为小型模块化反应堆时代重新设计蒸汽轮机

小型模块化反应堆（SMR）的蒸汽轮机技术既借鉴了燃煤电厂也借鉴了核电站的工程经验，但由此产生的"湿蒸汽"问题——排汽湿度超过15%——要求采用全新的设计对策，以防止叶片开裂。

尽管小型模块化反应堆（SMR）技术已取得令人瞩目的突破性创新，但汽轮机岛这一领域的演变却悄然而深刻地发生着，很少受到关注。在汽轮机岛方面，已经有重大进展致力于打造高效可靠的蒸汽轮机平台，以优化整个预期寿命周期内的机组运行，并有助于降低平准化度电成本（LCOE）。

站在新一代反应堆技术的门槛上，用于SMR应用的蒸汽轮机必须从传统的化石燃料和核能蒸汽应用这两个经过实践检验的工程工具箱中汲取经验。这一代新型蒸汽轮机需要提供紧凑型解决方案，具备高水平的工厂预组装能力，同时能够应对SMR反应堆的热功率范围及更长的设计寿命要求。

兼取两者之长

近几十年来，蒸汽轮机经历了显著演进，在提高效率和安全性的同时，降低了电厂的成本和建设周期。

大多数SMR蒸汽轮机的设计功率输出水平通常与燃煤或燃气联合循环电厂或工业应用相当。然而，其进口压力、温度和蒸汽条件目前往往仍与大型核电站类似，尤其是在与沸水反应堆（BWR）或压水反应堆（PWR）配合使用时。

因此，为SMR设计的蒸汽轮机需要充分利用全速轴系、结构及叶片设计理念，这些均源自化石燃料应用领域，同时还要遵循大型核电应用的设计方法。

应对"湿蒸汽"问题

采用传统第三代+技术的SMR通常在汽轮机进口提供接近饱和状态的蒸汽，导致高压（HP）和低压（LP）模块排汽口的湿度均超过15%（见图1）。相比之下，规模相近的化石燃料汽轮机通常在高压段几乎没有湿度，低压段排汽湿度也要低得多，约为10%。事实上，与化石燃料汽轮机不同，核能汽轮机的大部分流道中都存在湿度。随着细小水滴沉积在表面、聚合成液膜，并最终分裂成更大、更粗的水滴，其负面影响会逐级加剧。

图1：SMR产品系列中的STF-N200型蒸汽轮机，由一个高压模块和两个低压模块组成。图片来源：Arabelle Solutions

与湿蒸汽相关的风险在核能蒸汽轮机领域早已为人熟知且有成熟的应对方法。例如，大型核电汽轮机岛大多配备湿分离再热器（MSR），该装置将来自高压模块的湿排汽中的大部分液态水去除，然后对现已变为"干饱和蒸汽"的气体进行加热，使其适用于低压模块。

在"更湿蒸汽环境"中运行，要求汽轮机在设计上采取额外的考量，以防止危险的侵蚀和应力腐蚀开裂（SCC）损伤。应力腐蚀开裂是指金属材料由于同时存在持续拉应力和腐蚀介质而发生的提前开裂与失效。材料选择、热处理和化学成分控制对于防止转子、叶片及其连接部件的开裂至关重要。

此外，长而高效的末级叶片需要应对非同步激振，并具备更好的阻尼特性才能达到所需的可靠性。喷丸强化和应变硬化技术被广泛应用于低压模块的后级叶片，以引入有益的压缩残余应力并提高表面硬度。这些技术能提高疲劳强度、抗应力腐蚀开裂能力，以及抗湿蒸汽侵蚀能力，最终提升叶片的可靠性和使用寿命。如果不加以管理，这些问题可能严重缩短汽轮机的使用寿命，对维护计划造成重大影响，甚至导致严重损坏。

可以缓解水滴侵蚀叶片问题的汽轮机改进措施包括：利用离心力从中间蒸汽通道中提取水分，将造成损害的水滴导出流道。此外，还可以在末级叶片上游的静叶表面采用开缝导叶，直接去除水膜。

降低蒸汽湿度对末级叶片尤为重要，因为该部位极易遭受侵蚀损伤。减轻应力腐蚀开裂和水滴侵蚀的风险可以延长叶片的使用寿命，从而降低不必要的备件更换成本，并减少计划外停机的需求。如果处理不当，蒸汽轮机将需要进行额外检查、提前更换部件，可能导致在整个电厂运行寿命期内反复出现重大维修。

为核电寿命而设计

与未来大多数核电站一样，SMR的设计预期寿命长达80年，是典型化石燃料电厂设计寿命的两倍。因此，包括汽轮机岛在内的任何设备，都需要按照整个电厂的延长运行寿命进行设计，以提高可靠性，减少重大更换或长期现代化改造停机的需求。

图2：组装在低压汽轮机转子上的动叶片。图片来源：Arabelle Solutions

对于延长使用寿命同样重要的是叶片设计的改进。在低压模块中（见图2），例如最后三到四级的动叶片，由于较长叶片产生更大的离心拉力，可能更容易受到应力腐蚀开裂的影响。在这方面，采用更轻的叶片翼型以及改进的叶根设计可以降低应力腐蚀开裂风险，提高整体可靠性。

核安全考量

在大多数情况下，汽轮机岛在物理上与核岛是分离的；然而，它仍在相对接近的位置运行，尤其是在像SMR这样的紧凑型场址中。按照严格的监管标准进行的严谨概率分析，将确保关键系统面临的风险保持在可接受范围内，即便是针对极低概率的风险，例如旋转中的汽轮机部件脱落并像"导弹"一样飞出。由"偏离设计工况运行"（如超速）引起的风险，可以通过汽轮机的保护和控制系统架构进一步降低，该架构具备强大的冗余能力，并能在不停机的情况下对阀门和关键部件进行功能测试。这使得机组能够安全运行，保持高可用性，并在常规测试和维护活动中将对电厂出力的影响降到最低。

对于某些依赖BWR技术的SMR，辐射防护也是需要考虑的因素，因为此时汽轮机还需处理放射性蒸汽，这对运行和维护都带来了核安全和辐射防护方面的影响。本着整个核电行业"安全第一"的文化，运营商通常倾向于采取诸如将盘车装置布置在发电机非驱动端等改进措施。这不仅降低了设备因潜在辐射暴露而受损的风险，还使工作人员在必要时能够手动操作盘车装置，同时最大限度地降低其受到辐射暴露的风险。

降低平准化度电成本

通过提高汽轮机效率和特定应用场景下的功率输出，可以实现更高的发电量。

诸如旨在降低气动损失的高效可控流叶片，或针对低压模块优化设计的末级叶片等特性，都可以进一步提高电厂效率。与此同时，经过改进的高压汽轮机模块进口结构可以提高汽轮机"吞吐能力"的精确度，这对于确保汽轮机与反应堆设计质量流量的完美匹配、实现最佳电厂效率至关重要。即使是热力效率的微小百分比提升，在电厂整个寿命周期内也完全值得投入。

事实上，采用这种高效叶片、改进的进口结构以及提升的吞吐能力，例如可以为一座300兆瓦的电厂增加一兆瓦甚至更多的电力输出。

减少轴承数量的轴系设计等附加特性，即在每个汽轮机模块之间仅设置一个轴承，可以通过减少机械损耗、简化维护，同时提供更紧凑的汽轮机列车设计，进一步提升蒸汽轮机的可靠性和效率。

即便是这些优化和可靠性方面的微小改进，经过长期积累，也能对SMR的可用性产生重大影响，并有助于在电厂预期80年的寿命周期内实现发电量最大化。

助力SMR取得成功

要让SMR实现其作为可扩展、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其应有的作用，在严格的核安全参数范围内提供高效率和高可靠性。汇集全速化石燃料应用和大型核电设计方法方面的经验，使SMR汽轮机岛能够协调当前核电站高湿度的热力学现实，与历史上化石燃料电厂所特有的紧凑、标准化、工厂预组装模块之间的矛盾。由此形成的标准化平台可提高可靠性，降低全生命周期成本和项目风险，简化维护，并加快部署速度。

SMR蒸汽轮机的悄然演进，可以通过提升电厂性能、延长使用寿命、提高运行可用性，支持SMR解决方案取得成功，最终在长达80年的电厂寿命周期内，助力降低平准化度电成本。

——Cedric Couffignal是Arabelle Solutions新建业务执行副总裁，该公司是汽轮机岛领域的领导者，其技术应用于全球三分之一的核电装机容量，包括北美首批SMR蒸汽轮机。该公司目前正在支持欧洲、北美、亚洲和非洲的30多个核电新建机组项目。

Q&A

Q1：小型模块化反应堆的蒸汽轮机为什么会面临"湿蒸汽"问题？

A：采用传统第三代+技术的SMR通常在汽轮机进口提供接近饱和状态的蒸汽，导致高压和低压模块排汽口的湿度均超过15%，而规模相近的化石燃料汽轮机湿度要低得多。这种高湿度环境容易引发叶片侵蚀和应力腐蚀开裂等问题。

Q2：如何解决蒸汽轮机叶片的侵蚀和开裂问题？

A：可以通过材料选择、热处理和化学成分控制来预防开裂，同时采用喷丸强化和应变硬化技术提高叶片的疲劳强度和抗腐蚀能力。此外，利用离心力提取水分、采用开缝导叶去除水膜等措施也能有效缓解水滴侵蚀问题。

Q3：小型模块化反应堆的蒸汽轮机设计寿命是多久？

A：小型模块化反应堆的设计预期寿命长达80年，是典型化石燃料电厂设计寿命的两倍。因此汽轮机岛设备需要按照这一延长运行寿命进行设计，以提高可靠性并减少重大更换需求。