岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究

上海交通大学硕士学位论文岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究姓名：周富涛申请学位级别：硕士专业：核能和核科学技术指导教师：匡波;黄海飞20090501上海交通大学工程硕士学位论文摘要第I页岭澳核电站汽轮机提高出力改造的可行性研究摘要岭澳核电站汽轮发电机组设计额定功率为990MW，经过分析研究，发现其汽轮机高压缸隔板设计通流面积偏大5％－7％，保守估计导致机组少发电7.5WM。为解决此问题，需进行汽轮机高压缸通流改造，把原隔板更换为通流面积减小的新隔板，使汽轮发电机机组出力至少提高5.5MW。由于电站系统设备的设计冗余，机组1％的功率提升对一般系统设备影响有限。而自电站投产以来，发电机就存在温度偏高的问题，因此发电机是限制机组出力提升关键因素。本文对机组功率提升后，影响发电机安全运行的各方面因素进行了分析评价。同时，汽轮机高压缸通流减小后，汽轮机高压缸一级前进汽压力会升高，从而影响相关的机组运行控制系统：反应堆棒控系统（RGL）和汽轮机调节系统（GRE），本文对此影响进行了分析并提出了处理方法。对于电站投资较大的改造，利用动态收益的原则，本文对机组提高出力改造进行了成本利益分析，通过改造投资，维修成本，仓储成本，发电收益等多方面的分析比较，得出了改造的经济可行性结论。本文通过对岭澳核电站汽轮机提高出力改造的综合性分析，提出此改造对发电机安全运行的影响是可以接受的，对运行控制系统的影响可以通过修改刻度控制曲线予以解决；经过改造的经济利益分析，改造的收益大于成本，从经济的因素考虑也是可行的。上海交通大学工程硕士学位论文摘要第II页关键词：岭澳核电站，汽轮机，提高出力，可行性研究上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT第III页FEASIBILITYSTUDYONTURBINEPOWEROUTPUTINCREASEOFLINGAONUCLEARPOWERSTATIONABSTRACTBasedonthestructureanalysisofturbinewiththeratedoutputof990MWinLingAonuclearpowerstation,itisfoundthatdiaphragmintheHPcylinderofturbinehas5%-7%higherdesignedfluxarea,which,conservatively,willcausethegenerator’soutputdropbyatleast7.5MW.Inordertoeliminatethedefect,itisnecessarytoreducetheturbinehighcylinderfluxareabyreplacingdiaphragms,whichwouldincreasetheturbineoutputbyatleast5.5MW.Becauseoftheredundantdesignofequipmentsinnuclearpowerplant,theonepercentofturbineoutputincreasewillhavelimitedinfluenceoncommonequipments,butdohaveobviousimpacttowardsgenerator’soutput.Inthisthesis,amoredetailedanalysisandevaluationontheimpactstowardsthegeneratorafteroutputincreasehasbeencarriedout.Meanwhile,thedecreaseofturbineHPcylinderflowfluxwillcauseincreaseofthe1ststageinletpressureofturbinethatwouldfurtherinfluencetherelevantoperationcontrolsystemoftheunit,includingFullLengthRodControl(RGL)andTurbineGoverning(GRE).Thethesisanalyzestheinfluenceandputsforwardpertinentcountermeasures.Formodificationprojectswithhighinvestment,basedontheprincipleofdynamicbenefit,thethesismakesdetailedbenefit-costanalysisonthemodificationprojectofturbineoutputincreaseandreceivestheconclusionofeconomicalfeasibilityofthemodificationprojectbycomparingand上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT第IV页analyzingsuchmanyaspectsasmodificationinvestment,maintenancecost,warehousecost,generatingbenefitandsoon.ThroughcomprehensiveanalysisontheturbineoutputincreasemodificationofLingAonuclearpowerstation,thethesisdrawstheconclusionthatthemodificationinfluenceonthegeneratorisacceptableandtheinfluenceonoperationcontrolsystemmaybeeliminatedbycorrectingthecalibrationcurve,andtheresultofbenefit-costanalysiswithbenefitexceedingcostshowsthatthemodificationprojectisalsoeconomicallyfeasible.Keywords:LingAoNuclearPowerStation,SteamTurbine,OutputIncrease,FeasibilityStudy上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第1页第一章绪论1.1引言国家经济发展离不开对能源的需求，在可再生能源成本高昂的情况下，有限的不可再生能源仍然是能源需求的主要提供者，因此我国已经把节约能源上升到国家战略的高度。修订后的《中华人民共和国节约能源法》自2008年4月1日起施行，其把推动企业进行节能技术改造作为一项重要内容。《中华人民共和国节约能源法》明确指出，“能源资源问题是关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题。我们要从推动我国经济社会持续发展和人民生活水平不断提高的全局出发，全面分析能源资源形势，深入研究能源资源问题，全面做好能源资源工作，促进形成可持续的生产方式和消费模式，建立资源节约型国民经济体系和资源节约型社会，为实现全面建设小康社会的宏伟目标和我国的长远发展提供可靠的能源资源保证。”节约能源“是坚持和落实科学发展观的必然要求”，我们要“加快建立能源资源技术支持体系，加大国家对能源资源技术开发资金的投入，加紧研究开发影响未来能源资源发展方向的重大技术，集中力量研究开发提高能源资源利用效率的技术，依靠科技进步增强节约能源”。为适应我国日益增长的能源需求，国家对核电发展的战略规划由“适度发展核电”调整为“积极发展核电”。在《中国核电中长期发展规划（2005~2020）》中，国家确定了“核电装机容量要在2020年达到4000万千瓦的目标，并要求统一发展技术路线，坚持自主设计和创新，努力形成批量化建设先进核电站的综合能力”。目前我国再建核电机组12台（岭澳二期，阳江一期，宁德一期，红沿河一期，秦山二期扩建），在建装机容量超过1000万千瓦，已成为世界在建核电站昀多的国家。随着科学技术的发展，新建核电站所使用的技术越来越先进。相对于新建核电站，在运核电站在成本压力逐渐增大，竞价上网逐渐推广的情况下，发电厂之间的竞争越来越激烈，对在运核电站设备系统进行技术改造以提高其机组出力，已成为在运电站降低成本、提高收益，增强竞争力的一个普遍采用的方法。随着我国经济的发展，电力市场化程度的加深，发电厂竞价上网的压力随之而来，核电站运营者不得不面对发电成本的压力。世界核电复苏在即，国际铀价从现货价每磅八氧化三铀10多美元涨到昀高2007年每磅八氧化三铀136美元，目前其期货价稳定在每磅八氧化三铀70美元的水平。[1]一般情况下，核燃料成本在核电站发电成本中占有的比例约27％左右。对于核电站，其换料周期和换料数量是固定的，如果通过技术改造提高机组的出力，则在燃料总价不变的情况下增加了发电量，就降低了单位电价的发电成本。根据功率提升幅度和方法，美国核管会（NRC）将提升功率分为3类[2]：第一类是测量精度改进（MU）,该类主要是通过提高给水流量的测量精度来提升额定功率，提升幅度一般小于2%。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第2页一般是安装西屋公司设计的精度为0.6%的超声波给水流量计CROSSFLOWUFM，据此就可以将堆功率提升1.4%；第二类是设计余量利用改进（SPU），该类主要是尽可能利用现有系统和设备的设计余量来提升功率，其提升幅度就取决于这些设计余量，但一般小于7%。其涉及的改进主要是设定值的修改（比如一回路稳压器和蒸汽发生器高低压或水位定值等），并没有重大系统和设备的改进或更换。第三类是大幅度功率提升改进（EPU），幅度大于前面的SPU，现NRC已批准的昀大的提升幅度为20%。该类可能涉及重大设备的更换或改造，比如蒸发器SG、汽轮机、发电机和主变压器等。对于我国的在运核电站，机组运行时间相对美国核电站较短，系统设备相对较新，核岛系统在短时间内花费较低成本进行改造，以提高机组出力的可能性及必要性较小。而常规岛汽轮机由于设计时计算的误差，往往存在较大的裕度，随着汽轮机设计及计算水平的提高，目前已经可以较为精确的进行汽轮机通流计算。通过修改汽轮机通流的设计，可以较大的提高机组的出力，增加发电量。同时，汽轮机通流改造不涉及核安全的因素，评估及审批流程较为简单，方案确定后，可以很快在现场实施，机组提高出力的收益可以在短时间内予以显现。1.2课题研究的工程需求和现实意义岭澳核电站汽轮机组额定电功率990MW，以大亚湾核电站汽轮机（额定电功率984MW）为参考机组设计，并利用先进技术对汽轮机转子和冷凝器进行了局部改进。岭澳汽轮机高压转子采用R24叶型整体自带围带预扭叶片代替原来大亚湾的铆接围带叶片，其动叶顶部是平滑的斜面，这样一方面降低了叶片蒸汽弯应力，消除了围带连接片出现裂纹的隐患，增强了设备可靠性；另一方面新叶型使流道光顺，提高了叶片效率，机组效率由33.9%增加到34.1%。对应的机组出力提高了6MW。同时岭澳核电站冷凝器也进行了优化，钛管布置由大亚湾的椭圆形改为了手掌型，传热效果更好，在额定热功率的情况提高了冷凝器的效率。相对大亚湾机组，经过优化后的岭澳核电站冷凝器，在夏季可以给机组带来7-9MW的电功率优势，在冬季时大约有1-3MW的电功率优势。可以看出，ALSTOM在设计岭澳核电站机组时留有较大的裕度，按照上述值计算，岭澳核电站的设计功率昀大应该能够达到997――999MW。而在岭澳核电站投产后，其实际电功率只能达到990MW的保守设计值。究其原因，是由于岭澳核电站汽轮机高压缸通流面积偏大5-7%。核电汽轮机具有容积流量大、等熵焓降相对较少的特点，等熵焓降损失对汽轮机出力影响很大，由于汽轮机高压缸通流面积设计偏大，高压缸一级前的进汽压力比设计值降低，为保证进入汽轮机的热功率不变，汽轮机高压调节阀将关小（否则流量变大，热功率变大），造成主调节门节流损失增大，汽轮机高压缸级效率降低，昀终影响机组出力，导致岭澳核电站机组电功率只达到990MW，偏离了预期目标。对于岭澳核