核电汽轮机低压末级叶片低负荷运行安全性分析

核电汽轮机低压末级叶片低负荷运行安全性分析

张明

福建福清核电有限公司  福建 福清  350318

摘要：核电厂中有许多重要的设备，关系供电系统的安全，如果设备发

摘要：伴随着社会用电量的增长，电力能源处于供应过剩的状态。我国核电机组运行期间不再满功率运行，始终处于低负荷运行现象。在本篇文章中，主要分析和探究了核电汽轮机低压末级叶片低负荷运行安全性问题。

关键词：核电汽轮机；低压末级叶片；低负荷运行；安全性

我国颁布了有关于增强电力系统调节能力的指导性文件，按照各项区域调节能力的基本需求，制定完善的工程施工方案，保持灵活性。在汽轮机中，汽轮机末级叶片是非常重要的一项部件，本身与汽轮机安全运行有着密切的联系。基于此，就需要综合性的分析以及评估汽轮机末级叶片处于低负荷状态下的基本性能，结合实际情况提出合理的解决方式，从而达到电厂内汽轮机稳定运行的目的。

1、低负荷深度调峰期间末级叶片具体现状

1.1长叶片鼓风现象

在蒸汽流量逐渐降低的背景下，蒸汽进入动叶入口角呈现出了大范围增加的现象，进入动叶分速度减少，演变为了负值的现象。蒸汽非但不做功，而是消耗主轴能量。长叶片进入鼓风状态，排气温度持续性上升。为了确保排汽不超温，需要投入喷水，喷水形成的水滴从长叶片根部卷吸作用下直接侵蚀动叶出汽边，从而增加了长叶片水蚀现象出现概率。

1.2末级叶片效率下降现象

为了与深度调峰要求相符合，处于低负荷运行状态下，末级叶片长时间从小容积流量工况运行。容积流量下降以后，末级流动产生了负攻角，从叶片压力面形成了附面层的分离，产生扩压流动现象，形成脱流。基于容量流量的减小，脱流高度增加，脱流领域占据着非常大的比例，低压级效率降低。

1.3末级叶片动应力增大

在小容量流量工况中运行期间，受到流畅混乱等因素的影响，使叶片动应力逐渐提升。通过分析低压缸末级叶片动应力试验情况可以看出，在容积流量减小的状态下，相对容积流量上升到相应值以后，增加了叶片振动应力，然后升到最大值，容积流量减小，振动应力下降。振动应力和相对容积流量两者为非单调的变化关系。随着容积流量的不断改变，叶片动应力先增长然后减少。低负荷过程中叶片的动应力和设计工况相比较而言处于非常高的水平，叶片的疲劳寿命缩短，难以确保叶片自身安全性。

2、工程案例

核电汽轮机的参数低、流量及湿度均较大，具备节流调节的特点，其容量匹配主要以机随堆模式为主，通流裕量较小，与火电机组不同。半速机和全速机比较，前者圆周速度小，所以应力较小，对于水腐蚀方面有较好的性能，但是半速机的制造的成本较全速机高。所以，选型时主要结合地区实际情况、经济、技术指标，以及机组实际容量等来进行确定。在本文中，以某项凝汽轮机举例说明，经过实践探究，明确认识到此种机组处于不同负荷运行状态下排气温度和湿度的具体变化现象。

2.1低负荷深度调峰期间末级叶片区域温度以及湿度的具体变化现象

在冬季时，受到天气因素的影响，机组背压非常低，末级叶片排气温度处于稳定状态。而夏季的时候，天气炎热，机组背压提升，处于40%负荷状态中，末级叶片排气温度十分稳定。在该项负荷状态下，因为末级叶片进入鼓风现象，排气温度持续性上升。在没有采取任何应对方式时，必定影响到机组运行稳定性。通常来讲，当电厂在排气温度上升到报警值以后，可以开启低压排气缸喷水装置，有效控制排气温度，避免排气温度持续性上升而直接影响到机组运行状态。

2.2低负荷深度调峰期间低压缸流场变化状态

小容积流量中的低压缸第一级以及第二级流动现象十分均匀，第三级静叶叶根部进口处发生了流动相互分离的状态，根部发生了回流。在次末级后存在着十分明显的回流涡系，回流区范围十分大。从叶顶动静叶中间领域内也有相应的漩涡结构，漩涡能量停滞耗散形成了高温区，因此出现了末级叶片排气温度持续性上升的状态。

2.3机组深度调峰时末级叶片效率和低压缸效率的实际变化

在冬季十分寒冷的季节内，机组背压非常低，末级叶片不会产生鼓风现象。只有负荷远远低于30%的状态下，才会产生一定的鼓风效应，气流混乱，甚至出现倒流，不利于提升低压缸流动效率。夏季气温较高时候，机组背压增高，末级叶片存在着鼓风效应。负荷低于50%的状态下，末级叶片进入了鼓风领域，使负荷低压缸效率随之降低。

3、核电汽轮机低压末级叶片低负荷运行安全应对策略

第一，增强叶片的刚性以及增加叶片阻尼，降低低负荷运行状态下的基本动力。可以采取叶根强度性能极高的枞树型叶根。该项叶根处于均匀地受力状态，加工十分简便，拆卸方面，产生的作用良好，是设计末级叶片的关键。

首先，从叶片高度为50%的叶高位置添加性能良好的拉筋叶片，旋转状态下两只叶片的拉筋部分基于离心力的作用相互结合到一起。在被高速气流所冲击以后，因为全部的叶片结合到了一起，因此增强了叶片叶轮结构的刚性和强度，受损概率是非常低的。与此同时，拉筋的存在也提升了叶片自身的固有频率，阻尼特征增加。虽然叶片出现了振动现象，不过该种现象处于较低的范围中，对叶片造成的损害程度不高。在动叶片叶顶设置自带围带，利用成型刀具对围带和型线本体有效加工，进而提升围带的强度。在规范性设计的基础上，借助型线本体的扭转规律高速运行，因为型线部分扭转，因此围带也会结合到一起，将此种结构称之为动叶片扭转恢复成圈。在全面设计的基础上，让单个的动叶片在高速旋转时连接形成一项整体，调整和改善叶轮叶片振动模式，降低振动应力。其次，合理的降低末级叶片的高度以及机组末级叶片发生鼓风效应的负荷点，提升低负荷末级叶片的安全性和稳定性以及低负荷末级叶片的效率，降低末叶高度在机组低负荷运行状态下有着极高的作用，能够将经济效益发挥到最大化。相关人员结合实际情况，适当的增加叶片安全检测系统，利用该项系统动态性的检测叶片的振动情况和温度场。该项系统产生的作用良好，具体操作优势是将非接触涡流式叶片振动间隙传感器安装到末叶顶部，传感器则是安装到静止气缸上。经过叶片以后，调整信号，获取叶片的振动位移、频率等多项信息，为叶片振动特征验证和脱落等故障信息提供良好的依据。通过从末级和次末级叶顶处汽侧增设温度测点的形式，检测两级工作温度情况。对末级叶片的重点区域，包括进汽边和出汽边进行超音速防水蚀喷涂。喷涂的基本运行原理为：①以汽轮机低压转子末级叶片水蚀机理及特点为主，选择性能良好的金属类型材料，该项材料产生的防水蚀性能高。②当完成了叶片喷涂后，在高负荷运行状态下，能够改善和发挥出进气侧叶顶区域的防冲刷性能。而在低负荷时，则能全面保护动叶片出气边回流水滴的冲击。

4、结语：
    以上所述，为了提倡我国能源政策，提升火电机组深度调峰能力，就应当结合实际情况综合性的评价汽轮机关键部件特别是末级叶片，必要的情况下，优化和改进末级叶片，进而确保末级叶片在深度调峰时的安全性。通过对各项叶片进行对比计算，全面论述了优化末级叶片的几项要点，从而为核电厂深度调峰运行和设备改造奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]陈娟，徐大懋.核电汽轮机的特点及选型[J].热能动力工程，2022，11（04）：459-462，472.
[2]冀润景.核电汽轮机选型中需关注的几个问题分析[J].东北电力技术，2022，20（11）：41-46.
[3]冀润景.核电汽轮机选型中需关注的几个问题分析[J].发电设备，2022，11（03）：220-224，236.

[4]王刚,郝庆福.核电站汽轮机运行特点与监控诊断系统的研究[J].产业与科技论坛,2022,17(08):74-75.