核电汽轮机的早期历史

首次应用核能发电是在1951年12月20日。反应堆是来自美国的试验增值反应堆I(EBR-I)。发电功率达到20kW，蒸汽参数是2.8MPa与220℃。1953年，鹦鹉螺号核动力潜艇的陆上原型汽轮机组开始进行试验。1954年，苏联开始了第一台5MW试验核动力装置的安装。1957年，第一台商用核能发电机组投入运行。由西屋设计的这台汽轮机转速1800转，最大功率达到100MW。采用饱和干蒸汽，蒸汽压力为3.8MPa(最大功率)-5.9MPa(备用状态)。如图1-1所示，汽轮机为单缸单排气，末级叶片为40英寸。

图1-1 第一台商用核电汽轮机(1800转，100MW)

这是第一台为核电站研发的相对较大的湿蒸汽汽轮机。蒸汽膨胀过程主要发生在湿蒸汽区域。主要问题是在蒸汽膨胀过程中，湿蒸汽区域在逐渐扩大。过多的湿蒸汽将导致汽轮机叶片腐蚀以及叶片效率降低。如果干饱和蒸汽直接膨胀到凝汽器压力状态，汽轮机排汽口的湿区域将达到20-25%(进口压力及真空度变化)。

第一台核电湿蒸汽汽轮机在1920-1930年间化石燃料无回热蒸汽轮机的运行经验上发展出来。但是，由于初始蒸汽压力低，最终这些汽轮机的湿空间并不大，而且相对的低温缓解了腐蚀和侵蚀过程。另外，所有这些原始型号汽轮机在能力上并不能满足核电机组数百MW的功率。相对低的蒸汽压力以及较小的温差导致汽轮机的进出口的体积流量都非常大。

大部分第一代核电蒸汽轮机采用低转速汽轮机(1800/1500转)。这种大尺寸的汽轮机在蒸汽路径上提供了必须的进出口环形空间，并不用过多增加叶片的圆周速度。为了减小汽轮机出口的湿空间并提高循环效率，汽轮机在高压区域与低压区域之间设置了汽水分离器。Shippingport汽轮机的汽水分离器采用固定离心式，进入低压缸的蒸汽品质可以达到99%。Shippingport机组汽轮机需要在部分负荷时处于高效率区间，因为最初堆芯的预期功率只有60MW(后续提高到100MW)。

为了满足此需求，此汽轮机设计了一个旁路蒸汽控制系统。第一组5个控制阀可以在最高80MW下依次开启。对于更大的负荷，在第一组旁路的基础上设置了第二组4个线性控制阀。所有的9台阀门安装在汽轮机汽腔顶端。汽轮机在高压及低压区域设计了反向蒸汽流道。这使得汽轮机的高压及低压蒸汽入口部分可以布置在中心区域，同时可以减小用于平衡轴向推力用的平衡塞直径。同时也减少了平衡塞的泄露。在叶片端速超过270m/s的情况下，为了防止旋转叶片强烈的腐蚀，所有叶片的蒸汽入口边缘均由司太立金属条保护。

很多第一批核电汽轮机都采用一堆多机方式，汽轮机平行布置。这样设置可以使得汽轮机尺寸不至于很大，并且可以在汽轮机故障的情况下防止停堆。但是随着湿蒸汽轮机的运行经验增加以及汽轮机的可信度提升，单汽轮机配置变得越来越广泛。随着反应堆的功率以及汽轮机的能力增加，核电汽轮机开始向多缸发展。比如，西屋公司在Shippingport之后设计的核电汽轮机(功率达到145MW)均采用双缸配置并采用节流阀控制蒸汽。由于核电汽轮机基本在满负荷工作，因此其蒸汽流量的控制方式变得简单。最初，核电汽轮机通常在高压及低压区域采用缩小轮盘设计(如图1-1所示)。随后，次概念被锻造和焊接的转子所取代，而如果采用之前的方案的话，只在低压区采用。

1974年前的核电汽轮机大部分采用非再热的汽水分离器。甚至有一台汽轮机采用不同压力下的两级分离技术。但是随后的湿蒸汽汽轮机均在高压区域后设计了一级或两级再热。在反应堆中将蒸汽再热是非常困难的。尤其是需要两次穿过安全壳。因此核电湿蒸汽汽轮机均采用蒸汽-蒸汽再热器。首次采用主蒸汽再热方式是在意大利的某电站，首次采用乏汽再热方式是在英国的某电站。随后，很多汽轮机采用两级再热(主蒸汽及乏汽)。这种方式首次在美国的某电站应用。与火电种的锅炉再热方式相比，这种蒸汽-蒸汽再热方式并未提高热循环效率。但是这种方式可以有效的减小低压区域的蒸汽湿度，提高部分汽轮机效率，并缓解腐蚀问题。

由于电网的频率是60Hz，汽轮机的转速设计为1800转。在20世纪80年代早期，最大的汽轮机是美国的两家电站(1306/1359MW)。对于50Hz的电网由于离心力更小，可以在半速机和全速机之间做一个更经济的选择。在1984年，最大的3000转核电汽轮机在瑞士运行(970/1000MW)，最大的1500转核电汽轮机在法国运行(1347/1316MW)。

最初的几十年，核电湿蒸汽汽轮机积累了大量的设计及运行经验，并在1960年至20世纪80年代早期发表了大量的著作与文章。