320 MW核電汽輪發電機組優化升級改造技術方案研究

史進淵，孔德萍

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠320 MW核電機組是我國第一臺投入商業運行的核電機組，1991年12月15日并網發電，至2015年年底已安全、穩定運行24年。按照國外核電機組的運行經驗，當核電機組服役臨近原設計壽命時，通常實施運行許可證延續(OLE)。截至2016年3月，美國核管理委員會已經批準了83臺核電機組的運行許可證延續[1]。秦一廠320 MW核電機組的原設計壽期為30年，汽輪發電機組經過技術改造通?？裳娱L使用20年。根據國外核電汽輪發電機組運行許可證延續經驗，需要提前5年(即在2016年運行25年)確定秦一廠320 MW核電汽輪發電機組優化升級改造的技術方案?？紤]到國內缺少核電汽輪發電機組的整體優化升級改造的技術積累和業績，從2015年起，有關單位合作開展320 MW核電OLE項目的汽輪發電機組優化升級改造技術方案的研究工作。

1 汽輪機與發電機的服役現狀分析

1.1 增容與延壽的可能性

秦一廠核電汽輪發電機組原設計銘牌功率為310 MW，供方保證功率(也稱最大連續功率TMCR)為330 MW。2007年發電機定子線圈改造后，銘牌功率改為320 MW。秦一廠一回路的安全分析都是建立在反應堆熱功率1035 MWt基礎上的，電廠試驗結果表明，汽輪發電機組的功率達到330 MW時，反應堆熱功率小于原設計方案TMCR工況對應的1025 MWt[2]，秦一廠核島設備還有一定的功率余量。秦一廠320 MW核電汽輪發電機組的原設計方案，二回路的設計是以汽輪機保證功率達到了330 MW以及閥門全開工況進入汽輪機的蒸汽量為2015 t/h(冷卻水溫18 ℃)為依據。試驗結果表明，汽輪發電機組的功率達到330 MW時，汽輪機的進汽量為1866.46 t/h，小于原設計方案的2015 t/h[2]，二回路也有一定的功率余量?；谝陨显?，秦一廠320 MW核電汽輪發電機組具有一定的增容潛力。

隨著運行時間增長并超過原設計壽期30年，飽和蒸汽核電汽輪機關鍵部件累積壽命損傷增大，呈故障集中出現趨勢，非計劃停運率快速上升。發電機存在絕緣事故頻發、發電機線圈絕緣損壞等安全風險。秦一廠核電汽輪發電機組原設計壽期為30年，再延續運行20年風險較大，沒有足夠的依據。為此，秦一廠320 MW機組的運行許可證延續，有必要對秦一廠320 MW汽輪機和發電機等關鍵部件進行優化升級改造，使汽輪發電機組的使用壽期再延長20年。

1.2 汽輪機存在的問題

在秦一廠320 MW核電汽輪機的46級葉片(高壓缸9×2，低壓缸7×2×2)中，高壓缸18級葉片(9×2)全部葉片為反動式直葉片，低壓缸第1級至第4級葉片共有16級葉片(4×2×2=16)為反動式等截面葉片，低壓缸第5級至第7級還有12級(3×2×2)采用早期技術設計的扭葉片，末級葉片高度為869 mm，這些早期設計的汽輪機葉片的級效率比較低。

汽輪機2號軸瓦和3號軸瓦夏季金屬溫度或回油溫度比較高，尤其是夏天海水溫度較高的期間，兩臺冷油器的冷卻水流量開到最大，2號軸瓦回油溫度短時達到78.1 ℃(汽輪機產品說明書上報警值設置是77 ℃，停機值是82 ℃)，除極限狀態天氣外，其余時間回油溫度均在正常范圍內。在夏季高溫天氣，海水溫度達到35 ℃時，冷油器出口溫度達到45 ℃，高于設計值38～42 ℃(40±2 ℃)，控制室顯示的汽輪機2號軸瓦回油溫度為78 ℃，現場表計為80 ℃，超過77 ℃報警值，接近82 ℃停機值。

主汽調節閥高負荷段存在調節特性不佳問題。主汽調節閥為柱塞式單座閥，共有4個，閥徑342 mm(13.438 in)，采用節流配汽，4臺閥門同步開啟，均由單獨油動機控制。4個調節閥油動機的最大物理開度分別為：265 mm、266 mm、268 mm、269 mm。汽輪機功率達到300 MW時，調節閥開度在37%左右，可實現快速動態響應。功率提升至320 MW后，由于進汽量變化，調節閥開度控制在41%左右，一般不超過45%。2014年夏季調節閥開度達到最大值51%，從流量特性曲線來看，不利于汽輪機DEH的控制，影響汽輪機調節閥快速動態響應。

1.3 發電機存在的問題

秦一廠320 MW汽輪發電機，是上海發電機廠生產的第一代雙水內冷發電機。秦一廠發電機原設計銘牌功率為310 MW，原設計最大功率為330 MW。秦一廠320 MW汽輪發電機定子額定電壓18 kV，低于恰西瑪同類核電汽輪發電機額定電壓20 kV。由于定子額定電壓18 kV偏低，增容后定子線圈電流增大，改造增容的技術難度較大。

發電機和勵磁機的風溫都超過原設計的40 ℃報警值，后來制造廠修改了報警值，改為45 ℃。再次增容后，又面臨風溫都超過45 ℃的風險。機座端部表面溫度升高，某些地方超過100 ℃，機座端部外表面油漆變色，原因有可能是2007年發電機增容后，局部漏磁增大所致。

1.4 優化升級改造的目標

1)通過汽輪機與發電機的技術改造，秦一廠320 MW核電汽輪發電機組在設計壽命30年的基礎上運行許可證再延續20年，累計安全經濟運行50年。

2)汽輪機與發電機的技術改造完成后，秦一廠320 MW汽輪發電機組的功率增加至改造方案一340 MW，或改造方案二350 MW。

3)通過優化升級的技術改造，提高秦一廠汽輪機與發電機的安全可靠性，解決汽輪機與發電機存在問題的安全隱患，消除影響機組安全運行的主要風險。

4)汽輪機與發電機的改造部件(不包括易損件與消耗品)的設計使用壽命不少于30年，改造后汽輪機與發電機大修周期不少于6年，質保期內不得出現由于改造原因而導致汽輪機與發電機的強迫停運，汽輪機與發電機除碳刷消耗品外所有經過改造易損件的使用壽命不少于一個大修周期。

2 汽輪機優化升級改造采用新技術

2.1 汽輪機改造方案的熱力參數

汽輪機改造方案一，通過對汽輪機高壓缸與低壓缸的通流部分進行優化升級改造，提高汽輪機的功率，功率由320 MW提升至340 MW/330 MW，即供方保證功率TMCR與冬季工況的功率超過340 MW，夏季工況功率達到330 MW。

汽輪機改造方案二，通過對高壓缸與低壓缸的通流部分進行優化升級改造，提高汽輪機的功率，功率由320 MW提升至350 MW/340 MW，即供方保證功率TMCR與冬季工況的功率超過350 MW，夏季工況功率達到340 MW。

汽輪機原設計方案熱力計算結果列于表1，汽輪機的兩個優化升級改造方案的熱力計算結果列于表2和表3。在表1～表3中，反應堆熱功率Wth估算公式為

表1 汽輪機原設計方案熱力計算結果

表2 汽輪機改造方案一的熱力計算結果

表3 汽輪機改造方案二的熱力計算結果

(1)

式中：G0——主蒸汽流量，t/h；

h0——主蒸汽焓，kJ/kg；

hf——給水焓(kJ/kg)。

2.2 汽輪機優化改造的新技術

通過采用先進的整體通流優化設計技術、高效彎扭葉片設計技術、三維彎扭馬刀型動葉片與靜葉片、末級905 mm長葉片、低壓缸進汽口與排汽缸等汽輪機通流部分優化設計技術，以顯著提高汽輪機的效率為主要技術手段來增大汽輪機的功率。采用整體圍帶葉片、新型整體高壓內缸、新型斜撐板低壓內缸等成熟結構，簡化汽缸內部組件結構，明顯改善機組密封性，以提高汽輪機的安全性，有利于加工、安裝與檢修的質量保障，也有利于電廠現場裝配與檢修，有效縮短了現場的安裝、調試與檢修時間。

保留原有汽輪機外缸，兩個改造方案的相同部分包括：汽輪機優化升級改造的部件包括高壓轉子、高壓靜葉片與動葉片、高壓內缸、低壓轉子、低壓靜葉片與動葉片、低壓內缸、低壓軸承、DEH系統等。汽輪機改造方案二和改造方案一的主要區別是，改造方案二還更換了主汽調節閥、外缸軸封、高低壓轉子聯軸器螺栓、低壓轉子的聯軸器等部件。

2.3 汽輪機問題的消缺措施

針對秦一廠核電汽輪機320 MW負荷附近高壓調節閥調節特性不佳問題，通流改造后高壓調節閥進汽量增加后調節閥特性會進一步惡化的問題，高壓調節閥的改造方案一是替換閥芯部分，以改善高壓調節閥密封性；高壓調節閥的改造方案二是更換兩個高壓主汽調節閥。結合汽輪機DEH控制系統的改造，給出綜合的解決方案。

針對到夏季高溫天氣發生的汽輪機2號軸瓦回油溫度超過報警值的問題，推薦采用32號潤滑油、采板式換熱器、提升工業水泵功率(流量)等三條消缺措施?？紤]到2016年與2017年夏季的高溫，2號軸瓦回油還有可能超過報警值，不能等到2018年改造中再解決這些問題，建議在下一次大修中安排相關項目，實施改進措施，以保證汽輪機的安全運行。

3 發電機優化升級改造采用新技術

3.1 發電機改造方案基本參數

發電機改造方案一，通過更換轉子線圈、護環、勵磁系統、空氣冷卻器、水系統以及監測系統等易損件，定子線圈導線截面不變，轉子線圈導線截面放大，轉子線圈絕緣減薄，提高發電機功率，適當提高功率因數，發電機具備增容到340 MW的能力。

發電機改造方案二，在改造方案一的基礎上，再更換定子線圈，定子與轉子線圈導線截面均放大，定子與轉子線圈絕緣均減薄，提高發電機功率，發電機增容到350 MW。更換定子線圈后，秦一廠核電汽輪發電機改造后功率可以達到350 MW。

發電機原方案基本參數列于表4，發電機兩個優化升級改造方案的基本參數列于表5。

表4 發電機原設計方案基本參數

表5 發電機兩個優化升級改造方案基本參數

3.2 發電機優化改造的新技術

秦一廠320 MW雙水內冷汽輪發電機屬于第一代大型汽輪發電機，1000 MW火電與核電汽輪發電機技術屬于第三代汽輪發電機。改造方案二定子線圈的絕緣設計，采用成熟的18 kV汽輪發電機定子絕緣三代新技術，線圈絕緣工作場強由原來的2.0 kV/mm提高到2.5 kV/mm；開發新型線圈內屏蔽結構和防暈結構，提高定子線圈絕緣及電氣性能。通過對發電機端部固定絕緣方式的研究, 開發發電機定子整機防暈結構。采用低、中、中高、高阻帶相結構的高電壓防暈結構，以降低溫升。更換上下層定子線圈，采用第三代發電機技術，調整定子線圈空、實心導線尺寸，定子線圈導線截面積增加約9.3%。應用1000 MW核電汽輪發電機技術，定子線棒上下層連接采用球型接頭技術，并采用絕緣盒灌膠固化代替手包云母帶絕緣結構，絕緣可靠性更好，免去了端部電位外移法測量絕緣表面電位。應用1000 MW火電汽輪發電機技術，定子線圈端部采用了整體灌膠固定結構，減小端部線圈受到應力，提高端部線圈防暈能力以及端部線圈整體性和阻尼系數，并可以防止異物進入、提高端部防水、防灰能力。

更換發電機轉子線圈及其絕緣件、墊塊，轉子線圈導線截面積增加約5.84%。更換汽側、勵側護環及護環絕緣，護環材料由原來的18Mn5Cr4WN改為強度更好的1Mn18Cr18N。更換轉子主引線、引水拐角、絕緣引水管、密封件等。取消發電機轉子勵端聯軸器，更改軸頭。發電機轉子勵側新配一套進水管，利用原有刷架底架，新制作一套進水支座，更換新設計的安全型刷架、底架和外罩。

秦一廠320 MW核電汽輪發電機原設計方案，采用三機勵磁系統，改造方案一和改造方案二均采用靜態勵磁系統。通過發電機的勵磁系統由三機勵磁改為靜態勵磁，具有軸系縮短、效率提高、運行可靠性提高、勵磁系統響應速度提高等優點。增加勵磁變壓器，若增容至340 MW，勵磁變壓器容量為3000 kVA，變比18 kV/0.95 kV(考慮8%裕度)；若增容至350 MW，勵磁變壓器容量為3150 kVA，變比18 kV/0.97 kV(考慮8%裕度)。

采用EPC增容改造服務模式，對秦一廠320 MW汽輪發電機及勵磁系統進行技術升級和優化改造。制造商承包所有與發電機相關設備的性能診斷、工程設計、現場改造施工、試驗等工作，并提供個性化定制的一條龍服務。

3.3 發電機機問題的消缺措施

通過空冷器改造，滿足增容后發電機冷卻的需要。用穿片式空氣冷卻器替代原有的繞簧式冷卻器，在空冷器小室位置不變的前提下，提高換熱器的換熱效率及換熱功率，消除夏季發電機風溫超過原設計40 ℃報警值以及汽側和勵側存冷風約有8 ℃的溫差等缺陷。

針對現有發電機機座結構，兩個改造方案采用了防漏磁設計，預防機座端部溫度隨增容進一步升高。改造方案二對發電機定子線圈結構進行了重新設計優化，定子端部結構采用1000 MW火電及1000 MW核電汽輪發電機的先進成熟技術，改進定子線圈端部冷卻風路設計，以消除發電機機座兩端表面溫度過高缺陷，降低發電機座端部表面溫度。

4 經濟效益與社會效益分析

秦一廠320 MW核電汽輪發電機組的優化升級改造之前的機組功率為320 MW，優化升級改造的經濟效益與社會效益分析取改造后的平均功率，即改造方案一的平均功率為335 MW，改造方案二的平均功率為345 MW。根據電力可靠性管理中心的統計數據[4]，秦一廠320 MW核電汽輪發電機組的利用小時，取2004年至2013年10年的平均利用小時數TUTH為7744.455 h。秦一廠320 MW核電機組優化升級改造后，每年新增發電量計算公式為

ΔGAG=(NOLE-N0)TUTH

(2)

式中：ΔGAG——發電機組每年新增發電量；

NOLE——發電機組優化升級改造后的功率；

N0——發電機組優化升級改造前的功率；

TUTH——年利用小時數。

分析經濟效益時，上網電價近似取浙江省火電機組上網電價范圍的下限值0.3853元/kW·h(0.3853～0.4226元/kW·h)[5]。為了簡化分析，假定改造前后的廠用電量、核能成本等運營成本與各種稅率的變化忽略不計。分析社會效益時，供電煤耗取2019年全國火電機組平均值307 g/kW·h[6]，按晉北煙煤計算,燃用1 t標準煤產生2.804 2 t CO2、0.016 45 t SO2和0.003 729 t NOx[7]。秦一廠320 MW核電汽輪發電機組的優化升級改造方案的經濟效益與社會效益的分析結果列于表6。由表6知，兩個改造方案的經濟效益良好，節能減排社會效益顯著，可以為浙江省“技術減煤”做出積極貢獻。綜合考慮經濟與社會效益，改造方案二比改造方案一更優。

表6 經濟效益與社會效益分析結果

5 結論

1)鑒于秦一廠320 MW核電汽輪發電機組原設計壽命是30年，實施運行許可證延續，有必要對秦一廠320 MW汽輪機和發電機進行優化升級改造，使汽輪發電機組的使用壽命再延長20年。

2)秦一廠320 MW核電汽輪機原設計通流部分共有46級，其中有34級葉片(高壓缸9×2，低壓缸4×2×2)為等截面直葉片，另有兩個低壓缸末三級共有12級葉片(3×2×2)為早期設計的扭葉片，與同類型機組的先進水平相比有明顯差距。

3)對秦一廠汽輪機與發電機的優化升級改造方案進行了深入的研究，得出了汽輪機與發電機及勵磁系統的優化升級改造的兩個方案，方案一增容至340 MW，方案二增容至350 MW，并針對存在問題提出了消缺措施，工程上可行。

4)秦一廠320 MW核電汽輪發電機組的兩個優化升級改造方案，主要通過提高汽輪發電機組的效率來達到提效增容的效果，所采用的汽輪機先進的整體通流優化技術和第三代發電機技術均是成熟技術，技術方案先進，技術路線合理可行。

5)秦一廠320 MW核電汽輪發電機組優化升級改造目的實施，可以實現已有發電設備資產的增值，兩個優化升級改造方案，經濟效益與社會效益顯著。綜合考慮經濟效益與社會效益，推薦更優的改造方案二。

6)秦一廠320 MW核電機組OLE項目的汽輪發電機組優化升級改造技術方案，涉及延壽、提高效率、增容、消缺和提高經濟效益與社會效益等內容。優化升級改造技術方案的深入細致的研究工作，為改造項目的成功實施，奠定了扎實的技術基礎，并制定了美好的“藍圖”。

致謝：本項目的有關工作，得到了楊宇、鄧志成、汪勇、徐佳敏以及齊漣、鄒遠波、山雪峰等人的大力支持，在此深表謝意。