小堆汽轮机破解湿蒸汽难题

小型模块化反应堆（小堆）借鉴了燃煤电站和核电站的汽轮机工程技术，但由此产生的“湿蒸汽”问题——排汽湿度超过15%——需要采用一系列新的设计应对措施，以防止叶片开裂。

小型模块化反应堆（小堆）技术取得了令人瞩目的突破性创新，与此同时，小堆汽轮机虽在悄然发生重大演进，却很少受到关注。在汽轮机岛方面，相关技术已取得显著进展，旨在提供高效、可靠的汽轮机平台，在预期寿期内优化机组群运行，并帮助降低平准化度电成本（LCOE）。

在新一代反应堆技术即将到来之际，用于小堆的汽轮机需要从化石燃料和核能蒸汽应用中汲取久经验证的工程技术。这一最新一代汽轮机需要提供高度工厂预组装的紧凑型解决方案，并能够适应小堆反应堆的热功率范围和较长设计寿期。

兼具两者之长

过去数十年间，汽轮机取得了显著发展，在提高效率和安全性的同时，降低了电站成本并缩短了交付周期。

大多数小堆汽轮机的设计功率水平通常与燃煤电站、燃气联合循环电站或工业应用相当。然而，其入口压力、温度和蒸汽条件目前往往仍与大型核电机组相似，尤其是在与沸水堆（BWR）或压水堆（PWR）配套时。

因此，为小堆设计的汽轮机既需要采用化石燃料应用中的全速轴系、结构和叶片设计理念，又需要遵循大型核电应用的设计方法。

应对“湿蒸汽”

采用常规三代加技术的小堆通常在汽轮机入口处提供接近饱和状态的蒸汽，导致高压（HP）和低压（LP）模块排汽湿度均超过15%（图1）。相比之下，功率相当的化石燃料汽轮机在高压模块中通常不会出现湿分，而低压模块排汽的湿度也低得多，约为10%。事实上，与化石燃料汽轮机不同，核电汽轮机的大部分通流路径中均存在湿分。其不利影响逐级加剧：细小液滴沉积在表面，聚结成液膜，最终破碎为尺寸更大的粗大水滴。

【表：1. 小型模块化反应堆（小堆）汽轮机产品系列的STF-N200机型，由一个高压（HP）模块和两个低压（LP）模块组成。图片来源：Arabelle Solutions】

蒸汽湿度较高带来的风险早已为人所知，并已在核电汽轮机中得到管控。例如，大型核电汽轮机岛多数配有汽水分离再热器（MSR），用于接收高压模块排出的湿蒸汽，去除其中大部分液态水，然后对形成的“干饱和蒸汽”进行加热，以供低压模块使用。

在“湿度更高的蒸汽环境”中运行，需要在汽轮机设计中增加额外考量，以防止发生危险的冲蚀和应力腐蚀开裂（SCC）损伤。SCC是指在持续拉应力和腐蚀性介质同时存在的情况下，金属材料过早开裂并失效。材料选择、热处理和化学控制对于防止转子、叶片及其连接部件开裂至关重要。

此外，为达到所需可靠性，长度较长且效率最高的末级叶片需要借助更好的阻尼特性应对非同步激振。低压模块后部级叶片广泛采用喷丸和应变硬化工艺，以引入有利的压缩残余应力并提高表面硬度。这些技术能够提高疲劳强度和抗SCC能力，并防止湿蒸汽冲蚀，最终提升叶片的可靠性和使用寿命。如果不加以管控，这些问题可能严重缩短汽轮机寿命，对维护计划造成重大影响，甚至导致严重损坏。

可减轻水滴所致叶片冲蚀的汽轮机改进措施包括：从中间蒸汽通道中疏水，利用离心力将具有破坏性的水滴导出通流路径。此外，还可采用开缝导叶，直接清除末级叶片上游静叶表面的水膜。

降低蒸汽湿度对于末级叶片尤为重要，因为末级叶片极易遭受冲蚀损伤。降低应力腐蚀开裂和水滴冲蚀风险，可以延长叶片运行时间，从而减少本可避免的备件成本以及非计划停机需求。如果未得到妥善处理，汽轮机将需要增加检查并提前更换部件，可能导致在电站整个运行寿期内多次进行重大维修。

按核电寿期设计

与未来大多数核电站一样，小堆的预期设计寿期最长可达80年，是化石燃料电站典型设计寿命的两倍。因此，包括汽轮机岛设备在内的所有设备，都需要按照整座电站延长后的运行寿期进行设计，以提高可靠性，并减少重大更换或长期现代化改造停机的需求。

【表：2. 安装在低压汽轮机转子上的动叶片。图片来源：Arabelle Solutions】

叶片设计改进对于延长寿命同样重要。例如，在低压模块中（图2），最后三级或四级的动叶片也可能容易发生SCC，因为较长叶片产生的更大离心拉力会导致高应力。在这种情况下，采用更轻的叶型并实施改进的叶根设计，可以降低应力腐蚀开裂风险并提高整体可靠性。

核安全考量

在大多数情况下，汽轮机岛在物理空间上与核岛分隔，但两者仍相对邻近，在小堆等紧凑型厂址上尤其如此。按照严格监管标准开展严谨的概率分析，将确保关键系统所面临的风险保持在可接受水平，即便对于旋转汽轮机的某个部件脱落并“像导弹一样”飞出这类概率极低的风险也是如此。汽轮机保护与控制系统架构可以进一步降低“偏离设计工况运行”造成的风险，例如超速旋转。该架构不仅采用稳健的冗余设计，还能在机组不停机的情况下对阀门和关键部件进行功能试验。这样既可保障安全运行和高可用率，也能最大限度减少例行试验和维护活动对电站出力的影响。

对于采用BWR技术等部分小堆，辐射防护也可能成为需要考虑的因素，因为汽轮机还需要处理放射性蒸汽，会对运行维护中的核安全和辐射防护产生影响。由于所有核电站都秉持“安全第一”的文化，运营商通常倾向于进行相应改进，例如将盘车装置布置在发电机非驱动端。这样可以降低潜在辐照导致设备损坏的风险，并在必要时允许工作人员手动操作盘车装置，同时帮助最大限度降低其放射性辐照风险。

降低LCOE对于特定应用，提高汽轮机效率和出力可以增加发电量。

高效Controlled Flow叶片等旨在减少气动损失的技术，或适用于低压模块的最优末级叶片，可以进一步提高电站效率。同时，改进高压汽轮机模块入口结构可以提高汽轮机“通流能力”的准确性，这对于确保汽轮机与反应堆设计质量流量完全匹配并实现最佳电站效率至关重要。在电站的整个寿期内，即便热力学效率仅提高零点几个百分点，也完全可能值得为之投资。

例如，采用这种高效叶片、改进的入口结构和更优的通流能力，可以使一座300 MW电站的电功率出力增加1 MW或更多。

采用减少轴承数量的轴系设计等其他技术，在各汽轮机模块之间仅设置一个轴承，可以通过减少机械损失和简化维护，进一步提高汽轮机的可靠性和效率，同时使汽轮机轴系设计更加紧凑。

即便是这些小幅的优化和可靠性改进，随着时间推移，也会对小堆的可用率产生重大影响，并有助于在电站预期80年寿期内实现发电量最大化。

助力小堆取得成功

要让小堆兑现其作为可规模化、具有成本竞争力的低碳电力来源的承诺，汽轮机岛技术必须发挥作用，在严格的核安全参数范围内实现高效率和高可靠性。将全速化石燃料应用经验与大型核电设计方法相结合，使小堆汽轮机岛能够兼顾核电站当前高湿度的热力学实际情况，以及过去与化石燃料电站相关的紧凑化、标准化和工厂预组装模块。由此形成的标准化平台能够提高可靠性、降低全寿期成本和项目风险、简化维护并加快部署。

小堆汽轮机的悄然演进可以通过提高电站性能、延长使用寿命和改善运行可用率，助力小堆解决方案取得成功，最终在电站80年寿期内持续降低平准化度电成本。

——Cedric Couffignal是汽轮机岛领先企业Arabelle Solutions新建项目执行副总裁。该公司的技术应用于全球三分之一的核电装机容量，其中包括北美首批小堆汽轮机。目前，该公司正在为欧洲、北美、亚洲和非洲的30多个核能新建机组提供支持。

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