半速汽輪機

半速汽輪機是國內核電機組中普遍採用的汽輪機裝置，其結構特點、安裝工藝和工序均不同於常規全速汽輪機。從各大核電汽輪發電機組製造商製造的產品來看，西門子(西屋已被其收購)、三菱、日立、東芝生產的百萬千瓦級以上的核電汽輪發電機組全部為半速機組。從當前核電機組的發展趨勢來看，對於1 000 MW及其以上等級的汽輪發電機組，大多採用半速機組。半速機組的設計、製造、運行經濟遠比全轉速機組豐富。

基本介紹

• 中文名：半速汽輪機
• 外文名：half speed turbine
• 學科：核科學技術
• 領域：核能發電領域
• 動力：利用用蒸汽推動汽輪機來做功
• 特點：性能改善，機組出力增加

半速汽輪機與全速汽輪機比較

經濟性比較

1.熱效率比較

在機組入口參數(主蒸汽壓力、溫度、濕度、流量)確定的情況下，汽輪機的效率主要取決於通流部分效率和排汽損失等。

(1)通流部分效率

在現代汽輪機設計中，由於使用現代流體力學計算技術和採用三維最佳化設計，減小了各項損失，使汽輪機通流部分效率有明顯的提高。無論是全速汽輪機還是半速汽輪機，對通流部分效率的提高已經接近了開發極限。相比而言，由於葉片較長、級數減少等結構特點，半速汽輪機通流部分效率比全速汽輪機高一些。

(2)排汽損失

在蒸汽流量一定情況下，排汽面積越大，余速越低，余速損失越小。所以要減少余速損失，就需要較長的汽輪機末級葉片，以增大排汽面積。半速汽輪機由於末級葉片可以設計得比較長，能夠提供較大的排汽面積，從而減少了排汽損失，提高了汽輪機的熱效率。分析結果表明，排汽余速損失約為40 kJ/kg，機組的熱力循環效率最好。另外轉速降低，減少了濕蒸汽對葉片的侵蝕，改善了蒸汽的流動特性，從而也提高了熱效率。

2.百萬千瓦級核電汽輪機熱效率

根據世界上各大核電汽輪機製造商的介紹情況，百萬千瓦級核電半速汽輪機熱效率比全速汽輪機高，平均高出2%最多的高出3.3%。如果反應堆熱輸出功率為2 905 MW，即相當於出力提高9.6%。

安全可靠性

1.應力水平

一般來講，全速汽輪機與半速汽輪機靜子部件的應力水平大致相當，但對於轉動部件來說兩者的應力水平差別就比較大。由離心力引起動葉片的拉伸應力的公式：δ=MRω(式中：M-動葉片的質量；R-動葉片的平均旋轉半徑；ω-角速度)。可看出：應力是與轉速的平方成正比。如果1 500 r/min和3 000 r/min的汽輪機使用相同的動葉片(即M相等)，那么全速與半速應力之比就是4: 1，這是理論上的比較。實際情況是全轉速汽輪機轉子應力比半轉速高1.3 ~2倍。對於大功率機組，全速汽輪機轉動部件的應力水平往往用到許用應力的極限，所以，從這一角度比較，對於大功率汽輪機，半速機組的安全裕量更大些。

2.汽缸的穩定性

在功率等級相同條件下，半速汽輪機尺寸和重量比全速機大，因而承受外界對機組產生的力和力矩的能力比全速汽輪機強，其穩定性優於全速機。

3.抗侵蝕、腐蝕能力

核電汽輪機大約2/3的作功在低壓缸內完成，雖然核電汽輪機低壓缸的進汽參數核火電差不多，但由於核電汽輪機在低壓缸內的焙降較火電多，因此核電汽輪機低壓缸的排汽濕度較大，一般高達12%-14%。發生侵蝕、腐蝕的部件，除動葉片外大部分與轉速無關。由於末級及次末級長葉片長時間在濕蒸汽區工作，因此受侵蝕腐蝕情況比火電機組要嚴重得多。如果不作防水蝕處理，葉片運行一段時間後會因水滴衝擊產生水蝕，在葉片頂部背弧進汽邊處會出現蜂窩狀的凹坑或被衝擊成鋸齒形。葉片的水蝕，不但使葉片熱力性能降低，還可能造成葉片斷裂等事故。

在現代汽輪機設計中，控制葉片侵蝕常用的幾種方法是:1. 增加去濕，去除動葉片由於離心力的作用而被甩到並聚集在隔板外緣延伸環上的水分。2. 增加動、靜葉片之間的軸向間隙。3. 在葉片進汽邊頂部進行防水蝕處，如焊接司太立合金片等。在高壓和低壓末級動葉片頂部進汽邊開設徑嚮導流槽。

4.運行的靈活性

半速汽輪機由於轉子直徑大、重量重，高壓缸的汽缸壁較厚，導致熱應力增大，在快速起動和變負荷適應性方面比全速汽輪機稍微差些，但由於核電機組大部分為帶基本負荷運行，起、停、變負荷次數較少，加上核電的進汽參數比較低，因此熱應力的影響不是太大。

5.機組的振動特性

半速汽輪機由於轉速較全速低、轉子重量重、轉動慣量大，因此其對激振力的敏感程度比全速機低，抗振性能比全速機優。

投資成本

1.材料消耗

一般在相同功率等級的情況下，半速汽輪機組由於體積大，單個部件的重量要比全速機重得多，因此半速汽輪機的材料消耗量要比全轉速汽輪機多。採用半速機後由於末級通流面積增加，低壓缸的數量比全速機減少，因此對於整台機組來說半速汽輪機組的重量是全轉速機組的1.2-2.4倍。

2.製造、起吊、運輸、土建、安裝等方面的成本

由於半速汽輪機的尺寸和重量比全速汽輪機大，使得半速汽輪機的製造、起吊和運輸等方面的難度增加，從而增大了一系列的投資。

半速汽輪機與全速汽輪機在尺寸和重量上的差別較大的部件在低壓模組。半速汽輪機低壓內外缸體較大，末級葉片長，轉子直徑大。如低壓轉子裝配後的重量接近200噸。這樣就要求起吊吊車的噸位增大，低壓內外缸加工工具機、葉片加工工具機、轉子加工工具機等加工設備都要相應增大。因而，製造廠在加工設備、起吊設備等方面需作適當的改造和更新，增加一定的投資，使製造成本相應提高。

由於半速汽輪機尺寸和重量的增大，相應的汽輪機基礎的支承負荷也應加大。從而使汽輪機基礎的支承梁的厚度增加、支承基礎尺寸增大，在汽輪機運行平台上要求予留的檢修面積增大。這就有可能使得廠房面積增加。使電廠廠房、汽輪機基礎建設方面投資相應加大。

運輸方面，由於半速機重量和尺寸的增大，使得運輸難度增大，運輸噸位增加，相應的運輸成本也會提高。

安裝方面，由於半速汽輪機的重量和尺寸都大於全速汽輪機，這就要求安裝現場的行車等大型起吊設施的起吊能力要增大，從而增加了起吊設備的投資。對於安裝來說，安裝費用包括人工費、材料費用、機械台班使用費。由於半速機的結構和全速機組相比除尺寸大、重量重外基本一樣，安裝方面也沒有什麼特殊要求，且半速機低壓缸的數量相對全速機減少，因而安裝的人工費、材料費應和全速機相差不大。但由於國內安裝承包商缺乏安裝半速機的經驗，會遇到一些新的問題影響安裝進度，需要外方提供更多的技術支持，這就有可能使安裝費用增加。

總之，在投資成本方面，半速汽輪機比全速汽輪機的投資成本相應要高些。根據有關供貨商介紹，設備造價和安裝土建費，半速機比全速機高20%一30%(對整個常規島相當於高7%左右)。但對於不同的供應商，結果是不同的，如日立公司提供的信息表明，對於半速機，如考慮低壓缸、輔機(如MSR,凝汽器、除氧器、各類加熱器等)的數量相對全速機減少，其整個核電廠常規島部分的造價與全速機相當。

發展潛力

1.極限功率

由於核電站選址要求嚴格而又不太容易，且投資成本比較高，為了降低單位千瓦(KW)造價，在同樣的廠址面積範圍內增大單機的功率是降低造價的發展趨勢。核電汽輪機功率一般為百萬千瓦級，世界上最大的核電單機功率高達1 700 MW。末級葉片的通流能力是決定單機所能達到最大功率的主要因素。這樣就要求不斷增大汽輪機低壓缸的排汽面積。為了增加排汽面積，要么增加低壓缸數量，要么採用更長的末級葉片。

增加低壓缸數量:運行的核電機組一般不超過3隻低壓缸，極少數採用4隻低壓缸。缸數的增加將使結構複雜、設計困難，尤其會給軸系的設計帶來一些難以解決的問題。

採用更長的末級葉片:末級葉片的加長由於受到應力水平和材料的限制，全速機不可能採用很長的末級葉片，半速機的末級葉片可以適當加長。如ALSTOM的半速機末級葉片可達到1 450 mm，且已有幾年的運行經驗。末級葉片的加長，使得排汽面積增大，功率增大。從而使半速汽輪機的極限功率可以比全速汽輪機高。

一般分析認為，全速汽輪機適合用於1 200 MW以下，否則機組的安全可靠性不容易得到保證，而半速汽輪機則可達到1700 MW甚至更高。

2.發展趨勢

從我國持續發展核電工業的政策出發，我國核電的本地化製造，不僅是百萬千瓦級核電機組，而且要向1 200 MW, 1 300 MW, 1 500 MW, 1 700 MW甚至更高等系列發展。從這一方面來講，半速汽輪機有更好的適應性，機組的安全可靠性更容易得到保證，有利於核電機組向大功率化不斷發展。

核電採用半轉速汽輪機的原因

低壓末級葉片排汽面積決定飽和蒸汽汽輪機的最大功率，而末級葉片排汽面積取決於葉片的高度。所以為了增大功率就必須採取增加低壓缸的數量或增加末級葉片的高度。

對於增加低壓缸的數量來說，由於受機組軸系長度、軸系穩定性、轉子的臨界轉速等限制，一般最多採用四個低壓缸。此外隨著機組軸系的加長，汽輪機廠房的投資也會增加。

末級葉片的高度增加，受到葉片材料應力和強度的限制。對於全速汽輪機來說，由於其轉速是半速機的一倍，同樣長度的葉片工作時承受到的離心力是半速機的四倍。因此全速汽輪機不可能採用較長的葉片。採用半速機在同樣的末級葉片應力和強度的情況下，可使汽輪機的功率大約增加四倍。隨著機組功率的不斷增加，要求不斷增加排汽面積，而排汽面積的增加受末級葉高增加的限制，因為隨著葉高的增加，葉片的應力不斷增大，採用全速機可能超過葉片材料的許用應力。採用半速機在滿足末級葉高增加的同時，葉片的應力又不會超過葉片材料的許用應力，因此採用半速機組有利於提高單機的極限功率和機組效率，有利於降低葉片的設計難度。

採用半速機另外的原因是在同樣末級葉片情況下，由於葉頂速度降低，葉片的水蝕量減小，同時降低了轉動部件的應力。在給定功率的前提下，由於可以採用更長的末級葉片來增加排汽面積，因此可以減少排汽缸的數量，降低設備及廠房的投資。

半速汽輪機結構形式

半速汽輪機的高中壓合缸為低合金鑄造汽缸，通流部分為前流高壓段九級、後流中壓段四級新蒸汽經主汽/調節聯合閥配汽進入高壓段，高壓做功後的排汽經汽水分離再熱器再熱後進入中壓段，中壓做功後的排汽直接進入三個相同的雙流低壓缸汽輪機低壓缸分為前流、後流各五級，汽缸採用雙層缸結構，其內、外汽缸均為焊接結構;每個低壓缸外缸下半、外缸上半均由兩段拼合而成，外缸下半直接坐落在凝汽器殼體(喉部)上並與其焊接形成剛性連線;低壓缸內缸上、下半組合件均由半內缸和兩端的排汽缸(含擴散段一軸承室)三段獨立部件通過螺栓連線而成，低壓缸內缸通過兩端軸承室的支承結構單獨的支撐在汽輪機平台上，使其不承受與凝汽器真空變化和水位變化有關的荷載作用，減少了由於汽缸荷載變化對動靜間隙的影響，也保證了良好的軸系對中和軸承的穩定性低壓缸內外缸之間採用0型密封環密封，是典型的‘阿爾貝拉”結構，既可保證蒸汽不會外泄又允許內、外缸相對運動。

半速汽輪機的安裝

安裝流程

1、基礎準備，二次埋件安裝

檢查基礎表面平整、無裂紋、孔洞、蜂窩、麻面和露筋基礎應滿足汽缸就位要求.將各縱橫鍵塊、導向鍵塊吊起，就位，對其進行調整，並根據軸系揚度，使其中心線、標高滿足要求根據墊鐵布置圖，利用絲”調整墊鐵組的標高及水平度，在進行標高調整時注意考慮機組軸系的揚度.

2、低壓外缸組合

清理低壓外缸下半(含垂直法蘭)側的垂直法蘭面，確保無毛刺、鏽蝕、污垢、表面防腐層應清除乾淨;低壓外下缸組合在運轉層平台上(至4車由)進行，在運轉層平台上均勻布置斜墊鐵組詳見視圖，用於外下缸的支撐及調整，現場可以在此基礎適當添加斜墊鐵組;將低壓外缸下半(含垂直法蘭)側吊裝就位在斜墊鐵組上，然後通過斜墊鐵組進行調整，確保水平中分面水平度0.05mm/m，複查垂直接配面的垂直度;調整完畢後點焊斜墊鐵組側面以及斜墊鐵組與低壓外下缸、斜墊鐵組與地面鋼板;將低壓外缸下半(配準餘量側)吊裝就位在斜墊鐵組上，保證其與低壓外缸下半(含垂直法蘭)側有約1-5mm間隙，然後通過斜墊鐵進行調整，確保水平中分面水平度0.05mm/m;調整完畢後點焊1/3斜墊鐵組側面以及斜墊鐵組與鋼板;將低壓缸兩半垂直中分面拉緊，檢查低壓外缸下半及垂直接合面是否有間隙，如有則加裝墊片;製作兩個相同的水平壓板，壓板長為2000mm,寬度為低壓缸法蘭面，厚度為90mm，在壓板上鉸8個通孔，通孔中心的距離為對應低壓缸螺孔中心的距離;將水平壓板分別把合在低壓外下缸左右兩段水平中分面連線處，確保水平壓板與低壓外下缸左右兩段無間隙;將8個錐銷布置在低壓缸四角及中間，拉鋼捲尺檢查低壓外下缸上端、下端橫縱向中心線;利用大平尺及合像水平儀或精密水準儀對低壓外下缸水平接合面的平行度進行檢查，使其符合要求0.05mm/m，否則應進行調整低壓缸下半斜墊鐵組;低壓外缸焊接組合，在低壓水平中分面四角架四隻百分表，監測垂直方向百分表的變化，如果變化超過0.10mm則停止焊接在垂直中分面頂部左右側各架2隻表檢測低壓缸中分面錯口變形，底部低壓進氣口每側架兩隻表監視低壓缸垂直方向以及左右方向變形.此處焊接變形超過0.10mm則停止焊接。

3、軸系找中心

3.1軸系初步找中心

軸系初找中的意義在於確定前中軸承箱、1#,2#和3#低壓內缸的縱橫向位置，從而為外部管道連線創造條件軸系初找中時頂軸油系統還沒有投用，此時禁止盤動轉子將轉子吊放在滾輪支架上，啟動滾輪支架的電源，盤動轉子約半個小時確保轉子的"0"位標記位於頂部將轉子吊裝就位，並按K值軸向定位檢查確保轉子軸頸揚度符合設計要求，否則應進行相應的調整使用內徑量表、量塊或塞尺測量聯軸器張口，使用深度千分尺測量聯軸器同軸度偏差根據測量數值進行計算，確定各個軸承的抬高量，從而通過調整前中軸承箱、1#,2#和3#低壓內缸底下的圓墊鐵組來抬高/降低軸承箱或內缸，以消除上下方向的張口和同軸度偏差對於左右方向的張口和同軸度偏差，可通過頂移低壓內缸來消除調整完畢後，重新進行軸系找中，確保張口和同軸度偏差符合設計要求:張口≤0.02mm，同軸度偏差≤0.02mm。

3.2軸系精找中心

軸系精找中時，頂軸油系統要可用，盤動轉子的專用工具(如防軸竄工具，兩個聯軸器的連線銷等)已經準備完畢在轉子上均分4個點並做好標記，然後安裝兩個聯軸器法蘭之間的連線銷然後啟動頂軸油泵，盤動轉子約60分鐘為了儘可能的消除轉子暫態彎曲，可在軸系找中前將轉子翻轉180°，並確保此時各轉子的“0”位標記位於頂部檢查確保轉子軸頸揚度符合設計要求，否則應進行相應的調整測量此時的張口和同軸度偏差啟動頂軸油泵，將兩條轉子盤轉90°，停止頂軸油泵，等待約20分鐘後，重新測量張口與同軸度偏差，避免由於油膜尚未散除而引起數據偏差重新啟動頂軸油泵，依次盤轉兩條轉子至180°,270°和360°，並記錄每一次的測量數據比較0°和360°的數據，應保持一致，否則應進行分析、糾正根據0°,90°,180°,270°四個位置的測量數值進行計算，確定各個軸承的抬高量，從而通過1#,2#低壓內缸底下的圓墊鐵組調整來抬高/降低軸承箱、內缸，從而消除上下方向的張口和同軸度偏差，確保張口和同軸度偏差符合設計要求張口≤0.02mm,同軸度偏差≤0.02mm。

4、各汽缸內部部件找中心

首先採用拉鋼絲的方式初步找中心，然後使用按轉子對中的方式找中心，最後在軸系中心與缸內部件找中心均已完成的情祝下安裝所有汽封體_進行通流部分間隙的測量調整。

安裝最佳化

1、頂軸油與潤滑油迴路投用方案最佳化

供應商安裝程式中要求必須在頂軸油投用的情祝下方可盤動轉子，因此，為配合軸系找中心、軸竄測量等工作，頂軸油迴路需在汽輪機扣缸前可用按照正常的施工邏輯，頂軸油與潤滑油迴路安裝結束後要經過3個月左右的油沖洗方可投用，若等到油系統沖洗完畢後再實施扣缸，將導致安裝關鍵路徑上直接損失近3個月的工期因此為

解決這一矛盾，決定採取臨時措施，將頂軸油迴路的沖洗剝離出來，單獨進行。

設定臨時油箱，容積為10m，放置在常規島廠房16m平台油室附近，其高度可以保證頂軸油泵入口壓力為正首次啟動時，通過板式濾油機將新油注入臨時油箱，從頂軸油迴路進入軸瓦後經回油母管回到主油箱當主油箱回油液位升到正常高度後，改為精密濾油機從主油箱吸油並過濾後注入臨時油箱，這樣，臨時油箱內一直有乾淨的油，可以持續供給頂軸油迴路。頂軸油迴路的單獨沖洗保證了汽輪機安裝的正常進行，為汽輪機安裝提供了有力保障。

2、高中壓缸負荷分配與管道安裝方案最佳化

2.1按照供應商安裝程式的要求，高中壓缸需進行5次負荷分配

1)高中壓缸未與外部管道連線前，進行首次負荷分配;

2)高中壓缸與冷段下半管道連線完，且高中壓缸和低壓缸均與中排管道下半連線完後，進行第二次負荷分配;

3)高中壓缸與熱段下半管道連線完後，進行第三次負荷分配;

4)高中壓缸與導汽管下半、抽汽管下半分別連線完後，進行第四次負荷分配;

5)高中壓缸與所有上半管道連線完，且主汽門、中壓汽門支架及所有管道支吊架均調整完後，進行最後一次負荷分配.

其中，中排管下半指高中壓缸與兩個低壓缸間的整條下半管線，包含34道焊口(影響高中壓缸負荷分配的有28道)，且管段直徑都在1800mm~2600mm之間，將如此大的工程量都列為第三次負荷分配的先決條件，很可能耽擱後續管線與高中壓缸的連線工作，從而拉長施工周期此外，考慮現場實際情祝與中排管安裝工藝的要求，中排下半的第一段(下部Y型管)安裝期間，高中壓缸兩側的基礎上必須為其保留吊掛鋼樑，而鋼樑勢必將阻礙熱段下半管道與高中壓缸的對口連線_即中排管與熱段下半的安裝無法並行，明顯不利於節省工期.

2.2考慮到負荷分配的目的在於把握引起高中壓缸各貓爪承受載荷不均勻的原因，其執行的本質在於每組管道連線前後都需穿插一次負荷分配，而管道的分組及其連線的順序並不是重點，因此，在徵得供應商同意後，現場對高中壓缸負荷分配與管道連線的方案進行了最佳化:

1)高中壓缸未與外部管道連線前，進行首次負荷分配;

2)高排下半管道連線完，且支吊架調整完後，進行第二次負荷分酉己;

3)高導下半、高中壓缸抽汽管下半連線完，且其支吊架調整完後，進行第三次負荷分配

4)中排下半連線完，且其支吊架調整完後，進行第四次負荷分配;

5)中導下半連線完，且其支吊架調整完後，進行第五次負荷分配

6)全部管道連線完，且主汽閥、中壓蝶閥支架和全部管道的支吊架均調整完後，進行最後一次負荷分配

上述調整雖然增加了一次負荷分配，但其在正常情祝下半天或一天即可完成，而作為各次負荷分配先決條件的管道安裝分組更加靈活更加合理，最佳化了汽較機扣缸後主線安裝工作的整體工期。