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半速汽轮机经济性比较

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，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%。

半速汽轮机安全可靠性

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。

半速汽轮机投资成本

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。

半速汽轮机发展潜力

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，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: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。

火力发电厂或核能发电厂的汽轮发电机皆采用卧式结构，如图1所示，发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。汽轮发电机最基本的组成部件是定子、转子、励磁系统和冷却系统。

定子

汽轮发电机的定子如图2所示，由定子铁芯、定子绕组、机座等部件组成。

(1)定子铁芯。定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、导磁性能良好的冷轧硅钢片叠压而成。大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大，硅钢片冲成扇形，再用多片拼装成圆形。

(2)定子绕组。定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。每个槽内放有上下两组绝缘导体(亦称线棒)，每个线棒分为直线部分(置于铁芯槽内)和两个端接部分。直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的导体有效边，线棒端接部分则起到连接作用，把相关线棒按照一定的规律连接起来，构成发电机的定子三相绕组。中、小型汽轮发电机的定子线棒均为实心线棒，而大型汽轮发电机由于散热的需要，多采用内部冷却的线棒，譬如由若干实心线棒和可通水的空心线棒并联组成。

(3)机座及端盖。机座的作用是支撑和固定发电机定子铁芯。机座一般用钢板焊接而成，必须有足够的强度和刚度，并能满足通风散热的要求。端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成发电机内部完整的通风系统。

转子

汽轮发电机的转子如图3所示，主要由转子铁芯、励磁绕组(转子绕组)、护环和风扇等组成，是汽轮发电机最重要的部件之一。由于汽轮发电机转速高，转子受的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式的，以便更好地固定励磁绕组。

(1)转子铁芯。发电机转子本体采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。沿转子本体表面轴向铣出用于放置励磁绕组的凹槽。槽的排列方式一般为辐射式，槽与槽之间的部分为齿，俗称小齿。未加工的部分通称大齿，大齿作为磁极的极身，是主磁通必经之路。

(2)励磁绕组。励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组，线圈则用矩形扁铜线绕制而成。励磁绕组放在槽内后，绕组的直线部分用槽楔压紧，端部径向固定采用护环，轴向固定采用云母块和中心环。励磁绕组的引出线经导电杆连接到集电环上，再经过电刷引出。

(3)护环和中心环。汽轮发电机转速很高，励磁绕组端部承受很大的离心力，所以要用护环和中心环来紧固。护环把励磁绕组端部套紧，使绕组端部不发生径向位移和变形；中心环用以支持护环，并防止端部的轴向移动。

(4)集电环。集电环分为正、负两个集电环，由坚硬耐磨的合金锻钢制成，装于发电机转子的励磁端外侧。正、负两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端，并借电刷装置引至发电机励磁系统上。

(5)风扇。风扇装于发电机转子的两端，用以加快气体在定子铁芯和转子部分的循环，提高冷却效果。

冷却系统

发电机运行时，其内部产生的各种损耗会转化为热能，引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发，发热问题更显得严重。如果发电机温度过高，会直接影响绝缘的使用寿命，因此冷却对于大型汽轮发电机是非常重要的问题。

励磁系统

励磁系统的主要作用是：

①发电机正常运转时，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出。

②发电机并列运行时，使无功功率分配合理。

③当系统发生突然短路故障时，能对发电机进行强励，以提高系统运行的稳定性。短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。

④当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防止电压过分升高。

⑤发电机发生内部故障，如匝间短路或转子发生两点接地故障时，能够对发电机自动减磁或灭磁。