核電汽輪機的早期歷史

首次應用核能發(fā)電是在1951年12月20日。反應堆是來(lái)自美國的試驗增值反應堆I（EBR-I）。發(fā)電功率達到20kW，蒸汽參數是2.8MPa與220℃。1953年，鸚鵡螺號核動(dòng)力潛艇的陸上原型汽輪機組開(kāi)始進(jìn)行試驗。1954年，蘇聯(lián)開(kāi)始了第一臺5MW試驗核動(dòng)力裝置的安裝。1957年，第一臺商用核能發(fā)電機組投入運行。由西屋設計的這臺汽輪機轉速1800轉，最大功率達到100MW。采用飽和干蒸汽，蒸汽壓力為3.8MPa（最大功率）-5.9MPa（備用狀態(tài)）。如圖1-1所示，汽輪機為單缸單排氣，末級葉片為40英寸。

這是第一臺為核電站研發(fā)的相對較大的濕蒸汽汽輪機。蒸汽膨脹過(guò)程主要發(fā)生在濕蒸汽區域。主要問(wèn)題是在蒸汽膨脹過(guò)程中，濕蒸汽區域在逐漸擴大。過(guò)多的濕蒸汽將導致汽輪機葉片腐蝕以及葉片效率降低。如果干飽和蒸汽直接膨脹到凝汽器壓力狀態(tài)，汽輪機排汽口的濕區域將達到20-25%（進(jìn)口壓力及真空度變化）。

第一臺核電濕蒸汽汽輪機在1920-1930年間化石燃料無(wú)回熱蒸汽輪機的運行經(jīng)驗上發(fā)展出來(lái)。但是，由于初始蒸汽壓力低，最終這些汽輪機的濕空間并不大，而且相對的低溫緩解了腐蝕和侵蝕過(guò)程。另外，所有這些原始型號汽輪機在能力上并不能滿(mǎn)足核電機組數百MW的功率。相對低的蒸汽壓力以及較小的溫差導致汽輪機的進(jìn)出口的體積流量都非常大。

大部分第一代核電蒸汽輪機采用低轉速汽輪機（1800/1500轉）。這種大尺寸的汽輪機在蒸汽路徑上提供了必須的進(jìn)出口環(huán)形空間，并不用過(guò)多增加葉片的圓周速度。為了減小汽輪機出口的濕空間并提高循環(huán)效率，汽輪機在高壓區域與低壓區域之間設置了汽水分離器。Shippingport汽輪機的汽水分離器采用固定離心式，進(jìn)入低壓缸的蒸汽品質(zhì)可以達到99%。Shippingport機組汽輪機需要在部分負荷時(shí)處于高效率區間，因為最初堆芯的預期功率只有60MW（后續提高到100MW）。

為了滿(mǎn)足此需求，此汽輪機設計了一個(gè)旁路蒸汽控制系統。第一組5個(gè)控制閥可以在最高80MW下依次開(kāi)啟。對于更大的負荷，在第一組旁路的基礎上設置了第二組4個(gè)線(xiàn)性控制閥。所有的9臺閥門(mén)安裝在汽輪機汽腔頂端。汽輪機在高壓及低壓區域設計了反向蒸汽流道。這使得汽輪機的高壓及低壓蒸汽入口部分可以布置在中心區域，同時(shí)可以減小用于平衡軸向推力用的平衡塞直徑。同時(shí)也減少了平衡塞的泄露。在葉片端速超過(guò)270m/s的情況下，為了防止旋轉葉片強烈的腐蝕，所有葉片的蒸汽入口邊緣均由司太立金屬條保護。

很多第一批核電汽輪機都采用一堆多機方式，汽輪機平行布置。這樣設置可以使得汽輪機尺寸不至于很大，并且可以在汽輪機故障的情況下防止停堆。但是隨著(zhù)濕蒸汽輪機的運行經(jīng)驗增加以及汽輪機的可信度提升，單汽輪機配置變得越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)反應堆的功率以及汽輪機的能力增加，核電汽輪機開(kāi)始向多缸發(fā)展。比如，西屋公司在Shippingport之后設計的核電汽輪機（功率達到145MW）均采用雙缸配置并采用節流閥控制蒸汽。由于核電汽輪機基本在滿(mǎn)負荷工作，因此其蒸汽流量的控制方式變得簡(jiǎn)單。最初，核電汽輪機通常在高壓及低壓區域采用縮小輪盤(pán)設計（如圖1-1所示）。隨后，次概念被鍛造和焊接的轉子所取代，而如果采用之前的方案的話(huà)，只在低壓區采用。

1974年前的核電汽輪機大部分采用非再熱的汽水分離器。甚至有一臺汽輪機采用不同壓力下的兩級分離技術(shù)。但是隨后的濕蒸汽汽輪機均在高壓區域后設計了一級或兩級再熱。在反應堆中將蒸汽再熱是非常困難的。尤其是需要兩次穿過(guò)安全殼。因此核電濕蒸汽汽輪機均采用蒸汽-蒸汽再熱器。首次采用主蒸汽再熱方式是在意大利的某電站，首次采用乏汽再熱方式是在英國的某電站。隨后，很多汽輪機采用兩級再熱（主蒸汽及乏汽）。這種方式首次在美國的某電站應用。與火電種的鍋爐再熱方式相比，這種蒸汽-蒸汽再熱方式并未提高熱循環(huán)效率。但是這種方式可以有效的減小低壓區域的蒸汽濕度，提高部分汽輪機效率，并緩解腐蝕問(wèn)題。

由于電網(wǎng)的頻率是60Hz，汽輪機的轉速設計為1800轉。在20世紀80年代早期，最大的汽輪機是美國的兩家電站（1306/1359MW）。對于50Hz的電網(wǎng)由于離心力更小，可以在半速機和全速機之間做一個(gè)更經(jīng)濟的選擇。在1984年，最大的3000轉核電汽輪機在瑞士運行（970/1000MW），最大的1500轉核電汽輪機在法國運行（1347/1316MW）。

最初的幾十年，核電濕蒸汽汽輪機積累了大量的設計及運行經(jīng)驗，并在1960年至20世紀80年代早期發(fā)表了大量的著(zhù)作與文章。