核电汽轮机上海汽轮机厂核电汽轮机的发展

上汽设计、制造了我国首台核电汽轮机，也是我国唯一拥有核电汽轮机出口业绩的制造厂。上汽共获得22台汽轮机合同订单，所配堆型涵盖CNP300、CPR1000、AP1000、ACP1000、华龙1号、高温气冷堆等。

1.1300MW 等级压水堆核电汽轮机

上个世纪80年代末期，上汽设计了秦山一期项目饱和蒸汽压水堆310MW 核电汽轮机，正式步入核电汽轮机的设计、制造领域。该机型自1991年投运以来性能优异，安全可靠。该机型经过不断优化改进，功率从310MW 提升到340MW，其改进机型于2000年跨出国门，成功出口巴基斯坦，装备恰希玛一期项目，2007年签订第二台出口合同，2010年签订第三、第四台出口合同。该系列机型的开发和研制获得了国家科技进步特等奖。

该系列机型由一个高压缸和两个双流低压缸组成，采用全转速设计，在低压缸进口前设置汽水分离再热器。该机型的开发借鉴了成熟的火电汽轮机中、低压模块，根据核电汽轮机湿蒸汽的运行特点，增加了除湿钩、堆焊耐腐蚀合金材料，采用蜂窝汽封、末叶片进汽边堆焊司太利合金等系列除湿、抗应力腐蚀手段。

2.1000MW 及以上功率等级压水堆核电汽轮机

上汽共获得16台1000MW 等级以上核电汽轮机订单，其中配CPR1000堆型汽轮机8台，配AP1000堆型汽轮机4台，配ACP1000堆型汽轮机4台。

（1）配CPR1000核岛堆型的核电汽轮机配CPR1000堆型核电汽轮机目前已成功投运4台，机组各项性能指标优异，赢得了市场的肯定。已做性能试验的阳江1号机机组实测出力修正后比保证值大17MW，2号机组实测出力修正后比保证值大31MW。

该机型由一个双流高压缸和两个双流低压缸组成，汽轮机采用半转速设计，低压缸进口前设置汽水分流再热器。

汽轮机采用全周进汽，高压第一级采用特殊的斜置静叶技术。为了有效地降低低压末几级湿蒸汽对动叶片的侵蚀，低压末级静叶采用空心静叶抽吸技术、末级动叶采用火焰淬硬或激光硬化技术等措施来避免水滴对低压动叶的损坏。汽轮机高压转子采用整锻转子设计，低压转子采用独特的红套技术，并在中间轴、轮盘等关键部位通过喷丸、辊压等技术有效避免应力腐蚀的出现。

（2）配AP1000和ACP1000核岛堆型的核电汽轮机

2009年，上海电气获得桃花江项目4台AP1000内陆核电订单，并完成了汽轮机的相关设计。2013年，上海电气获得巴基斯坦的K2K3项目2台ACP1000核电汽轮机订单，该项目也是我国首台出口的百万等级核电汽轮机。这两个项目采用相同的高、低压模块，仅是通流叶片根据不同堆型的蒸汽流量分别重新设计。

该机型同样由1个高压缸和2个低压缸组成，高压和低压模块均为全新开发，通流叶片采用先进的AIBT 技术设计，具有较高的通流效率。低压模块采用了上汽自主研发的焊接转子结构，使得锻件的供应更有保障。考虑到低压缸结构尺寸比CPR1000核电汽轮机大得多，采用了低压内缸落地的支撑方式，保证了机组的安全性和经济性。本机型汽轮机国产化率可达到98%以上。这两个项目汽轮机机型均由上汽自主设计、制造。

（3）核电汽轮机模块系列化开发

根据我国1000MW 等级核电汽轮机的发展现状和发展趋势，上汽开发了3个高压缸模块，可以满足国内外不同核岛堆型蒸发量的需求。

却水温的核电汽轮机选配。上汽根据各种反应堆容量及可能的背压范围，完成了“大容量核电汽轮机低压长叶片框架规划”研究课题。为满足在各种不同背压、不同容量条件下，所有机组末级叶片的通流能力配置均能处在最佳范围的要求，上汽建立一个排汽面积按一定比例间隔配置的低压长叶片模块系列，对应的末叶片单流排汽面积分别为20m2，26m2和30m2。

以上3种排汽面积长叶片可满足现阶段1000MW 等级以上压水堆、各种背压条件下机组的配置要求。不同低压模块组合可适用的背压范围在2．5～16kPa，满足从南方到北方，从沿海到内陆单、双背压的各种核电项目汽轮机的需求。

（4）1000MW 等级核电汽轮机长叶片开发

长叶片的开发是汽轮机开发中最核心的技术之一。为了适应我国核电发展的需要，上汽从2006年开始启动了半转速核电汽轮机长叶片系列化的开发工作，目前已形成了高度为1420mm、1710mm和1905mm的长叶片核电汽轮机长叶片系列，并正在开发超过2200mm高度的长叶片。

长叶片的开发技术体系分为总体方案设计、流场设计、强度振动及结构设计、叶片级的精细化设计、实物叶片振动试验及专题研究验证共6个阶段。

应用全三元CFD 流场计算软件，对动静叶冲角特性、沿叶高反动度特性、出口总压分布特性、子午面通道型线流畅性和扩张规律等方面进行调整和优化，以达到最优效率。在叶片结构设计和强度振动计算方面，上汽在多年工程经验的基础上，结合有限元计算和考核方法，在叶根轮槽、离心应力、合成静应力、动强度考核、围带/凸台接触力考核、振动模态和频率特性等关键点进行考核计算，保证机组的安全可靠性。

除了根据上汽长叶片设计体系进行理论分析外，针对核电叶片的开发，还进行了大量的试验验证工作。包括叶片的动频试验、叶根光弹试验、叶根拉断试验、湿蒸汽试验等。

2012年，根据《汽轮机长叶片试验和验证规程》中对汽轮机长叶片研制过程中所需做的试验要求，上汽与上海成套设计研究院、西安热工研究院合作，依托哈尔滨广瀚新能动力有限公司蒸汽轮机试验台，对1710mm叶片进行模化湿蒸汽试验。试验采用1∶3．5等比例模型试验，对1710mm末叶片末三级叶片进行动应力测试及气动试验研究。

（5）1000MW 等级核电汽轮机焊接转子开发

汽轮机低压转子锻件有整锻转子、红套转子和焊接转子三种形式，针对半转速核电汽轮机，由于结构尺寸巨大，通常采用红套转子或焊接转子，为了摆脱转子锻件对进口的依赖，开发焊接转子就显得非常有意义。

上汽具有50多年的焊接转子设计、制造运行经验，至今已经成功焊接制造各类转子467根，其中432根已经投入商业运行，没有出现一例因焊接质量造成的停机返修事故，赢得了良好的声誉。

应用于江苏南通电厂的1000MW 等级全转速超超临界汽轮机的低压焊接转子已成功投运，其转子材料与核电汽轮机低压转子相同，但其设计应力水平比半转速核电汽轮机低压转子稍高。该转子投运至今运行良好。

焊接转子由若干个轮盘锻件组成，通过特殊的焊接工艺焊接而成。由于采用了较小的轮盘锻件，不仅锻件质量更有保障，而且锻件可实现国产化。

低压焊接转子各轮盘锻件的结构形式和焊缝的数量取决于转子的应力分析结果，应用有限元自动寻优软件可以获得最优的叶轮型线，使得转子的应力分布尽量均匀且都在安全范围之内。

由于半转速核电低压转子的尺寸和质量较常规机组大得多，因此转子的高周疲劳就是不得不考虑的问题，针对此，上汽有两种设计方法：一种是基于断裂力学理论的无限寿命分析，另一种是基础疲劳理论的疲劳寿命分析。前者通过计算获得转子表面和内部允许的裂纹临界尺寸，通过焊接工艺和检测技术来保证转子在整个寿命期内的安全可靠；而后者则是首先通过计算转子载荷谱，确定转子疲劳损伤较大的位置，其次通过试验获得转子材料的S－N曲线，最后通过名义应力法（SN法）、Miner线性损伤累积等疲劳理论，计算转子的疲劳寿命。

焊接工艺是保证焊接转子质量的关键技术，为了验证焊接质量，上汽进行了大量试验件焊接试验，并对不同尺寸模拟件进行解剖测试，主要包括模拟件焊接试验验证、焊接接头性能测试、残余应力测试、焊接接头硬度测试、弯曲性能测试、金相组织分析、室温及高温拉伸性能测试、冲击性能测试、疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹门槛值试验、断裂韧性分析、高周疲劳分析、应力腐蚀敏感性分析等。

上汽经过50余年的焊接技术的开发和积累，掌握了整套的焊接转子检测和评估手段，不仅包含工厂加工后检查，而且还包含转子的在役检查。虽然上汽已经从设计和工艺的角度保证了转子整个寿命期内的安全运行，即用户无需在大修时对焊接做特殊检查，但用户有此方面的需求，上汽亦可为用户提供全方位技术支持。

3.高温气冷堆核电汽轮机

上汽承接了我国首台具有第四代反应堆特征的高温气冷堆核电汽轮机的研制。不同于常规的压水堆核电汽轮机，高温气冷堆汽轮机的进汽温度达到了常规超临界火电汽轮机的水平，进汽压力则与火电超高压汽轮机相同。

由于进汽参数较高，进汽容积流量相对较小，汽轮机采用全转速设计。汽轮机由1个单流高压缸和1个双流低压缸组成。汽轮机的分缸压力为0．8MPa，高压缸排汽过热度约为30℃，因此不设置汽水分离器，同时通过技术经济性比较，亦取消了中间再热器，使得系统极大的简化，提高了机组安全性。取消汽水分离再热器后，低压缸排汽湿度增加到11．26%，比常规机组略高，为了降低其对末叶片的影响，采取了特殊的末级静叶加热除湿系统 。

自秦山一期300MW 等级核电机组于1991年成功投运以来，中国核电汽轮机的设计开发已经走过了20多个年头，其间由于核电安全的特殊性，中国核电的发展相对比较缓慢。

我国已投入商业运行的核电机组共计27台，分布于秦山、岭澳、大亚湾、田湾、宁德、红沿河、阳江、福清、方家山、防城港等10个核电基地。加上目前在建的24台核电机组，我国核电的总装机容量达到5000万kW，但要达到2020年前5800万kW的目标，至少还需核准8台百万等级核电机组，鉴于核电项目建设周期长的特殊情况，该目标实际上已无法按时完成。

从2006年开始，我国新核准的压水堆核电项目功率均为1　000MW 等级以上，堆型由二代堆型逐渐过渡到以CPR1000为代表的二代半堆型和以AP1000、ACP1000、华龙1号、CAP1400等为代表的三代堆型。此外，国家正在组织对CAP1700堆型核电技术进行技术攻关，未来也将成为我国具有自主知识产权的主力堆型之一。相对应配套的汽轮机的功率等级也向着更大容量的方向发展。

1000MW等级以下压水堆核电汽轮机主要是基于秦山一期和秦山二期的300MW 等级和600MW 等级核电汽轮机。其中秦山一期300MW 等级核电汽轮机由上海汽轮机厂（上汽）设计制造，为我国首台核电汽轮机，该机型的改进型后续出口到巴基斯坦4台，为我国首个也是唯一一个核电汽轮机出口机型。600MW 等级压水堆核电汽轮机全部由哈尔滨汽轮机厂（哈汽）设计制造，共计生产6台，安装于秦山二期和海南昌江核电项目。

以上两种核电汽轮机机型全部采用全转速设计，高、低压模块是在常规火电汽轮机的中、低压模块的基础上优化而来。我国目前唯一的重水堆核电机组安装于秦山三期核电项目，其汽轮机由日立公司提供。2008年，我国核准了山东石岛湾示范项目，该项目采用具有第四代核电特征的高温气冷堆，配套汽轮机由上汽设计制造，该项目已进入加工制造阶段。

我国1000MW 等级的核电汽轮机几乎全部采用进口。大亚湾核电站汽轮机进口于GEC公司，岭澳一期核电站汽轮机进口于ALSTOM 公司，田湾核电站汽轮机进口于列宁格勒金属工厂。上述核电站均属于二代堆型，投运较早。巧合的是，上述机型均采用了全转速设计。经过20余年的发展，我国已全面掌握大功率、半转速核电汽轮机的设计制造方法，关键部件已基本实现国产化。国内核电项目的汽轮机的供应主要由东方汽轮机厂（东汽）、上汽和哈汽三家厂商提供。其中东汽由于早期分包ALSTOM 在中国的核电汽轮机订单最早进入核电制造领域，凭借此优势，CPR1000堆型核电汽轮机的订单数量最多。哈汽在AP1000堆型核电汽轮机订单数量上也取得不错的成绩，但由于核岛主泵技术原因导致项目脱期，到目前为止还没有实际的投运业绩。上汽从2006年开始，全面开始了1000MW 等级以上核电汽轮机的设计、制造技术攻关，并形成了系列化产品。

中国是能源消费大国，而我国能源消费结构中化石燃料发电占比仍接近70%。随着人民生活水平的提高，公众对大气环境污染的容忍度越来越低。为此，我国提出了绿色发展、建设环境友好型社会、大力发展清洁能源的战略方针。

核电和其他能源相比具有独特的优势，其燃料能量密度高、负荷稳定、生产过程零碳排放，因此大力发展核电是解决我国巨大能源需求和环境治理问题的优选方案之一。国家能源发展战略行动计划（2014－2020年）中提出，在采用国际最高安全标准、确保安全的前提下，适时在东部沿海地区启动新的核电项目建设，研究论证内陆核电建设。到2020年，核电装机容量将达到5800万kW。

核电汽轮机作为核电站常规岛中最关键的设备之一，未来市场前景广阔，因此有必要对我国核电汽轮机的发展现状进行总结，并根据未来核岛应堆的发展趋势对核电汽轮机的发展方向进行预测，提前布局和研发，以更好地适应我国核电发展的需要 。

经过20多年的发展，我国已基本掌握核电汽轮机设计、制造的关键技术，可以为核电的发展提供有力的支撑。核电汽轮机的发展取决于核岛技术的进步，因此，各制造厂有必要对未来国内外核岛技术的发展做出预判，从而实现提前布局。

在1000MW 等级及以上压水堆核电技术方面，未来的趋势是向着更高功率等级的方向发展，并逐步摈弃二代以及二代半技术，全面进入三代堆型建设期。当下中国百万等级核电三代堆型市场主要是以AP1000、ACP1000和华龙1号堆型为主，其中对于ACP1000和华龙1号堆型，我国拥有自主的知识产权，是核电走出去的主力堆型。这些堆型对应的核电汽轮机技术已经成熟，完全可以实现国产化。此外，我国自主研发的CAP1400堆型已经开建，所对应的汽轮机输出功率等级约1500MW；CAP1700核岛堆型的关键技术正在联合攻关，所对应的汽轮机输出功率等级约为1900MW。

针对这两个堆型所对应的核电汽轮机，各家制造厂正在积极进行技术准备，如开发大口径阀门、开发更长的末叶片以使得技术更具经济性，但总体来说不存在无法攻克的技术难题。

百万等级核电汽轮机未来发展的另一个方向是空冷核电汽轮机，如果国家“十三五”规划对内陆核电解禁，则空冷核电汽轮机的市场需求就不会遥远。上汽百万等级核电汽轮机结构本身就适用于空冷汽轮机，且在空冷长叶片的开发上具有雄厚的技术实力，因此核电汽轮机的开发没有技术瓶颈。

对于压水堆核电汽轮机，除了向更高功率等级发展外，另一个方向是小型模块化反应堆的发展，国内如中核的ACP100 堆型，中科华的ACPR100、低温堆、ACPR50S，国外如美国NUSCALE、MPOWER、SMR 堆型， 韩国SMART 堆型，俄罗斯KLT－40S堆型，阿根廷CARE－25堆型等。小型堆具有安全性高、集成度高、建设周期短等特点，项目集合供热、制冷、海水淡化、船用等其他功能，具有很好的市场前景。

重水堆中子经济性很高，可以使用贫铀燃料。由于核岛技术的壁垒，在我国只有秦山三期项目建设2台重水堆机组。但随着我国核电站数量的逐步增多，核废料的再利用变成一个必须解决的问题。重水堆可以利用稍加处理的轻水堆核废料作为燃料，进一步提高铀的利用效率。因此，不排除我国未来为轻水堆建设配套一定比例重水堆的可能性。对汽轮机而言，重水堆蒸汽发生器出口参数略低于常规压水堆，因此相较于同功率等级，配套重水堆的核电汽轮机通流面积要稍大，但对汽轮机设计难度不大。

在四代堆型方面，我国发展相对成熟的是高温气冷堆和快堆，相较于三代堆型，四代堆型安全性更高，经济性更好。上汽配套供应了我国首台200MW 等级的高温气冷堆示范电站项目的核电汽轮机，该项目预计2019年投入商业运行，其投运成功将极大地促进国内第四代堆型的快速发展。国内已有用户在积极推动600MW 等级的高温气冷堆和快堆项目，未来市场前景广阔。

这两种堆型的主蒸汽压力与常规超高压火电汽轮机相当，其中高温气冷堆的主蒸汽温度达到超超临界火电参数，考虑到核电站设计寿命一般为40年到60年，汽轮机高温部件的蠕变考核是需要特殊考虑的一个因素。汽轮机其他方面的设计与常规火电汽轮机相同。

根据国内外各种核电堆型的发展，最后对我国核电汽轮机的发展方向进行了分析和预测，得出结论如下：

1.全面进入三代堆型的核电汽轮机是未来市场的主流；

2.压水堆核电汽轮机正向着更大功率的方向发展；

3.内陆核电的逐步放开可能催生空冷核电汽轮机的需求；

4.四代堆型核电汽轮机机遇初显；

5.小堆汽轮机发展有特定需求；

6.未来可能适量建设部分重水堆核电汽轮机。

作为一种清洁能源，核电在我国未来市场前景广阔。核电汽轮机已基本上实现国产化，国内三大汽轮机制造商均具备独立设计、制造核电汽轮机的能力 。2100433B

中文名称：[核电用]饱和蒸汽汽轮机；英文名称：saturatedsteamturbine；其它名称：核电汽轮机；

简要介绍

在压水堆、沸水堆、重水堆和气冷堆等堆型的核电站中，常采用进汽压力为5～7兆帕的饱和蒸汽轮机。除沸水堆核电站外，其他堆型核电站的饱和蒸汽轮机的工质蒸汽均不直接与核反应堆接触，基本上无放射性污染，汽轮机的运行操作人员不需要特殊保护。改进型气冷堆和一些新型反应堆（如熔盐增殖堆、快中子堆）核电站能提供 500℃以上的过热蒸汽，因而同火电站一样，可采用亚临界或超临界压力的高温再热汽轮机，所用汽轮机的类型和要求也与火电站的基本相同。第一台核电站汽轮机于1954年使用，单机功率为 6兆帕。为了降低核电站单位功率造价，单机功率发展很快。50年代末单机功率接近300兆瓦,到60年代达600～700兆瓦，70年代初期已有1000兆瓦级的单机出现，80年代投入运行的单机功率已达1300兆瓦。

压水堆核电站的汽轮机与火电厂的汽轮机在原理上没有什么差别，只是由于反应堆冷却剂温度的限制，在蒸汽发生器中只能产生压力较低的饱和蒸汽或微过热蒸汽。与火电厂的高参数汽轮机相比，核电站的饱和汽轮机汽耗约大一倍，排汽容积流量约大60～70％，它的转轮叶片也较长，主要部件的尺寸和重量也相应增大。

饱和蒸汽汽轮机是在湿蒸汽区工作，蒸汽在汽轮机各级膨胀过程中产生大量水分。为了防止水蚀，除对在水蚀区工作的部件喷镀或堆焊一层13％的铬钢保护层外，一般在高压缸与低压缸之间装有汽水分离再热器，以提高循环效率并减少叶片水蚀。核电站的饱和蒸汽汽轮机，在事故条件下，超速较大，要采取措施加以防止。2100433B