核电汽轮机去湿与防腐蚀关键问题探究.doc

核电汽轮机去湿与防腐蚀关键问题探究摘 要：从理论上阐述核电湿蒸汽汽轮机的特点，重点讨论湿汽对核电汽轮机 运行造成的影响介绍了大型汽轮机低压通流去湿和防侵蚀常规措施和一些新型 防侵蚀措施和结构关键词：核电汽轮机; 湿蒸汽; 侵蚀腐蚀; 去湿防蚀Abstract：This paper describes the characteristics of the nuclear wet steam turbine. It emphases discussing the effects of the wet steam to the wet steam turbine . The routine methods of moisture removing and erosion resistant and new measures and structures of erosion resistant for steam path of nuclear steam turbine are introduced.Key words: nuclear steam turbine; wet steam; erosion & corrosion; moisture removal& corrosion prevention引言核电是一种经济、安全、可靠和清洁的能源, 相比煤电而言, 一台1 000MW 级核电站每年可减少标准煤耗250万,t从而减排580万t二氧化碳，0. 4万t二氧化 硫和1. 2万t—氧化氮。

[1]虽然福岛核电站事件对我国核电事业发展造成一定影 响，安全高效地发展核电,实现未来清洁能源发展仍是必然趋势 [2]汽轮机是核电安全运行的重要组成部分大型汽轮机的最末几级叶片经常工 作于湿蒸汽区湿蒸汽中的水滴不仅降低了级效率，而且腐蚀了动叶片，缩短了 叶片的工作寿命，增加了机组运行的安全隐患核电汽轮机由于采用饱和蒸汽或 过热度不大的蒸汽，往往高压叶片已工作于湿蒸汽区，湿蒸汽造成的影响更加严 重因此对于工作于湿蒸汽区的叶片，必须采取去湿或防侵蚀措施，从而降低湿 气损失并保证叶片的安全性 [3]1 核电湿蒸汽汽轮机的特点 1 ． 1 初参数低且湿度大反应堆供给汽轮机的蒸汽参数较低, 压力一般为 40~70 MPa,湿度为0.25% ~ 0.40%,温度大约270°C , 即为略带湿度的饱和蒸汽这比常规火电汽轮机初参数低 得多核电汽轮机的热力过程曲线如图1 所示, 图中虚线 段abcde表示1台进汽压力16.7 MPa的常规亚临界中间 再热汽轮机的过程线饱和线上方为过热蒸汽区, 下方为 湿蒸汽区虚线段ab表示蒸汽在高压缸内的膨胀过程， bc 段表示高压缸排汽的再热过程, cd 段表示中压缸内 的膨胀过程, de 段表示蒸汽在低压缸内的膨胀过程。

仅 有低压缸中（ de 段） 末几级叶片处于饱和线以下的湿蒸 汽区工作, 其余均在过热区核电汽轮机在高压缸进口, 蒸汽在6.0~ 7.0MPa下，进入时为略带湿度的饱和蒸汽， 温度约270 C经实线段AB膨胀至高压缸出口，湿度增加到大约12%左右，进 入汽水分离再热器去湿及再热至大约有70 C过热度，如线段BC所示然后进 入低压缸膨胀，如线段CD所示可见，核电汽轮机只在低压缸部分与常规火电 汽轮机有相似的工作过程， 其初参数低， 压力仅为亚临界机组的1/3， 临界、超 临界机组的1/ 4， 同时湿度大， 工作段大部分处于湿蒸汽区1 .2 进汽量和容积流量大由于核电汽轮机初参数低， 其有效焓降仅为常规火电汽轮机的50% 左右， 致使同等功率机组， 核电汽轮机的进汽量是火电机组的2 倍， 而容积流量则为4~ 6 倍， 同时疏水量也猛增 [4]2 湿汽对核电汽轮机运行的影响 2. 1 湿汽损失与运行经济性 湿汽损失主要包括热力损失、气动损失和阻滞损失a 热力损失由于湿汽中水分的存在， 减少了汽流的有效作功流量; 由于汽流 速度很快， 原该凝结的一部分蒸汽还来不及凝结， 这部分蒸汽的汽化潜热来不 及释放出来， 出现过冷膨胀， 其焓降小于理想膨胀过程的焓降， 造成过冷损失。

b气动损失 因水滴的膨胀性差，悬浮 在蒸汽中的水滴需要靠汽流的 带动而消耗汽流的一部分动能; 水滴虽依靠汽流的带动得到加 速，但其静叶出速度clx远小 于汽流的速度cl，导致水滴 进入动叶的相对进汽角plx远 大于蒸汽进入动叶的相对进汽 角pl，w lx的方向冲向动叶 的背弧， 如图2 所示水滴不 断撞击动叶背弧而致使动叶叶 型遭受破坏， 使叶型损失增加; 同理，在动叶出口处，由于水 滴流速低于蒸汽流速， 当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时， 水滴将撞击在喷嘴 进口的背弧上, 扰乱了汽流而造成能量损失;蒸汽与水滴运动速度的不相等, 还 将使汽流内产生漩涡, 造成动能损失c 阻滞损失当水滴撞击在动叶进口背弧时, 将阻止动叶的旋转运动, 消耗了一部分叶轮的 轮周功, 造成能量损失2. 2 导致汽轮机机件的侵蚀 湿汽中水滴的存在不仅造成一定的能量损失,同时还将对汽轮机的机件造成侵 蚀在湿汽环境中工作的汽轮机, 受到的侵蚀腐蚀一般有冲击侵蚀、缝隙侵蚀、 冲刷侵蚀和应力腐蚀等4 种2. 3 对凝汽器产生冲刷腐蚀 凝汽器的冲刷腐蚀发生在冷却水管的汽侧, 当蒸汽挟带水滴高速冲刷冷却水管 时, 在多次重复冲击下, 冷却水管外表面逐渐变得粗糙, 最终将导致冷却水管 的管壁穿孔。

2. 4 限制负荷变化率和变化次数核电汽轮机多数级工作在湿汽区, 湿蒸汽的温度与压力的一一对应的当机组甩 负荷或负荷大幅度快速变化时, 通流部分的汽温将随汽压的变化而剧烈变化,而 湿蒸汽的对流换热系数又特别大, 这将使汽轮机金属表面的温度也会随负荷的 变化而大幅变化, 导致零部件内部产生较大的温度梯度和较高的热应力, 引起 热疲劳损伤因此, 核电汽轮机应更严格限制其负荷变化率和变化次数2. 5 水膜和疏水闪蒸引起超速 在核电汽轮机的汽缸、汽水分离再热器和回热抽汽管道等腔室和管道中积聚的疏 水, 包括其内壁面和转子表面上覆盖的水膜, 这些水分均处于饱和状态当事故 停机或甩负荷时, 由于主汽阀关闭后使这些腔室和管道内压力骤降, 其内大量 的水膜和疏水将闪蒸成蒸汽, 这些附加蒸汽可使机组转子的转速快速升高15%~ 25%, 这样会进一步加剧汽轮机超速, 危及汽轮机的运行安全可见, 湿汽中水 分的存在对汽轮机的经济安全运行都是极为不利的[5]3 核电湿蒸汽汽轮机通流防侵蚀、腐蚀措施3 .1 积极的防侵蚀措施3 .1.1 去湿防侵蚀措施以饱和蒸汽作为工作介质的核电汽轮机，其经济性和可靠性在很大程度上取 决于蒸汽流道中的去湿效果，通流部分水分减少，能减轻动叶片和静子部件的侵 蚀损坏，并降低甩负荷时因汽轮机负荷变化导致部件表面水膜闪蒸而引起的超速 影响；水分的减少可以降低水膜的形成数量进而减少水膜和汽水附面层间的摩擦 损失和相间摩擦损失。

水分的减少，还能增大有效功流量，减少水滴碰撞所消耗 的能量，从而提高了机组的经济性和可靠性实际上汽轮机通流部分只能去除大水滴，它们在总含水量中又只占不大的比 例然采取这种措施非常有效，因为正是这种大水滴和水膜才引起叶片和通流部 分其他元件的浸蚀，并成为湿度引起的机械损失的原因汽轮机采用的去湿方法 主要有内部去湿和外部去湿两种a. 高压内缸疏水孔核电汽轮机高压缸均处于湿蒸汽工作区域内，排汽湿 度为12%左右因蒸汽密度大，水分呈细小雾状，通常不存在水滴对动叶片撞击 侵蚀问题，然而通流部分积水，则会造成严重的侵蚀损坏事故为此，从可靠性与经济性出发，必须考虑去除高压缸内水分高压蒸汽中的水分均匀呈雾状，并 与主蒸汽流相似的速度运动，所以高压缸很少采用去湿结构，而较多考虑的是消 除积水的可能性一般在高压内缸下半底部有疏水接管，用来排走进汽腔室的积 水在高压外缸各腔室的积水通过底部抽汽口排出，不需要另外设计疏水孔，就 可以保证腔室内不积水b. 动静间去湿孔和静叶汽道中的去湿静叶和动叶间设去湿孔（见图3）， 此孔穿过动叶顶部的隔板（汽封）环，将水滴抽除到机组最后一级抽汽口中在 末级静叶汽道中设去湿孔（见图4），用以将累积在末级隔板外环上的水分在其 重新落入汽道中和撞击末级隔板外环之前抽除，并通过内缸壁上的孔抽除至排汽 压力区域。

在排汽导流环和低压内缸结合的垂直法兰面处留有5 mm间隙（如图4）, 可以去掉末级动静叶间水分这种去湿装置同时有助于提高末级动叶的抗腐蚀能力图3 静叶和动叶间去湿孔图4 静叶气道中去湿孔c. 由于水滴的径向上升与其轴向位移平方成正比，因此在动静间距增大时 去湿效果明显提高增大静叶和动叶之间的轴向间隙，可以加长水滴行程，有助 于间隙中弥散大水滴的升速和碎化，使水滴可以充分的雾化，减少水滴对动叶的 冲击[6]d. 在湿度比较高的级内将静叶做成中空，在容易集聚水膜的叶片表面开出 专用槽，以抽吸掉附在叶片表面的水分，把流道表面的水膜中的水分导走槽内 去湿效率主要由槽的形状和开槽位置决定，根据经验，一般去湿槽设置在叶片进 汽部分背弧或出汽部分内弧去湿更有效e. 采用蜂窝汽封次末级和次次末级动叶顶部采用蜂窝汽封（图3），各蜂窝 眼可以收集叶片流道内的水汽，增强去湿能力，并能提高机组效率末级未采用 蜂窝汽封是因为其本身抗冲蚀的能力较低，在末级湿度很大的环境里很容易遭到 损坏蜂窝汽封的轴向位置不应覆盖住动叶出汽边，经验表明，超过动叶出气边 位置以外的蜂窝汽封极易被腐蚀掉f. 级间抽汽去湿在利用上述的去湿方法的同时在级间抽汽会提高去湿效果， 能将汽缸壁面上附着的和蒸汽中的一部分水分随同蒸汽抽吸出去。

但这样需要从 循环中抽走部分尚有一定做功能力的蒸汽因此，除了在回热抽汽处自然抽吸含 水量偏高的蒸汽外，在任何具体的场合采用这种去湿方法的可行性需要在经济上 进行讨论[7]3.1.2 其它的积极防侵蚀措施a. 选择半转速核电汽轮机一般认为在给定的排汽湿度下，叶顶速度的高低 是影响叶片侵蚀程度的主要因素国外公司根据经验数据，整理出一个影响侵蚀 速率的公式，K越大表示侵蚀的速率越快0.0110.0090.0070.005K二[（u-244）/304]2 ・ m0.8 （KV5〜6） 式中：u——顶部速度，m/s； m——蒸汽湿度从以上公式可以看出，动叶片的 圆周速度大，冲击速度也 大由于半速汽轮机叶顶线速度比全速汽轮机较低， 所以在采用相同的叶片材料、相同的防水蚀措施情况下，半速汽轮机叶片的侵蚀 情况没有全速汽轮机严重图5是针对典型的全速机和半速机, 应用范围是由强 度限制和综合技术经济分析得到的根据图5所给定区域, 不必进行任何计算, 只须凭经验估计出合理背压即可0.003400 600 800 1000 1200 1400b. 选择合理的设计参数主要采用可控涡设计方法和增大级焓降c. 选择合理的分缸压力。

核电汽轮机设计多采用1个高压缸（或高中压合缸） 加2~ 3个低压缸的结构对于压水堆相配套的核汽轮机来说，当分缸压力在0.4〜 0.5 MPa时，低压缸通流部分的侵蚀磨损实际上与火电汽轮机没有本质区别（在 采用相同的材料下）当分缸压力大于0.6 MPa、湿度为2%〜3%时冲蚀现象较严 重，所以必须选择合理的分缸压力d. 添加防腐剂向蒸汽中注入十八胺微量添加剂，可使工作叶片的水滴冲刷 冲蚀强度减少，并降低汽轮机中及湿蒸汽抽汽中的湿度损失这是由于处于水膜 中的较小量的十八胺实际上完全沉积在表面上，成为氧化物-水膜分界面上腐蚀 抑制剂，这样通过锁闭氧化层中的微孔及减小其内扩散过程的强度来降低冲蚀腐 蚀过程的腐蚀影响程度同时，采用十八胺可减小水膜形成的。