有容积流量大、等熵焓降相对较少的特点，等熵焓降损失对汽轮机出力影响很大，由于汽轮机高压缸通流面积设计

20、偏大，高压缸一级前的进汽压力比设计值降低，为保证进入汽轮机的热功率不变，汽轮机高压调节阀将关小（否则流量变大，热功率变大），造成主调节门节流损失增大，汽轮机高压缸级效率降低，最终影响机组出力，导致岭澳核电站机组电功率只达到 990MW，偏离了预期目标。对于岭澳核电站系统设备本身，都是按照百万千瓦机组进行设计的，这些系统设备的设计冗余具备把机组功率向上提升的空间。对于外部电力市场，由于核电机组功率大，运行稳定，基本处于机组满发状态，在可能的情况下提高机组出力，即使是几个兆瓦，也将带来可观的经济收益。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 岭澳核电站汽轮机高压缸通流面积偏大，从而影

21、响机组出力的原因已比较清楚，解决此问题仅需更换汽轮机高压缸隔板，减小通流面积即可。其结果是在燃料成本不增加的情况下，投入较少的改造成本，就可以有效提高机组出力，获得较为可观的经济效益。因此，在此基础之上进行岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究，据是必要而有现实意义的。1.3 国内外现状 1）提高汽轮机出力改造的目的 核电站一回路的水经核反应堆加热后进入蒸发器，在蒸发器中对二回路中的水进行加热变成水蒸汽进入主汽轮机，经过主汽轮机静叶降压加速的蒸汽汽流冲击汽轮机转子动叶，使汽轮机转子带动发电机转子一起旋转，从而在主汽轮机中实现了热能向机械能的转化。4 汽轮机通流部分是指由汽轮机隔板静叶片和转子

22、动叶片组成的蒸汽通流做功的通道，对通流部件进行改造将直接影响到汽轮机的做功能力。一般来说，汽轮机的通流设计每隔 20 年就会有一次比较明显的技术进步，如汽轮机的末级叶片长度从最初的四十几厘米发展到现在的近一米，导致汽轮机的排汽余速损失更小；汽轮机的叶型从最初的直叶片到简单弯扭叶片再到联合弯扭成型后加载叶片，导致叶片两端的根部损失更小；汽轮机的轴封从最初的齿型密封到蜂窝密封再到刷式密封，导致汽轮机的轴向漏汽损失更小。提高汽轮机出力改造的常用方法是保留汽缸及转子，更换隔板、动叶、汽封等蒸汽通流部件。目前国内核电站的 3000rpm/min 全速汽轮机大多为 80年代末的成熟技术，主要存在的问题有：

23、?低压缸末级叶片太短，导致余速损失太大，如果将末级叶片换成稍长的叶片，末级通流面积将大大增大，余速损失将大幅减小。另外，还可以通过对低压缸末级扩散器进行优化设计，减小排汽损失。如果对低压缸末级叶片和扩散器进行改造，可以提高机组出力510MWe。?国内全速汽轮机高压缸采用的是传统二元流设计技术，而实际叶片级中的流体流动呈强烈的三元特征，这导致采用二元流设计技术的汽轮机高压缸与采用三元流设计技术的汽轮机高压缸效率有一定的差距，100 万千瓦级汽轮机高压缸采用二元流设计技术比采用三元流设计技术出力差别可以达到 1015MWe。?低压缸末级叶片由于是汽轮机中最长的叶片，全速汽轮机与半速汽轮机相比较，高

24、转速对低压缸末级叶片的影响最大，汽轮机长期运行可能造成叶片根部发生裂纹，影响汽轮机的安全性。在不改变核电站核岛热功率输出的情况下，通过汽轮机通流部件的升级改造能够在投资不大的前提下，有效提高汽轮机的出力水平，降低单位发电量的热耗，提高行业技术水平和经济效益。2）改造的主要原理和技术途径 汽轮机技术的重点是通流部分设计，在汽轮机技术发展的初级阶段，机组容量很小，叶片上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 一般是短叶片、直叶片，叶型也较简单，缸效率一般只有 40%50%左右；随着机组容量和参数不断提高，叶型采用流线型，汽缸效率提高到 70%左右；在三四十年前汽轮机技术发展到三元流动

25、理论，叶型采用流线型变截面叶片、扭叶片、长叶片等。采用三元流场设计技术应用于高压缸、采用较长的末级叶片应用于低压缸、采用新型扩散器应用于排汽口是提高汽轮机出力改造的关键技术。目前国外主要有以下几种三元流场设计技术：?弯扭联合成型技术 传统的叶片采用单纯扭转成型技术，不能减少汽道两端壁的附面层，而采用弯扭联合成型技术的叶片，能够通过叶片的弯曲，使蒸汽在叶片两端通流少，在叶片中间通流增多，这样就能够有效减薄端壁附面层从而降低二次流损失。?斜置静叶技术 斜置静叶技术的着眼点在于减少静叶根部的二次流动及相应的损失。正倾斜的静叶在其根部产生一个径向负梯度，在负梯度的作用下，壁面附面层被吸入主流导致其减薄

26、，从而降低该壁面的二次流损失。但采用该技术叶顶的附面层有增厚，所以叶顶的二次流损失有略微的增大。但两者的综合效果仍是二次流损失有明显的降低。?可控涡技术 传统的自由涡设计方法所得到的静叶出汽角沿叶高逐渐增大，这会导致两种不利后果：一是动叶顶部漏汽量增大；二是动叶顶部汽流速度过高使叶型设计增加了难度，而且在顶部端壁易产生较强的二次流。可控涡技术的设计思想是将静叶片沿叶高扭转，使汽流出汽角在叶片上部逐步减小，以降低顶部级间压力，控制反动度沿叶高的变化，使级的做功能力沿叶高合理分配，减小顶部漏汽和二次流损失。目前国外采用的高效率、高可靠性的末级长叶片技术：全速汽轮机受当时技术水平限制，其末级叶片长度

27、与借助现代科技水平开发的长叶片有较大的差距，国外目前已经开发出 1070mm 末级叶片，比国内在用的叶片长 100mm 以上，采用这种长叶片不仅能保证汽轮机的安全，而且还较大程度地降低了低压缸排汽的速度和排汽损失。由于末级功率约占整机功率的 10%，因此，末级的改造可以使整机出力提高 510MWe。另外，借助现代科技开发的长叶片还可以与排汽口达到良好的匹配，使动叶出口静压沿出口近似为一常数，避免环向流动，做到轴向排汽，这样不仅有利于减小余速，而且有利于排汽缸扩压段的余速动能回收。目前国外新型扩散器的技术：末级动叶出口顶部和根部用型线导流板构成环型扩压通道，国外导流板的型线设计采用全三维黏性流动

28、计算或吹风试验为依据，采用这样设计的导流板配合新型末级叶片，就可以使排汽余上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 速有较大程度地降低，并有利于扩散器余速动能的利用。国内在引进、消化、吸收国外通流技术的基础上，已有火电厂汽轮机三元流场改造的成功经验，但还没有掌握核电汽轮机通流改造的技术。3）岭澳提高汽机改造所涉及的特殊问题 火电厂蒸汽参数高，蒸汽比容小，汽轮机蒸汽流通面积相对较小，所以通流一般采用喷嘴调节。如图 1：喷嘴由顺序阀控制，蒸汽部分节流。图 1 汽轮机喷嘴调节 Fig.1 Turbine nozzle 核电厂汽轮机的特点是蒸汽流量大，饱和蒸汽，温度压力参数相对火电厂汽轮

29、机较低。因为蒸汽比容大，单机容量大，导致核电汽轮机蒸汽流通面积庞大，如果采用喷嘴调节则调节装置要做得非常大，所以核电站的通流设计一般采用单个调节阀对所有蒸汽进行控制的节流调节。这就意味着核电站汽轮机的第一级喷嘴在设计时基本上不对蒸汽进行节流，否则调节阀和喷嘴重复节流将导致很大的损失。因此制造厂在进行核电汽轮机的通流设计时，都是按照宁大勿小的原则，一般通流余量比实际需要值偏大 35，加上制造公差允许2，这导致全世界几乎所有核电汽轮机的实际通流面积都偏大。而为了防止核反应堆超过额定功率，只有依靠过度关小调节阀对蒸汽进行节流控制，这使得蒸汽在调节阀处的节流损失偏大，岭澳核电站的 ALSTOM 汽轮机

30、和秦山核电站的日立汽轮机都存在调节阀的节流损失大于 8%的现象。5如何使核电汽轮机的通流面积与蒸汽流量匹配，使调节阀的节流损失下降到 3%以内，是核电厂汽轮机通流改造面临的难题。4）国内外改造的成果 根据国家能源和产业政策，50 MW 以下的中小机组属限制发展和淘汰范围，为适应电力市场 需要，有效降低成本，提高机组效率，国内各火电厂对在装的 100、125、200 MW 机组和老的国产 300 MW 机组甚至 600MW 机组进行了不同方式的改 造。有的只对通流部分进行改造，有的更换汽缸。均取得一定效果。一些国外投入运行时间较久的核电站，由于早期设计和制造的技术较为落后，经过长时间的运行后，一

31、方面设备开始出现缺陷，如汽轮机末级叶片出现裂纹，动静叶片冲刷等；另一方面，技术的落后导致机组效率相对较低，因此，为提高安全性和经济性，国内外一些服役年限较长的核电机组进行了汽轮机提高出力改造。近年来，美、日、前苏联等国对老机组实施改造，改造的主要目标是：提高效率、提高出力和合理延长寿命。改造效果十分显著，机组输出功率提高 10%以上，实测热耗降低 4%左右。西门上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 子主要采用弯扭静叶和新叶型用于 100 万千瓦级核电汽轮机改造，为了对老机组改造，还考虑了汽封的改造；日立主要采用弯扭静叶、斜置静叶和可控涡用于 100 万千瓦级核电汽轮机改造，对

32、老机组也同样考虑了汽封的改造；阿尔斯通公司目前已经开发出先进的弯扭静叶隔板和可控涡静叶隔板技术。对旧汽轮机进行通流改造以提高机组出力，在国内火电厂已经广泛实施。安徽平圩电厂安装有中国首台亚临界 600 MW 汽轮机组，其进行汽轮机通流部分技术改造获得成功，使亚临界 600 MW汽轮机组的效率不断提高，最大出力超过 630 MW。山东邹县发电厂 4 台 300 MW 汽轮机是N300-165/550/550 型国产旧式汽轮机组，汽轮机为上海汽轮机厂 70 年代未的技术设计。由于设计水平低、加工工艺差等原因，机组的经济性及调峰性能均远远不能满足要求，严重影响机组的安全经济运行。为提高汽轮机的经济性

33、，邹县电厂采用全三维气动设计技术对机组通流部分进行了改进，改造后机组功率达到了 330 MW。10 国内目前还没有对在运 100 万千瓦级核电汽轮机改造的实例。秦山三期核电站的日立汽轮机保证功率 728MW，但投产初的热力试验结果仅 720MW，未达到保证值。5日立分析认为是汽轮机通流面积偏大所致：由于通流面积过大，只有关小蒸汽发生器出口母管与汽轮机之间的调节阀，才能保证核岛蒸汽发生器出口母管的压力保持额定值，即保证反应堆不超过额定功率。而调节阀开度过小，导致调节阀与汽轮机喷嘴之间的蒸汽压力0P仅为 4.36MPa，低于设计值 4.39MPa，最终使汽轮机出力偏低。基于以上分析，日立对汽轮机进

34、行了冷修理，用锤敲的方法将喷嘴面积减小4%，改造后0P达 4.58MPa，理论上汽轮机应提高出力 0.3，但由于喷嘴叶片的型线被敲坏，二者抵消，实际没有效果，最后按合同罚款 1700 万美元。5 韩国月城电厂 3、4 号机是秦山三期的参考机型，投产初功率 714.9MW,经过改造缩小了喷嘴通流面积，提高了进汽压力，调整后功率达 735MW。5）岭澳核电站汽轮机改造内容 如前所述，由于核电汽轮机技术飞速发展，机组的设计技术、材料及工艺技术都发生了很大革新，在岭澳电站两台主汽轮机设计中引入了先进技术高压缸隔板静叶采用后加载鱼头型叶栅；而此技术在核电机组没有使用经验，由于设计的偏保守，导致岭澳核电站

35、汽轮机通流偏大，其结果是调节阀开度仅 36%，调节阀与汽轮机第一级喷嘴之间的蒸汽压力0P仅 5.56MPa。影响了机组出力。16 改造的内容是更换 3 块通流面积更小的高压缸隔板，使调节阀开度为 40%，提高高压缸级前进汽压力0P到 6.12MPa，最终汽轮机提高出力 5.5MW12MW。1.4 本文工作与内容安排 可以看出，一方面随着经济的发展，节约能源已经提升到国家战略的高度；另一方面，竞价上网及燃料价格上涨导致的成本压力也促使电站运营者要主动进行设备技术改进，提高机组发电效率。事实表明，汽轮机通流改造已经在国内外电站广泛实施并取得了可观的经济效益和社会效上海交通大学工程硕士学位论文 第一

36、章 绪论 第 7 页 益，深入进行岭澳核电站汽轮机提高出力改造可行性研究是值得的。1）本文主要工作 本文指出了目前岭澳核电站汽轮机通流方面存在的问题，分析了问题产生的根本原因。根据原因分析的结果，制定了更换汽轮机高压缸部分隔板的改造方案。同时，本文还对改造后系统设备受到的影响进行了分析评价。并从投资与收益的角度，对改造项目进行了成本利益分析，最终得出了岭澳核电站汽轮机提高出力改造技术可行，经济合理的结论 2）本文内容安排 本文主要包括以下四个方面的内容：-介绍了岭澳核电站汽轮发电机组存在的问题及运行概况；详细分析了问题的根本原因；根据机组性能试验采集的数据，用弗留戈尔公式对目前汽轮机的通流面积

37、进行校核计算，得出了机组功率偏差的数据，并据此确定了改造方案。-分析评价实施机组提高出力改造后，电站系统设备受到影响，着重是发电机、汽轮机调节系统和反应堆棒控系统，并提出了应对措施。-以项目净现值，内部收益率及成本回收期为指标，分析了汽轮机提高出力改造的投资与收益。-全文总结及进一步工作展望 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 8 页 第二章第二章 问题分析及改造方案问题分析及改造方案 2.1 岭澳核电站汽轮机组运行概况及存在的问题 2.1.1 岭澳核电站汽轮机概况 岭澳核电站 1997 年 5 月正式开工,1 号机组 2002 年 7 月投入商业运行,2 号机组 2

38、003 年 3 月投入商业运行。所用汽轮机由 ALSTOM 公司设计制造，主要特点为饱和蒸汽、中间再热、冲动冷凝式汽轮机。该机组属于中压机组，由一个双流高压缸和三个标准的双流低压缸组成,高压缸排汽经汽水分离再热器去湿再热后进入三个低压缸。高压缸级前进汽压力原设计为 61.2Bar.a，蒸汽发生器供水温度原设计为 226。其额定功率为 900M W,最大连续功率为 990M W。14 由于核电汽轮机技术飞速发展，机组的设计技术、材料及工艺技术都发生了很大革新，在岭澳电站两台主汽轮机设计中引入了先进技术高压缸隔板静叶采用后加载鱼头型叶栅（ALSTOM 最新研发技术，可明显提高通流级效率）；除此之外

39、岭澳主汽轮机设计上基本遵从大亚湾设计，再没有什么改进。当时理论预测改进后同工况岭澳机组单机发电能力要多出大亚湾机组约 1520MW 电功。汽轮发电机组如图2。图2 岭澳核电站汽轮发电机组 Fig.2 Turbine and generator of Ling Ao Nuclear Power Station 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 9 页 岭澳核电站其主要设计参数如表 1 所示，（满功率状况）表 1 岭澳核电站汽轮发电机组主要设计参数（满功率状况）最大额定功率 MW 990 低压缸进汽参数 额定转速 rpm 3000 压力 MPa.a 0.74 旋转方向：

40、顺时针（面对机头）温度C，265.1（约 96C 过热度）高压截止阀前蒸汽参数：流量 kg/s 1011.634 压力 MPa.a 6.63 低压缸排汽参数 温度C 283 压力 MPa.a 0.0075 湿度%0.48 温度C 40.3 流量 kg/s 1532.7 湿度%9.3 高压缸进汽参数：流量 kg/s 3276.47=829.412 压力 MPa.a 6.11 热耗率：kg/kwh 10629 温度C 276.7 结构参数：HP LP 湿度%0.69 长：m 6.31 37.3 高压缸排汽参数：宽：m 3.25 7.95 压力 MPa.a 0.783 高：m 3.89 5.75 温

41、度C 169.5 湿度%14.2 流量 kg/s 1274.138 2.1.2 机组运行存在的问题 2001 年岭澳电站建成两台主机投入运转，商运初期首先发现两台机组出力并未达到预测值，且和大亚湾机组出力相比很接近，此外机组运行参数存在如下问题：1)给水温度偏低 岭澳工程调试期间汽轮机性能验收试验结果：L1机组最终给水温度约 222，L2机组最终给水温度约 223，均比设计值低约 3(设计值是 226,机组性能保证值是 2262.5)16，商运至今该问题一直存在，正常运行期该参数也从未超过 224。2)高压缸级前进汽压力偏低 岭澳工程调试期间汽轮机性能验收，在机组最大连续出力工况下，高压缸级前

42、进汽压力 L1机组为 55.96Bar.a，L2#机组为 56.78Bar.a16,均低于设计值 61.2Bar.a，偏差量约 3.45.1 Bar.a间，商运至今该问题一直存在。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 10 页 2.2 造成机组运行现状的主要原因分析 分析认为，岭澳两台机组相比大亚湾机组，只发生了静叶栅隔板叶型的改进，此外没有其他设计上的变更，所以问题根源应该在机组高压缸的设计上。为验证上述推测，调查了解到90年代后加载型鱼头叶栅出现时，首先使用于过热蒸汽介质，且在过热蒸汽领域的使用经验是成功的，但对于湿蒸汽介质的核电机组，当时的设计经验还是空白，其认识

43、仅局限于对过热蒸汽设计经验加以适当的修正，但我们知道，湿蒸汽区蒸汽特性远比过热蒸汽区性质复杂，所以沿用过热蒸汽特性修正湿蒸汽区设计，设计上出现偏差可能性极大。随后信息反馈中又了解到岭澳机组设计前，ALSTOM在其他电站第一次使用后加载型新叶栅时发现，该新型叶片通流面积不足，故在随后设计中ALSTOM对该新型叶片叶栅的设计进行了纠正，增大了叶片喉部尺寸，增大叶片喉部尺寸的方法就是适当调整隔板叶片的安装角度（见图3），即增大机组的通流面积，图中O就是静叶喉部尺寸。图3 汽轮机隔板安装角示意图 Fig.3 Turbine diaphragm installtion angle 图4为静叶出汽角1与汽

44、流偏转角之间的计算关系17，Sin-1to=1-,我们知道在设计上叶片安装角度是根据Sin-1to来确定的，而值的确定是基于CFD分析计算、空气动力试验和实际应用反馈而确定的，而实际应用反馈是值最重要也是最终的修正手段。在设计上当安装角出现1的偏差量时，机组通流面积会出现68的偏差。所以在岭澳汽轮机设计中，实际通流面积值很可能与理论设计值存在偏差，设计根源来自Sin-1to值的偏差，即静叶栅安装角度设计上出现了偏差。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 11 页 图4 出汽角1与汽流偏转角之间的计算关系 Fig.4 Relation between diaphragm

45、outlet angle 1 and steam flow 下面将从汽轮机通流面积，高压缸进汽阀节流及给水温度等几个方面分析造成机组运行现状的原因。2.2.1 通流面积偏差分析及影响 在汽轮机设计上，一般都用弗留戈尔公式作为通流面积校核的工具。该公式的含义是：在亚临界情况下，一个透平级组所能通过的蒸汽流量应该正比于初压平方与背压平方之差值的平方根，而反比于初温的平方根，式中：AP2/*OAP；BP2/*OBP；2P为级组背压；*OAP，*OBP为从末级数第i 级前的蒸汽压力。对上式变形得机组通流面积的校核公式弗留戈尔当量面积公式：上式表达如下含义：F为正比于特征通流面积的数值，对亚临界状态，如

46、F不变，则（2-2）式左端数群不变；反之如左端数群发生变化，通流面职一定成正比变化。通流面积校核，每抽汽级的流量要非常精确，即对进汽量和抽汽量要有精确计算，如果流量偏差1，则通流面积评测误差偏差也将1，这样的评测将失去意义。1)通流面积偏差分析 经对岭澳机组高压缸级段抽汽参数分析，初步分析认为岭澳机组高压缸通流面积值存在设计偏大问题，表2为岭澳机组和大亚湾机组高压缸抽汽级段压力值比对表：()1211*22*=OBOABAOAOBBAPPTTGG即：)22(222222=FPPTGPPTGBBBAAA上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 12 页 表2 岭澳、大亚湾机组高

47、压缸抽压力比对表 L1 运行值运行值 L2 运行值运行值 D1 运行值运行值 D2 运行值运行值 设计值设计值 最大连续工况最大连续工况 bar.a bar.a bar.a bar.a bar.a 主蒸汽 66.68 67.53 66.856 67.347 66.3 级前压力 55.96 56.78 60.075 60.283 61.2 一段抽汽 25.28 25.335 27.145 27.17 27.57 7高加进汽 24.72 25.03 26.85 26.86 27.02 二段抽汽 17.48 17.31 18.22 18.433 19.08 6高加进汽 16.78 17.06 17.

48、88 18.01 18.66 三段抽汽 7.501 7.597 7.808 7.818 7.803 由表2知，岭澳机组高压缸级前压力、一段抽汽压力、二段抽汽压力及排汽压力均低于大亚湾机组，该数据前3项明显反映通流面积偏大、级段压力建立不起来，于是级前压力低于设计值。2)高压缸进汽阀节流损失偏大问题 由于岭澳机组高压缸级段压力均低于设计值（2#机高压缸级前蒸汽压力为56.78Bar.a,1#机高压缸级前蒸汽压力为55.96Bar.a，均低于61.2Bar.a的设计值），该数据反映出，因通流面积偏大，高压缸一级前压力建立不起来，因此调节阀腔后比容增大，级前动压增大，该现象必然导致蒸汽机械功能力降低

49、反映在表象上为阀门节流损失增大。图5说明了节流对高压缸焓降的影响，红色膨胀线是节流偏大的情况，黑色膨胀线是正常设计工况的情况，很明显，焓降h2要小于h1，也就是说，节流偏大会造成高压缸实际做功焓降降低，从而造成出力减小。图5 膨胀线对比 Fig.5 Compare of expanding line 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 问题分析及改造方案 第 13 页 3)给水温度偏低问题 图6为高压缸级段抽汽示意图，高压缸在设计上采用双分流进汽，抽汽口非对称分布:1段抽汽从后部第3级隔板前引出供7高压加热器；2段抽汽从前部第4级隔板前引出供6高压加热器，实现对蒸汽发生器供水的加热。图6 高

50、压缸抽汽示意图 Fig.6 Turbine HP cylinder bled steam 表3为岭澳机组高压缸抽汽压力与高压加热器设计参数比对表，由表3可知，由于高压缸各级段抽汽压力降低，各级段抽口对应的压力降低，相应各高压加热器进汽压力降低，由于高压加热器进汽压力降低，其在高加内冷凝放热加热给水过程中，由于所对应的饱和温度降低，所以给水加热的域值受到限制。由表可见，L1#机组7高加进汽压力对应的饱和温度为223.47左右，考虑7高加设计端差，所以7高加出口给水温度只能在222以下，而L2#机组7高加进汽压力对应的饱和温度为224.16左右，考虑高加端差所以7高加出口给水温度只能在223以下；