[科普中国]-半速汽轮机

半速汽轮机与全速汽轮机比较经济性比较

1.热效率比较

在机组入口参数(主蒸汽压力、温度、湿度、流量)确定的情况下，汽轮机的效率主要取决于通流部分效率和排汽损失等。

(1)通流部分效率

在现代汽轮机设计中，由于使用现代流体力学计算技术和采用三维优化设计，减小了各项损失，使汽轮机通流部分效率有明显的提高。无论是全速汽轮机还是半速汽轮机，对通流部分效率的提高已经接近了目前的开发极限。相比而言，由于叶片较长、级数减少等结构特点，半速汽轮机通流部分效率比全速汽轮机高一些。

(2)排汽损失

在蒸汽流量一定情况下，排汽面积越大，余速越低，余速损失越小。所以要减少余速损失，就需要较长的汽轮机末级叶片，以增大排汽面积。半速汽轮机由于末级叶片可以设计得比较长，能够提供较大的排汽面积，从而减少了排汽损失，提高了汽轮机的热效率。分析结果表明，排汽余速损失约为40 kJ/kg，机组的热力循环效率最好。另外转速降低，减少了湿蒸汽对叶片的侵蚀，改善了蒸汽的流动特性，从而也提高了热效率。

2.百万千瓦级核电汽轮机热效率

根据世界上各大核电汽轮机制造商的介绍情况，目前百万千瓦级核电半速汽轮机热效率比全速汽轮机高，平均高出2%最多的高出3.3%。如果反应堆热输出功率为2 905 MW，即相当于出力提高9.6%。2

安全可靠性1.应力水平

一般来讲，全速汽轮机与半速汽轮机静子部件的应力水平大致相当，但对于转动部件来说两者的应力水平差别就比较大。由离心力引起动叶片的拉伸应力的公式：δ=MRω2(式中：M-动叶片的质量；R-动叶片的平均旋转半径；ω-角速度)。可看出：应力是与转速的平方成正比。如果1 500 r/min和3 000 r/min的汽轮机使用相同的动叶片(即M相等)，那么全速与半速应力之比就是4: 1，这是理论上的比较。实际情况是全转速汽轮机转子应力比半转速高1.3 ~2倍。对于大功率机组，全速汽轮机转动部件的应力水平往往用到许用应力的极限，所以，从这一角度比较，对于大功率汽轮机，半速机组的安全裕量更大些。

2.汽缸的稳定性

在功率等级相同条件下，半速汽轮机尺寸和重量比全速机大，因而承受外界对机组产生的力和力矩的能力比全速汽轮机强，其稳定性优于全速机。
3.抗侵蚀、腐蚀能力

核电汽轮机大约2/3的作功在低压缸内完成，虽然核电汽轮机低压缸的进汽参数核火电差不多，但由于核电汽轮机在低压缸内的焙降较火电多，因此核电汽轮机低压缸的排汽湿度较大，一般高达12%-14%。发生侵蚀、腐蚀的部件，除动叶片外大部分与转速无关。由于末级及次末级长叶片长时间在湿蒸汽区工作，因此受侵蚀腐蚀情况比火电机组要严重得多。如果不作防水蚀处理，叶片运行一段时间后会因水滴冲击产生水蚀，在叶片顶部背弧进汽边处会出现蜂窝状的凹坑或被冲击成锯齿形。叶片的水蚀，不但使叶片热力性能降低，还可能造成叶片断裂等事故。

在现代汽轮机设计中，控制叶片侵蚀常用的几种方法是:1. 增加去湿，去除动叶片由于离心力的作用而被甩到并聚集在隔板外缘延伸环上的水分。2. 增加动、静叶片之间的轴向间隙。3. 在叶片进汽边顶部进行防水蚀处，如焊接司太立合金片等。在高压和低压末级动叶片顶部进汽边开设径向导流槽。

4.运行的灵活性

半速汽轮机由于转子直径大、重量重，高压缸的汽缸壁较厚，导致热应力增大，在快速起动和变负荷适应性方面比全速汽轮机稍微差些，但由于核电机组大部分为带基本负荷运行，起、停、变负荷次数较少，加上核电的进汽参数比较低，因此热应力的影响不是太大。
5.机组的振动特性

半速汽轮机由于转速较全速低、转子重量重、转动惯量大，因此其对激振力的敏感程度比全速机低，抗振性能比全速机优。2

投资成本1.材料消耗

一般在相同功率等级的情况下，半速汽轮机组由于体积大，单个部件的重量要比全速机重得多，因此半速汽轮机的材料消耗量要比全转速汽轮机多。采用半速机后由于末级通流面积增加，低压缸的数量比全速机减少，因此对于整台机组来说半速汽轮机组的重量是全转速机组的1.2-2.4倍。

2.制造、起吊、运输、土建、安装等方面的成本

由于半速汽轮机的尺寸和重量比全速汽轮机大，使得半速汽轮机的制造、起吊和运输等方面的难度增加，从而增大了一系列的投资。

半速汽轮机与全速汽轮机在尺寸和重量上的差别较大的部件在低压模块。半速汽轮机低压内外缸体较大，末级叶片长，转子直径大。如低压转子装配后的重量接近200吨。这样就要求起吊吊车的吨位增大，低压内外缸加工机床、叶片加工机床、转子加工机床等加工设备都要相应增大。因而，制造厂在加工设备、起吊设备等方面需作适当的改造和更新，增加一定的投资，使制造成本相应提高。

由于半速汽轮机尺寸和重量的增大，相应的汽轮机基础的支承负荷也应加大。从而使汽轮机基础的支承梁的厚度增加、支承基础尺寸增大，在汽轮机运行平台上要求予留的检修面积增大。这就有可能使得厂房面积增加。使电厂厂房、汽轮机基础建设方面投资相应加大。

运输方面，由于半速机重量和尺寸的增大，使得运输难度增大，运输吨位增加，相应的运输成本也会提高。

安装方面，由于半速汽轮机的重量和尺寸都大于全速汽轮机，这就要求安装现场的行车等大型起吊设施的起吊能力要增大，从而增加了起吊设备的投资。对于安装来说，安装费用包括人工费、材料费用、机械台班使用费。由于半速机的结构和全速机组相比除尺寸大、重量重外基本一样，安装方面也没有什么特殊要求，且半速机低压缸的数量相对全速机减少，因而安装的人工费、材料费应和全速机相差不大。但由于国内安装承包商缺乏安装半速机的经验，会遇到一些新的问题影响安装进度，需要外方提供更多的技术支持，这就有可能使安装费用增加。

总之，在投资成本方面，半速汽轮机比全速汽轮机的投资成本相应要高些。根据有关供货商介绍，设备造价和安装土建费，半速机比全速机高20%一30%(对整个常规岛相当于高7%左右)。但对于不同的供应商，结果是不同的，如日立公司提供的信息表明，对于半速机，如考虑低压缸、辅机(如MSR,凝汽器、除氧器、各类加热器等)的数量相对全速机减少，其整个核电厂常规岛部分的造价与全速机相当。2

发展潜力1.极限功率

由于核电站选址要求严格而又不太容易，且投资成本比较高，为了降低单位千瓦(KW)造价，在同样的厂址面积范围内增大单机的功率是降低造价的发展趋势。核电汽轮机功率一般为百万千瓦级，目前世界上最大的核电单机功率高达1 700 MW。末级叶片的通流能力是决定单机所能达到最大功率的主要因素。这样就要求不断增大汽轮机低压缸的排汽面积。为了增加排汽面积，要么增加低压缸数量，要么采用更长的末级叶片。

增加低压缸数量:目前运行的核电机组一般不超过3只低压缸，极少数采用4只低压缸。缸数的增加将使结构复杂、设计困难，尤其会给轴系的设计带来一些难以解决的问题。

采用更长的末级叶片:末级叶片的加长由于受到应力水平和材料的限制，全速机不可能采用很长的末级叶片，半速机的末级叶片可以适当加长。如ALSTOM的半速机末级叶片可达到1 450 mm，且已有几年的运行经验。末级叶片的加长，使得排汽面积增大，功率增大。从而使半速汽轮机的极限功率可以比全速汽轮机高。

一般分析认为，全速汽轮机适合用于1 200 MW以下，否则机组的安全可靠性不容易得到保证，而半速汽轮机则可达到1700 MW甚至更高。

2.发展趋势

从我国持续发展核电工业的政策出发，我国核电的本地化制造，不仅是百万千瓦级核电机组，而且要向1 200 MW, 1 300 MW, 1 500 MW, 1 700 MW甚至更高等系列发展。从这一方面来讲，半速汽轮机有更好的适应性，机组的安全可靠性更容易得到保证，有利于核电机组向大功率化不断发展。2

核电采用半转速汽轮机的原因低压末级叶片排汽面积决定饱和蒸汽汽轮机的最大功率，而末级叶片排汽面积取决于叶片的高度。所以为了增大功率就必须采取增加低压缸的数量或增加末级叶片的高度。

对于增加低压缸的数量来说，由于受机组轴系长度、轴系稳定性、转子的临界转速等限制，一般最多采用四个低压缸。此外随着机组轴系的加长，汽轮机厂房的投资也会增加。

末级叶片的高度增加，受到叶片材料应力和强度的限制。对于全速汽轮机来说，由于其转速是半速机的一倍，同样长度的叶片工作时承受到的离心力是半速机的四倍。因此全速汽轮机不可能采用较长的叶片。采用半速机在同样的末级叶片应力和强度的情况下，可使汽轮机的功率大约增加四倍。随着机组功率的不断增加，要求不断增加排汽面积，而排汽面积的增加受末级叶高增加的限制，因为随着叶高的增加，叶片的应力不断增大，采用全速机可能超过叶片材料的许用应力。采用半速机在满足末级叶高增加的同时，叶片的应力又不会超过叶片材料的许用应力，因此采用半速机组有利于提高单机的极限功率和机组效率，有利于降低叶片的设计难度。2

采用半速机另外的原因是在同样末级叶片情况下，由于叶顶速度降低，叶片的水蚀量减小，同时降低了转动部件的应力。在给定功率的前提下，由于可以采用更长的末级叶片来增加排汽面积，因此可以减少排汽缸的数量，降低设备及厂房的投资。2

半速汽轮机结构形式半速汽轮机的高中压合缸为低合金铸造汽缸，通流部分为前流高压段九级、后流中压段四级新蒸汽经主汽/调节联合阀配汽进入高压段，高压做功后的排汽经汽水分离再热器再热后进入中压段，中压做功后的排汽直接进入三个相同的双流低压缸汽轮机低压缸分为前流、后流各五级，汽缸采用双层缸结构，其内、外汽缸均为焊接结构;每个低压缸外缸下半、外缸上半均由两段拼合而成，外缸下半直接坐落在凝汽器壳体(喉部)上并与其焊接形成刚性连接;低压缸内缸上、下半组合件均由半内缸和两端的排汽缸(含扩散段一轴承室)三段独立部件通过螺栓连接而成，低压缸内缸通过两端轴承室的支承结构单独的支撑在汽轮机平台上，使其不承受与凝汽器真空变化和水位变化有关的荷载作用，减少了由于汽缸荷载变化对动静间隙的影响，也保证了良好的轴系对中和轴承的稳定性低压缸内外缸之间采用0型密封环密封，是典型的‘阿尔贝拉”结构，既可保证蒸汽不会外泄又允许内、外缸相对运动。1

半速汽轮机的安装安装流程1、基础准备，二次埋件安装

检查基础表面平整、无裂纹、孔洞、蜂窝、麻面和露筋基础应满足汽缸就位要求.将各纵横键块、导向键块吊起，就位，对其进行调整，并根据轴系扬度，使其中心线、标高满足要求根据垫铁布置图，利用丝”调整垫铁组的标高及水平度，在进行标高调整时注意考虑机组轴系的扬度.1

2、低压外缸组合

清理低压外缸下半(含垂直法兰)侧的垂直法兰面，确保无毛刺、锈蚀、污垢、表面防腐层应清除干净;低压外下缸组合在运转层平台上(至4车由)进行，在运转层平台上均匀布置斜垫铁组详见视图，用于外下缸的支撑及调整，现场可以在此基础适当添加斜垫铁组;将低压外缸下半(含垂直法兰)侧吊装就位在斜垫铁组上，然后通过斜垫铁组进行调整，确保水平中分面水平度0.05mm/m，复查垂直接配面的垂直度;调整完毕后点焊斜垫铁组侧面以及斜垫铁组与低压外下缸、斜垫铁组与地面钢板;将低压外缸下半(配准余量侧)吊装就位在斜垫铁组上，保证其与低压外缸下半(含垂直法兰)侧有约1-5mm间隙，然后通过斜垫铁进行调整，确保水平中分面水平度0.05mm/m;调整完毕后点焊1/3斜垫铁组侧面以及斜垫铁组与钢板;将低压缸两半垂直中分面拉紧，检查低压外缸下半及垂直接合面是否有间隙，如有则加装垫片;制作两个相同的水平压板，压板长为2000mm,宽度为低压缸法兰面，厚度为90mm，在压板上铰8个通孔，通孔中心的距离为对应低压缸螺孔中心的距离;将水平压板分别把合在低压外下缸左右两段水平中分面连接处，确保水平压板与低压外下缸左右两段无间隙;将8个锥销布置在低压缸四角及中间，拉钢卷尺检查低压外下缸上端、下端横纵向中心线;利用大平尺及合像水平仪或精密水准仪对低压外下缸水平接合面的平行度进行检查，使其符合要求0.05mm/m，否则应进行调整低压缸下半斜垫铁组;低压外缸焊接组合，在低压水平中分面四角架四只百分表，监测垂直方向百分表的变化，如果变化超过0.10mm则停止焊接在垂直中分面顶部左右侧各架2只表检测低压缸中分面错口变形，底部低压进气口每侧架两只表监视低压缸垂直方向以及左右方向变形.此处焊接变形超过0.10mm则停止焊接。1

3、轴系找中心
3.1轴系初步找中心
轴系初找中的意义在于确定前中轴承箱、1#,2#和3#低压内缸的纵横向位置，从而为外部管道连接创造条件轴系初找中时顶轴油系统还没有投用，此时禁止盘动转子将转子吊放在滚轮支架上，启动滚轮支架的电源，盘动转子约半个小时确保转子的"0"位标记位于顶部将转子吊装就位，并按K值轴向定位检查确保转子轴颈扬度符合设计要求，否则应进行相应的调整使用内径量表、量块或塞尺测量联轴器张口，使用深度千分尺测量联轴器同轴度偏差根据测量数值进行计算，确定各个轴承的抬高量，从而通过调整前中轴承箱、1#,2#和3#低压内缸底下的圆垫铁组来抬高/降低轴承箱或内缸，以消除上下方向的张口和同轴度偏差对于左右方向的张口和同轴度偏差，可通过顶移低压内缸来消除调整完毕后，重新进行轴系找中，确保张口和同轴度偏差符合设计要求:张口≤0.02mm，同轴度偏差≤0.02mm。1

3.2轴系精找中心
轴系精找中时，顶轴油系统要可用，盘动转子的专用工具(如防轴窜工具，两个联轴器的连接销等)已经准备完毕在转子上均分4个点并做好标记，然后安装两个联轴器法兰之间的连接销然后启动顶轴油泵，盘动转子约60分钟为了尽可能的消除转子暂态弯曲，可在轴系找中前将转子翻转180°，并确保此时各转子的“0”位标记位于顶部检查确保转子轴颈扬度符合设计要求，否则应进行相应的调整测量此时的张口和同轴度偏差启动顶轴油泵，将两条转子盘转90°，停止顶轴油泵，等待约20分钟后，重新测量张口与同轴度偏差，避免由于油膜尚未散除而引起数据偏差重新启动顶轴油泵，依次盘转两条转子至180°,270°和360°，并记录每一次的测量数据比较0°和360°的数据，应保持一致，否则应进行分析、纠正根据0°,90°,180°,270°四个位置的测量数值进行计算，确定各个轴承的抬高量，从而通过1#,2#低压内缸底下的圆垫铁组调整来抬高/降低轴承箱、内缸，从而消除上下方向的张口和同轴度偏差，确保张口和同轴度偏差符合设计要求张口≤0.02mm,同轴度偏差≤0.02mm。

4、各汽缸内部部件找中心

首先采用拉钢丝的方式初步找中心，然后使用按转子对中的方式找中心，最后在轴系中心与缸内部件找中心均已完成的情祝下安装所有汽封体_进行通流部分间隙的测量调整。1

安装优化1、顶轴油与润滑油回路投用方案优化
供应商安装程序中要求必须在顶轴油投用的情祝下方可盘动转子，因此，为配合轴系找中心、轴窜测量等工作，顶轴油回路需在汽轮机扣缸前可用按照正常的施工逻辑，顶轴油与润滑油回路安装结束后要经过3个月左右的油冲洗方可投用，若等到油系统冲洗完毕后再实施扣缸，将导致安装关键路径上直接损失近3个月的工期因此为
解决这一矛盾，决定采取临时措施，将顶轴油回路的冲洗剥离出来，单独进行。

设置临时油箱，容积为10m3，放置在常规岛厂房16m平台油室附近，其高度可以保证顶轴油泵入口压力为正首次启动时，通过板式滤油机将新油注入临时油箱，从顶轴油回路进入轴瓦后经回油母管回到主油箱当主油箱回油液位升到正常高度后，改为精密滤油机从主油箱吸油并过滤后注入临时油箱，这样，临时油箱内一直有干净的油，可以持续供给顶轴油回路。顶轴油回路的单独冲洗保证了汽轮机安装的正常进行，为汽轮机安装提供了有力保障1。

2、高中压缸负荷分配与管道安装方案优化
2.1按照供应商安装程序的要求，高中压缸需进行5次负荷分配
1)高中压缸未与外部管道连接前，进行首次负荷分配;
2)高中压缸与冷段下半管道连接完，且高中压缸和低压缸均与中排管道下半连接完后，进行第二次负荷分配;
3)高中压缸与热段下半管道连接完后，进行第三次负荷分配;
4)高中压缸与导汽管下半、抽汽管下半分别连接完后，进行第四次负荷分配;
5)高中压缸与所有上半管道连接完，且主汽门、中压汽门支架及所有管道支吊架均调整完后，进行最后一次负荷分配.
其中，中排管下半指高中压缸与两个低压缸间的整条下半管线，包含34道焊口(影响高中压缸负荷分配的有28道)，且管段直径都在1800mm~2600mm之间，将如此大的工程量都列为第三次负荷分配的先决条件，很可能耽搁后续管线与高中压缸的连接工作，从而拉长施工周期此外，考虑现场实际情祝与中排管安装工艺的要求，中排下半的第一段(下部Y型管)安装期间，高中压缸两侧的基础上必须为其保留吊挂钢梁，而钢梁势必将阻碍热段下半管道与高中压缸的对口连接_即中排管与热段下半的安装无法并行，明显不利于节省工期.
2.2考虑到负荷分配的目的在于把握引起高中压缸各猫爪承受载荷不均匀的原因，其执行的本质在于每组管道连接前后都需穿插一次负荷分配，而管道的分组及其连接的顺序并不是重点，因此，在征得供应商同意后，现场对高中压缸负荷分配与管道连接的方案进行了优化:
1)高中压缸未与外部管道连接前，进行首次负荷分配;
2)高排下半管道连接完，且支吊架调整完后，进行第二次负荷分酉己;
3)高导下半、高中压缸抽汽管下半连接完，且其支吊架调整完后，进行第三次负荷分配
4)中排下半连接完，且其支吊架调整完后，进行第四次负荷分配;
5)中导下半连接完，且其支吊架调整完后，进行第五次负荷分配
6)全部管道连接完，且主汽阀、中压蝶阀支架和全部管道的支吊架均调整完后，进行最后一次负荷分配
上述调整虽然增加了一次负荷分配，但其在正常情祝下半天或一天即可完成，而作为各次负荷分配先决条件的管道安装分组更加灵活更加合理，优化了汽较机扣缸后主线安装工作的整体工期。1