核電汽輪機屬於核電站常規島中最關鍵的設備之一。電和其他能源相比具有獨特的優勢，其燃料能量密度高、負荷穩定、生產過程零碳排放，因此大力發展核電是解決我國巨大能源需求和環境治理問題的優選方案之一。國家能源發展戰略行動計畫（2014－2020年）中提出，在採用國際最高安全標準、確保全全的前提下，適時在東部沿海地區啟動新的核電項目建設，研究論證內陸核電建設。到2020年，核電裝機容量將達到5800萬kW。
基本介紹
- 中文名：核電汽輪機
- 外文名：Nuclear turbine
- 學科：電力工程
- 領域：工程技術
- 範圍：能源
- 釋義：核電站常規島中最關鍵的設備之一
簡介,中國核電汽輪機現狀,上海汽輪機廠核電汽輪機的發展,中國核電汽輪機的展望,總結,
簡介
中國是能源消費大國，而我國能源消費結構中化石燃料發電占比仍接近70%。隨著人民生活水平的提高，公眾對大氣環境污染的容忍度越來越低。為此，我國提出了綠色發展、建設環境友好型社會、大力發展清潔能源的戰略方針。
核電和其他能源相比具有獨特的優勢，其燃料能量密度高、負荷穩定、生產過程零碳排放，因此大力發展核電是解決我國巨大能源需求和環境治理問題的優選方案之一。國家能源發展戰略行動計畫（2014－2020年）中提出，在採用國際最高安全標準、確保全全的前提下，適時在東部沿海地區啟動新的核電項目建設，研究論證內陸核電建設。到2020年，核電裝機容量將達到5800萬kW。
核電汽輪機作為核電站常規島中最關鍵的設備之一，未來市場前景廣闊，因此有必要對我國核電汽輪機的發展現狀進行總結，並根據未來核島應堆的發展趨勢對核電汽輪機的發展方向進行預測，提前布局和研發，以更好地適應我國核電發展的需要。
中國核電汽輪機現狀
自秦山一期300MW 等級核電機組於1991年成功投運以來，中國核電汽輪機的設計開發已經走過了20多個年頭，其間由於核電安全的特殊性，中國核電的發展相對比較緩慢。
我國已投入商業運行的核電機組總計27台，分布於秦山、嶺澳、大亞灣、田灣、寧德、紅沿河、陽江、福清、方家山、防城港等10個核電基地。加上目前在建的24台核電機組，我國核電的總裝機容量達到5000萬kW，但要達到2020年前5800萬kW的目標，至少還需核准8台百萬等級核電機組，鑒於核電項目建設周期長的特殊情況，該目標實際上已無法按時完成。
從2006年開始，我國新核准的壓水堆核電項目功率均為1 000MW 等級以上，堆型由二代堆型逐漸過渡到以CPR1000為代表的二代半堆型和以AP1000、ACP1000、華龍1號、CAP1400等為代表的三代堆型。此外，國家正在組織對CAP1700堆型核電技術進行技術攻關，未來也將成為我國具有自主智慧財產權的主力堆型之一。相對應配套的汽輪機的功率等級也向著更大容量的方向發展。
1000MW等級以下壓水堆核電汽輪機主要是基於秦山一期和秦山二期的300MW 等級和600MW 等級核電汽輪機。其中秦山一期300MW 等級核電汽輪機由上海汽輪機廠（上汽）設計製造，為我國首台核電汽輪機，該機型的改進型後續出口到巴基斯坦4台，為我國首個也是唯一一個核電汽輪機出口機型。600MW 等級壓水堆核電汽輪機全部由哈爾濱汽輪機廠（哈汽）設計製造，總計生產6台，安裝於秦山二期和海南昌江核電項目。
以上兩種核電汽輪機機型全部採用全轉速設計，高、低壓模組是在常規火電汽輪機的中、低壓模組的基礎上最佳化而來。我國目前唯一的重水堆核電機組安裝於秦山三期核電項目，其汽輪機由日立公司提供。2008年，我國核准了山東石島灣示範項目，該項目採用具有第四代核電特徵的高溫氣冷堆，配套汽輪機由上汽設計製造，該項目已進入加工製造階段。
我國1000MW 等級的核電汽輪機幾乎全部採用進口。大亞灣核電站汽輪機進口於GEC公司，嶺澳一期核電站汽輪機進口於ALSTOM 公司，田灣核電站汽輪機進口於列寧格勒金屬工廠。上述核電站均屬於二代堆型，投運較早。巧合的是，上述機型均採用了全轉速設計。經過20餘年的發展，我國已全面掌握大功率、半轉速核電汽輪機的設計製造方法，關鍵部件已基本實現國產化。國核心電項目的汽輪機的供應主要由東方汽輪機廠（東汽）、上汽和哈汽三家廠商提供。其中東汽由於早期分包ALSTOM 在中國的核電汽輪機訂單最早進入核電製造領域，憑藉此優勢，CPR1000堆型核電汽輪機的訂單數量最多。哈汽在AP1000堆型核電汽輪機訂單數量上也取得不錯的成績，但由於核島主泵技術原因導致項目脫期，到目前為止還沒有實際的投運業績。上汽從2006年開始，全面開始了1000MW 等級以上核電汽輪機的設計、製造技術攻關，並形成了系列化產品。
上海汽輪機廠核電汽輪機的發展
上汽設計、製造了我國首台核電汽輪機，也是我國唯一擁有核電汽輪機出口業績的製造廠。上汽共獲得22台汽輪機契約訂單，所配堆型涵蓋CNP300、CPR1000、AP1000、ACP1000、華龍1號、高溫氣冷堆等。
1.1300MW 等級壓水堆核電汽輪機
上個世紀80年代末期，上汽設計了秦山一期項目飽和蒸汽壓水堆310MW 核電汽輪機，正式步入核電汽輪機的設計、製造領域。該機型自1991年投運以來性能優異，安全可靠。該機型經過不斷最佳化改進，功率從310MW 提升到340MW，其改進機型於2000年跨出國門，成功出口巴基斯坦，裝備恰希瑪一期項目，2007年簽訂第二台出口契約，2010年簽訂第三、第四台出口契約。該系列機型的開發和研製獲得了國家科技進步特等獎。
該系列機型由一個高壓缸和兩個雙流低壓缸組成，採用全轉速設計，在低壓缸進口前設定汽水分離再熱器。該機型的開發借鑑了成熟的火電汽輪機中、低壓模組，根據核電汽輪機濕蒸汽的運行特點，增加了除濕鉤、堆焊耐腐蝕合金材料，採用蜂窩汽封、末葉片進汽邊堆焊司太利合金等系列除濕、抗應力腐蝕手段。
2.1000MW 及以上功率等級壓水堆核電汽輪機
上汽共獲得16台1000MW 等級以上核電汽輪機訂單，其中配CPR1000堆型汽輪機8台，配AP1000堆型汽輪機4台，配ACP1000堆型汽輪機4台。
（1）配CPR1000核島堆型的核電汽輪機配CPR1000堆型核電汽輪機目前已成功投運4台，機組各項性能指標優異，贏得了市場的肯定。已做性能試驗的陽江1號機機組實測出力修正後比保證值大17MW，2號機組實測出力修正後比保證值大31MW。
該機型由一個雙流高壓缸和兩個雙流低壓缸組成，汽輪機採用半轉速設計，低壓缸進口前設定汽水分流再熱器。
汽輪機採用全周進汽，高壓第一級採用特殊的斜置靜葉技術。為了有效地降低低壓末幾級濕蒸汽對動葉片的侵蝕，低壓末級靜葉採用空心靜葉抽吸技術、末級動葉採用火焰淬硬或雷射硬化技術等措施來避免水滴對低壓動葉的損壞。汽輪機高壓轉子採用整鍛轉子設計，低壓轉子採用獨特的紅套技術，並在中間軸、輪盤等關鍵部位通過噴丸、輥壓等技術有效避免應力腐蝕的出現。
（2）配AP1000和ACP1000核島堆型的核電汽輪機
2009年，上海電氣獲得桃花江項目4台AP1000內陸核電訂單，並完成了汽輪機的相關設計。2013年，上海電氣獲得巴基斯坦的K2K3項目2台ACP1000核電汽輪機訂單，該項目也是我國首台出口的百萬等級核電汽輪機。這兩個項目採用相同的高、低壓模組，僅是通流葉片根據不同堆型的蒸汽流量分別重新設計。
該機型同樣由1個高壓缸和2個低壓缸組成，高壓和低壓模組均為全新開發，通流葉片採用先進的AIBT 技術設計，具有較高的通流效率。低壓模組採用了上汽自主研發的焊接轉子結構，使得鍛件的供應更有保障。考慮到低壓缸結構尺寸比CPR1000核電汽輪機大得多，採用了低壓內缸落地的支撐方式，保證了機組的安全性和經濟性。本機型汽輪機國產化率可達到98%以上。這兩個項目汽輪機機型均由上汽自主設計、製造。
（3）核電汽輪機模組系列化開發
根據我國1000MW 等級核電汽輪機的發展現狀和發展趨勢，上汽開發了3個高壓缸模組，可以滿足國內外不同核島堆型蒸發量的需求。
卻水溫的核電汽輪機選配。上汽根據各種反應堆容量及可能的背壓範圍，完成了“大容量核電汽輪機低壓長葉片框架規劃”研究課題。為滿足在各種不同背壓、不同容量條件下，所有機組末級葉片的通流能力配置均能處在最佳範圍的要求，上汽建立一個排汽面積按一定比例間隔配置的低壓長葉片模組系列，對應的末葉片單流排汽面積分別為20m2，26m2和30m2。
以上3種排汽面積長葉片可滿足現階段1000MW 等級以上壓水堆、各種背壓條件下機組的配置要求。不同低壓模組組合可適用的背壓範圍在2．5～16kPa，滿足從南方到北方，從沿海到內陸單、雙背壓的各種核電項目汽輪機的需求。
（4）1000MW 等級核電汽輪機長葉片開發
長葉片的開發是汽輪機開發中最核心的技術之一。為了適應我國核電發展的需要，上汽從2006年開始啟動了半轉速核電汽輪機長葉片系列化的開發工作，目前已形成了高度為1420mm、1710mm和1905mm的長葉片核電汽輪機長葉片系列，並正在開發超過2200mm高度的長葉片。
長葉片的開發技術體系分為總體方案設計、流場設計、強度振動及結構設計、葉片級的精細化設計、實物葉片振動試驗及專題研究驗證共6個階段。
套用全三元CFD 流場計算軟體，對動靜葉沖角特性、沿葉高反動度特性、出口總壓分布特性、子午面通道型線流暢性和擴張規律等方面進行調整和最佳化，以達到最優效率。在葉片結構設計和強度振動計算方面，上汽在多年工程經驗的基礎上，結合有限元計算和考核方法，在葉根輪槽、離心應力、合成靜應力、動強度考核、圍帶/凸台接觸力考核、振動模態和頻率特性等關鍵點進行考核計算，保證機組的安全可靠性。
除了根據上汽長葉片設計體系進行理論分析外，針對核電葉片的開發，還進行了大量的試驗驗證工作。包括葉片的動頻試驗、葉根光彈試驗、葉根拉斷試驗、濕蒸汽試驗等。
2012年，根據《汽輪機長葉片試驗和驗證規程》中對汽輪機長葉片研製過程中所需做的試驗要求，上汽與上海成套設計研究院、西安熱工研究院合作，依託哈爾濱廣瀚新能動力有限公司蒸汽輪機試驗台，對1710mm葉片進行模化濕蒸汽試驗。試驗採用1∶3．5等比例模型試驗，對1710mm末葉片末三級葉片進行動應力測試及氣動試驗研究。
（5）1000MW 等級核電汽輪機焊接轉子開發
汽輪機低壓轉子鍛件有整鍛轉子、紅套轉子和焊接轉子三種形式，針對半轉速核電汽輪機，由於結構尺寸巨大，通常採用紅套轉子或焊接轉子，為了擺脫轉子鍛件對進口的依賴，開發焊接轉子就顯得非常有意義。
上汽具有50多年的焊接轉子設計、製造運行經驗，至今已經成功焊接製造各類轉子467根，其中432根已經投入商業運行，沒有出現一例因焊接質量造成的停機返修事故，贏得了良好的聲譽。
套用於江蘇南通電廠的1000MW 等級全轉速超超臨界汽輪機的低壓焊接轉子已成功投運，其轉子材料與核電汽輪機低壓轉子相同，但其設計應力水平比半轉速核電汽輪機低壓轉子稍高。該轉子投運至今運行良好。
焊接轉子由若干個輪盤鍛件組成，通過特殊的焊接工藝焊接而成。由於採用了較小的輪盤鍛件，不僅鍛件質量更有保障，而且鍛件可實現國產化。
低壓焊接轉子各輪盤鍛件的結構形式和焊縫的數量取決於轉子的應力分析結果，套用有限元自動尋優軟體可以獲得最優的葉輪型線，使得轉子的應力分布儘量均勻且都在安全範圍之內。
由於半轉速核電低壓轉子的尺寸和質量較常規機組大得多，因此轉子的高周疲勞就是不得不考慮的問題，針對此，上汽有兩種設計方法：一種是基於斷裂力學理論的無限壽命分析，另一種是基礎疲勞理論的疲勞壽命分析。前者通過計算獲得轉子表面和內部允許的裂紋臨界尺寸，通過焊接工藝和檢測技術來保證轉子在整個壽命期內的安全可靠；而後者則是首先通過計算轉子載荷譜，確定轉子疲勞損傷較大的位置，其次通過試驗獲得轉子材料的S－N曲線，最後通過名義應力法（SN法）、Miner線性損傷累積等疲勞理論，計算轉子的疲勞壽命。
焊接工藝是保證焊接轉子質量的關鍵技術，為了驗證焊接質量，上汽進行了大量試驗件焊接試驗，並對不同尺寸模擬件進行解剖測試，主要包括模擬件焊接試驗驗證、焊接接頭性能測試、殘餘應力測試、焊接接頭硬度測試、彎曲性能測試、金相組織分析、室溫及高溫拉伸性能測試、衝擊性能測試、疲勞裂紋擴展速率和疲勞裂紋門檻值試驗、斷裂韌性分析、高周疲勞分析、應力腐蝕敏感性分析等。
上汽經過50餘年的焊接技術的開發和積累，掌握了整套的焊接轉子檢測和評估手段，不僅包含工廠加工後檢查，而且還包含轉子的在役檢查。雖然上汽已經從設計和工藝的角度保證了轉子整個壽命期內的安全運行，即用戶無需在大修時對焊接做特殊檢查，但用戶有此方面的需求，上汽亦可為用戶提供全方位技術支持。
3.高溫氣冷堆核電汽輪機
上汽承接了我國首台具有第四代反應堆特徵的高溫氣冷堆核電汽輪機的研製。不同於常規的壓水堆核電汽輪機，高溫氣冷堆汽輪機的進汽溫度達到了常規超臨界火電汽輪機的水平，進汽壓力則與火電超高壓汽輪機相同。
由於進汽參數較高，進汽容積流量相對較小，汽輪機採用全轉速設計。汽輪機由1個單流高壓缸和1個雙流低壓缸組成。汽輪機的分缸壓力為0．8MPa，高壓缸排汽過熱度約為30℃，因此不設定汽水分離器，同時通過技術經濟性比較，亦取消了中間再熱器，使得系統極大的簡化，提高了機組安全性。取消汽水分離再熱器後，低壓缸排汽濕度增加到11．26%，比常規機組略高，為了降低其對末葉片的影響，採取了特殊的末級靜葉加熱除濕系統。
中國核電汽輪機的展望
經過20多年的發展，我國已基本掌握核電汽輪機設計、製造的關鍵技術，可以為核電的發展提供有力的支撐。核電汽輪機的發展取決於核島技術的進步，因此，各製造廠有必要對未來國內外核島技術的發展做出預判，從而實現提前布局。
在1000MW 等級及以上壓水堆核電技術方面，未來的趨勢是向著更高功率等級的方向發展，並逐步擯棄二代以及二代半技術，全面進入三代堆型建設期。當下中國百萬等級核電三代堆型市場主要是以AP1000、ACP1000和華龍1號堆型為主，其中對於ACP1000和華龍1號堆型，我國擁有自主的智慧財產權，是核電走出去的主力堆型。這些堆型對應的核電汽輪機技術已經成熟，完全可以實現國產化。此外，我國自主研發的CAP1400堆型已經開建，所對應的汽輪機輸出功率等級約1500MW；CAP1700核島堆型的關鍵技術正在聯合攻關，所對應的汽輪機輸出功率等級約為1900MW。
針對這兩個堆型所對應的核電汽輪機，各家製造廠正在積極進行技術準備，如開發大口徑閥門、開發更長的末葉片以使得技術更具經濟性，但總體來說不存在無法攻克的技術難題。
百萬等級核電汽輪機未來發展的另一個方向是空冷核電汽輪機，如果國家“十三五”規劃對內陸核電解禁，則空冷核電汽輪機的市場需求就不會遙遠。上汽百萬等級核電汽輪機結構本身就適用於空冷汽輪機，且在空冷長葉片的開發上具有雄厚的技術實力，因此核電汽輪機的開發沒有技術瓶頸。
對於壓水堆核電汽輪機，除了向更高功率等級發展外，另一個方向是小型模組化反應堆的發展，國內如中核的ACP100 堆型，中科華的ACPR100、低溫堆、ACPR50S，國外如美國NUSCALE、MPOWER、SMR 堆型， 韓國SMART 堆型，俄羅斯KLT－40S堆型，阿根廷CARE－25堆型等。小型堆具有安全性高、集成度高、建設周期短等特點，項目集合供熱、製冷、海水淡化、船用等其他功能，具有很好的市場前景。
重水堆中子經濟性很高，可以使用貧鈾燃料。由於核島技術的壁壘，在我國只有秦山三期項目建設2台重水堆機組。但隨著我國核電站數量的逐步增多，核廢料的再利用變成一個必須解決的問題。重水堆可以利用稍加處理的輕水堆核廢料作為燃料，進一步提高鈾的利用效率。因此，不排除我國未來為輕水堆建設配套一定比例重水堆的可能性。對汽輪機而言，重水堆蒸汽發生器出口參數略低於常規壓水堆，因此相較於同功率等級，配套重水堆的核電汽輪機通流面積要稍大，但對汽輪機設計難度不大。
在四代堆型方面，我國發展相對成熟的是高溫氣冷堆和快堆，相較於三代堆型，四代堆型安全性更高，經濟性更好。上汽配套供應了我國首台200MW 等級的高溫氣冷堆示範電站項目的核電汽輪機，該項目預計2019年投入商業運行，其投運成功將極大地促進國內第四代堆型的快速發展。國內已有用戶在積極推動600MW 等級的高溫氣冷堆和快堆項目，未來市場前景廣闊。
這兩種堆型的主蒸汽壓力與常規超高壓火電汽輪機相當，其中高溫氣冷堆的主蒸汽溫度達到超超臨界火電參數，考慮到核電站設計壽命一般為40年到60年，汽輪機高溫部件的蠕變考核是需要特殊考慮的一個因素。汽輪機其他方面的設計與常規火電汽輪機相同。
總結
根據國內外各種核電堆型的發展，最後對我國核電汽輪機的發展方向進行了分析和預測，得出結論如下：
1.全面進入三代堆型的核電汽輪機是未來市場的主流；
2.壓水堆核電汽輪機正向著更大功率的方向發展；
3.內陸核電的逐步放開可能催生空冷核電汽輪機的需求；
4.四代堆型核電汽輪機機遇初顯；
5.小堆汽輪機發展有特定需求；
6.未來可能適量建設部分重水堆核電汽輪機。
作為一種清潔能源，核電在我國未來市場前景廣闊。核電汽輪機已基本上實現國產化，國內三大汽輪機製造商均具備獨立設計、製造核電汽輪機的能力。
