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核电站汽轮机的技术特点: wusaite 2019-8-3 20:56; 核电站汽轮机的技术特点伍赛特 1 湿蒸汽汽轮机的特点自 1939 年发现用中子轰击铀原子核引起核裂变并释放出大量能量起，世界开始进入核能应用时期。经过几十年，建造了各种堆型（如石墨水冷堆、石墨气冷堆、压水堆、高温气冷堆、沸水堆和重水堆等）的核电站。自 20 世纪 50 年代第一座核电站出现至今已有 50 年，核电事业已进入辉煌的高速发展阶段。国际原子能机构统计表明，已有近 50 个国家和地区拥有超过 500 座核电站在运行。我国自行设计建造的秦山核电站，第一台 300 MW 核发电机组已在 1990 年并网发电，标志我国已有设计制造核发电设备的能力。引进法国和英国核电技术建造的广东大亚湾核电站一期工程 2 台 900 MW 的发电机组也建成投产，取得了良好的经济效益。继大亚湾核电站引进修建的岭澳核电站 2 台 1 000 MW 核电机组已建成投运。秦山第二核电站 2 台 600 MW 机组、秦山第三核电站 2 台 700 MW 重水堆核电站、田湾核电站 2 台 1000MW 核发电机组也已陆续投产。未来相当长的一段时间内，中国将处于核电的快速发展期。各种堆型的核电站都采用汽轮机作原动机，核电站汽轮机可分为过热蒸汽汽轮机与饱和蒸汽汽轮机两大类，前者用于石墨气冷堆、高温气冷堆和快中子增殖堆等堆型的核电站，而后者用于压水堆和沸水堆堆型核电站。 1.1 过热蒸汽核电站汽轮机高温气冷堆和改进型石墨气冷堆的核电站汽轮机，进汽参数已完全达到常规火电厂的标准。也可采用中间再热，容量已达到甚至超过常规火电厂。 1.2 饱和蒸汽核电站汽轮机饱和蒸汽汽轮机又称湿蒸汽汽轮机（包括微过热蒸汽汽轮机）。目前饱和蒸汽汽轮机约占核电站总装机容量的 89% ，其中绝大部分机组是利用轻水堆（包括压水堆和沸水堆）产生的蒸汽。由于受反应堆冷却剂温度的限制，一般压水堆平均出口温度低于 310 ℃，所以二回路只能产生压力较低（ 5 ～ 7 MPa ）的饱和蒸汽（或微过热蒸汽）。这种汽轮机具有以下特点。 1.2.1 低蒸汽参数由于饱和蒸汽汽轮机初参数低，比体积大，在一定背压的条件下，整机的理想比焓降小。在相等的功率下，饱和蒸汽汽轮机的进汽体积流量要比常规火电厂的汽轮机大 2 ． 5 ～ 3 ． 5 倍，排汽体积流量为常规火电厂的 1.65 倍，所以饱和蒸汽汽轮机的进、排汽尺寸要比常规电厂汽轮机大得多。高压缸采用双流道两个排汽口，低压缸采用多缸双流道多个排汽口，末级采用更长的叶片。 1.2.2 腐蚀和侵蚀饱和蒸汽汽轮机的大部分级都处于湿蒸汽区工作，这将引起动、静部分零部件的腐蚀和侵蚀，不仅降低机组的使用寿命，而且会增加级的湿汽损失，降低汽轮机级的相对内效率。 1.2.3 汽水分离再热器饱和蒸汽汽轮机在高、低压缸之间必须装设汽水分离再热器。它由汽水分离器和再热器两大部分组成，一般为大直径圆筒型，卧式布置在高、低压缸两侧。蒸汽在汽水分离器中除掉高压缸排汽中 90% ～ 98% 的水分，然后在两级再热器中变成过热蒸汽，进入低压缸膨胀做功。这样会使高压缸排汽压力损失约 2% ～ 5% ，另外汽水分离再热器体积庞大，给布置带来困难。但从安全性和经济性来看，设置汽水分离再热器是必需的。 1.2.4 半转速核电站汽轮机容量越大，其技术经济优越性越突出。随着机组容量的增大，汽轮机进、排汽体积流量也很大，所以进、排汽和通流部分的尺寸，特别是末级叶片高度很大。在不增加转子和叶片零件的应力水平条件下，若把汽轮机转速降低一半（即所谓“半速机”）其排汽面积可增至原来的四倍，流量或功率大致也达到四倍。美国轻水堆汽轮机几乎全部采用“半速机”，但欧洲一些国家为沿用火电厂汽轮机的末级叶片和两极发电机技术，也在发展“全速”的饱和蒸汽汽轮机。已经投入运行的有代表性的大容量的半速核电汽轮机是 ALSTOM 公司的 1550MW 汽轮机，安装在法国的 ARABELLE 电站。该汽轮机是由一个高、中压合缸和 3 个双排汽低压缸组成的冲动式汽轮机。 1.2.5 甩负荷超速饱和蒸汽汽轮机甩负荷容易引起超速。其主要原因是：①甩负荷后存留在通流部分内、蒸汽联通管和汽水分离再热器等处的大量蒸汽，继续流经各级膨胀做功；②饱和蒸汽汽轮机的大量疏水积存在静子零部件表面，形成一层水膜，或在凹坑内有积水，当汽轮机甩负荷时，通流部分内蒸汽压力突然降低引起水膜闪蒸而产生大量蒸汽，也会在级内膨胀做功，导致汽轮机超速。为防止饱和蒸汽汽轮机甩负荷超速，要求汽轮机进汽部件结构紧凑，尽量缩短连接管道，或在低压缸进口安装截止阀，使饱和蒸汽汽轮甩负荷超速值不超过 4% ～ 7% ，即最大转速限制在 3 120 ～ 3 210 r/min 以下，而不会引起危急遮断器动作，能维持汽轮机空转。 2 反应堆和核电站汽轮机参数核电站的三个主要部分是：反应堆，热交换装置和汽轮发电机组。核反应堆按照所用裂变燃料、中子减速剂、冷却工质 ( 或载热质 ) 以及中子速度不同等情况，可以分为许多类型。产生饱和蒸汽或低过热度蒸汽的反应堆叫轻水反应堆，它是与以重水为中子减速剂的重水反应堆相对而言的。目前已经发展成熟并大量应用的轻水反应堆有压力水反应堆和沸腾水反应堆两种。在两种轻水型系统中，压水堆系统不但效率略低，单位功率的造价也略高一些。但它的最大的优点就是由于采用了双回路循环，工作蒸汽不受放射性污染，因此在人员安全方面优于沸水堆系统。气冷反应堆以石墨作为中子减速剂并以气态 CO 2 作为冷却工质。这种系统的最大优点是水蒸气循环的参数不受反应堆参数的限制。但是这种反应堆造价比轻水反应堆造价高，同时，在发生事故的情况下不容易控制放射性物质的扩散（因为堆中充满了气体）。所以从全面的技术经济性和安全可靠性方面来衡量，还不能与压水堆相竞争。目前，压水堆在数量上占很大比重，尤其舰船用反应堆，无一例外采用压水堆。压水堆有运行安全可靠、调节性能良好等优点。压水堆和沸水堆这两种堆型目前约占核电站堆型的 87% 以上。参考文献黄树红 . 汽轮机原理 . 北京：中国电力出版社 , 2008.08:167-169.; 个人分类: 科普集锦|8892 次阅读|0 个评论

电力机车的技术特点及应用前景: wusaite 2019-7-30 21:02; 电力机车的技术特点及应用前景伍赛特 1 电力机车的结构组成电力机车是一种通过外部接触网或轨道供给电能，由牵引电动机驱动的现代化牵引动力设备。通常而言，电力机车由电气部分、机械部分和空气管路系统 3 大部分组成。电气部分包括牵引电动机、牵引变压器、整流硅机组、备类电器等。通过它们把来自接触网的电能转变为机械能，同时实现对机车的控制。机械部分包括车体、转向架、车体与转向架连接装置和牵引缓冲装置。空气管路系统包括风源系统、制动机管路系统、控制管路系统和辅助管路系统。 2 电力机车的技术特点电力机车与内燃机车相比具有不可比拟的优势：（ 1 ）功率大，速度快。机车的功率大小决定了它的牵引力和运行速度。蒸汽机车和内燃机车由于受结构的限制，功率受到影响，而电力机车的功率相对较大，加之电网容量超过机车内燃功率达数倍，使现代电力机车向重载、高速方向发展成为现实。（ 2 ）热效率高，成本低。电力机车的平均热效率为 26% ，远高于蒸汽机车，也高于内燃机车，同时无非生产性消耗。运输成本低，经济效益好。（ 3 ）综合利用资源，降低能源消耗。我国有丰富的水力资源可供发电。另外火力发电厂也可利用一些劣质燃料发电，做到资源综合利用，节约大量的优质燃料。（ 4 ）清洁无污染。电力机车的动力来自于电能，无任何有害排放物和污染，作为铁路运输和城市轨道交通的主要动力是十分理想的。（ 5 ）维修便利，成本低。电力机车上主要是一些电器设备，因此具有保养容易，维修量小，定修周期短等特点。（ 6 ）工作条件舒适。电力机车乘务员的工作条件比起蒸汽机车在劳动强度、工作环境、噪声、采光、振动等方面部有很大的改善，也优于内燃机车。（ 7 ）适应能力强。电力机车不同于蒸汽机车和内燃机车，运行中没有水的消耗，不影响其在无水区和缺水区运行。 3 电力机车的应用前景电力机车相比内燃机车，在动力性及工作条件方面有着其独到的技术优势，在轨道运输领域中具有不可替代的重要地位。就目前而言，大力发展电力机车已成为必然选择，其也将为铁路干线运输作出贡献。参考文献伍赛特.动车组与电气化铁路节能技术研究综述 .机电产品开发与创新,2019,32(03):47-49.; 个人分类: 科普集锦|5029 次阅读|0 个评论

核电池技术应用及发展趋势: wusaite 2019-7-20 16:10; 核电池技术应用及发展趋势伍赛特 1 核电池放射性同位素能够自发地衰变成另一种原子核，在衰变过程中不断地放出α、β、γ等射线，同时释放热量。如 210Po 发生α衰变时可以放出约 5.4 MeV 的能量，氚（ 3 H ）发生β衰变时放出 0.186 MeV 能量；放射性同位素衰变不仅能放出更多的能量，且衰变时间较长。如 1g 镭在衰变中放出的能量比 1 g 木柴在燃烧中放出的能量大 60 多万倍，其衰变时间长达 1 万年。几乎在发现放射性的同时，就设想利用放射性同位素衰变时发射粒子所带能量转化成容易利用的电能，该电源装置被称作核电池，也被称为同位素电池。一般来说，该装置是利用这些粒子（α粒子、β粒子）的能量或电荷所引起的热效应、光效应或电离作用等来产生电能的。 2 核电池的技术特点 2.1 核电池的技术优势核电池的优点是：（ 1 ）体积小、质量轻和寿命长，一般工作寿命可达 5 ～ 10 年；（ 2 ）同位素衰变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。因此，其以抗干扰性强和工作准确可靠而成为电池家族中的佼佼者，可以在较大的温度范围和恶劣的环境中工作。例如，其不怕月球表面－ 127 ～ 183 ℃ 巨大的温度变化，也不怕深海下的高压和腐蚀。正因为如此，在人造卫星、探测飞船及人迹罕至的北极、南极、沙漠、孤岛、高山等处的自动气象站、地震观察站、飞机导航站或海上灯塔、微波中继站等设施中被广泛釆用，这些方面都是其他能源（太阳能电池、二次电池、燃料电池）所无法替代的。 2.2 核电池的技术劣势核电池的主要缺点是发电效率低，大约只有 10% ～ 20% ，大部分热能被浪费掉；而且目前的价格也还比较昂贵。不过，在许多特殊应用场合，仍将核电池看作是最佳的选择，甚至是唯一的选择。 3 核电池的分类根据核电池所能提供的电压的高低，可将其分为高压型核电池和低压型核电池。前者可提供几百至几千伏的电压，但电流仅为 10 -12 A 的量级，后者电压为几十毫伏至一伏左右，电流为 10 -9 ～ 10 -5 A 的量级。高压型核电池包括直接充电核电池，低压型核电池包括温差核电池气体电离式核电池、光电式核电池等。核电池按能量转换过程分为热转换式和非热转换式两大类，其中多数是利用放射性同位素释放出的热能。热能转换成电能的方式有静态和动态两种，其中静态转换方式又包括温差（热电偶）转换和热离子转换等。动态转换方式是用热能加热流体工质，使工质在高温高压下膨胀，推动涡轮发电机组发电。按照同位素电池所用的能量转换机制分为直接转换式核电池和间接转换式核电池。 4 核电池的技术发展史核电池从设想到发展再到实用，需要具备相应的条件：一是要有足够的能发射粒子的放射性同位素；二是要有能够把粒子能量收集并转换的适当机制和器件；三是社会对高效能长寿命电池的迫切需求。同位素电池研究取得实质性进展是从 20 世纪 50 年代开始的，当时，由于核反应堆的投入运行和同位素分离技术的发展，生产出大量的放射性同位素。同时由于半导体技术的迅速发展，在技术上和材料上提供了利用半导体转换器件的可能。最主要的是这一时期航天技术的飞速发展，对高效能长寿命电池产生了极大的需求，从而大大地促进了同位素电池的研究与发展。在 50 年代后期，第一代热机制同位素电池在苏美两国的航天与核技术竞争中诞生了。美国在 1959 年 1 月 16 日制成第一个核电池，重达 1800 g ，并可在 280 天内发出 11.6 度电。 20 世纪 60 年代，针对同位素电池的技术研究在全世界全面展开。由于半导体二极管质量的迅速提高，对温差电动势、辐射伏特效应以及光伏特效应等机制研究起到了推动作用。我国的同位素电池的研究也正是从 60 年代初开始的，当时的主要目的是研究用于深海声纳和海岛灯塔的电源。由于国内缺乏生产所需的α源，故立足于利用裂变产物 90Sr — 90Y β放射源作热源，通过温差电动势的方式转换成电能。并为此于 70 年代初在国营 404 厂建立起一条 90Sr 专用分离生产线。 20 世纪 70 年代，受到半导体材料的抗辐照性能和器件加工工艺的限制，核电池转换率并未得以显著提高。国内的同位素电池研究于 70 年代初在上海原子核研究所模拟温差发电实验成功，利用 210 Po 为热源，产生热能 35.5 W ，取得了 1.4 W 的功率输出，并进行了模拟空间应用的地面试验。国际上，苏美等国已先后将同位素电池用于心脏起博器、无人气象站和无线电站等更为广泛的领域。 80 年代，苏、法、美先后开发出大功率热机制同位素发电装置，用作火箭的第二级发动机动力和航天器的电源。苏联、法国分别制成了 200 kW 和 100 kW 的核火箭发动机。美国也试制出了 8 kW 的同位素电源。直到 80 年代中期同位素电池研究一直由热机制占统治地位。在 80 年代末，美国科学家 P. Brown 在利用β伏特效应的研究中，采用共振吸收技术，取得了重大进展。至 20 世纪末，美国发射的 25 艘航天器，共携带了 44 台热电式核电池，所用燃料都是 238Pu 。同期，俄罗斯为了完成对火星进行综合研究的国际“火星— 96 ”计划，空间热转换核电池再一次受到重视。于 1996 年 11 月发射的“火星— 96 ”飞船，使用了 4 台 238 Pu 核电池，随后，研究了供“小型自动观察站”运转及处理和发送信息用的核电池（电功率分别为 200 mW 和 400 mW ）。 2003 年美国开始执行“普罗米修斯”计划，恢复研制核动力。在该计划中包括开发 2 种新型放射性同位素发电器：多用途温差发电器和斯特林发电器。目前，美国和俄罗斯正在研制功率数十至一百千瓦、寿命 5 ～ 7 年的反应堆热离子发电器，用作航天器及电推进系统的电源，同时研究斯特林循环和布雷顿循环等动态转换的热电发电机。除美国、俄罗斯外，德国和日本也在发展本国的太空核电源。 5 核电池的应用宇宙航行对电源的要求非常高，除了功率必须满足要求外，还要求体积小、重量轻、寿命长，同时还能经受宇航中各种苛刻条件的考验。核电池可以满足各种航天器对电源的长期、安全、可靠供电的要求，被航天界普遍看好和广泛应用。目前地球轨道卫星（如气象卫星、导航卫星、通讯卫星）所用电源大多数为太阳能电池，在阳光微弱或者没有阳光的空间飞行时，太阳能电池就失去了用武之地，这就得依靠核电池提供电源。随着人类航天活动的日益拓展，必然对空间电源提出新的需求，同位素电池已成为航天技术进步的更重要工具。海洋的深处，也是核电池的用武之地。在深海里，太阳能电池难以起到作用，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，而核电池能够胜任。例如，核电池能使处于深海、远海急流险滩处的灯塔和导航浮标，保证其每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。还有一些海底设施，如海下声纳，各种海下科学仪器和军事设施，海底油井阀门的开关，海底电缆中继器等，还有的将核电池用于海底电缆的中继站电源，它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地工作，又使成本降低。地面上有许多终年积雪冻冰的高山地区、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠，还有南极、北极等，也需要建立气象站和导航站。用放射性同位素作电源，可以建成自动气象站或自动导航站，实现自动记录、自动控制、常年无须更换和维修。在医学上，核电池已用于心脏起搏器和人工心脏。从汽车安全气囊的触发感应器，到环境监控系统的药品释放，微型电动机械（ MEMS ）已经应用到了日常的生活中，并有希望生产大量不同的具有创新意义的设备。包括“芯片上的实验室”，微机加工隧道扫描显微镜，用于生物制剂的微观探测器，用于 DNA 识别的微系统等。但这些设备受到缺乏随机电源的限制，目前正在研究的解决方法包括燃料电池、矿物燃料以及化学电池，而这些方法都有局限性。在如此小的比例上，化学电池不能足以提供能量来驱动这些设备。因为缩小电池的体积，所储存的能量是以体积的指数倍下降。对于长寿，高能密度的设备，随机的放射性同位素电源是最佳选择。汽车能源一直备受人们的关注，从柴油、汽油到天然气，总是力图在保证汽车所需动力的同时尽量减少排放烟气对环境的污染。随着可持续性发展战略的实施，人们更加注重能源的环保。电动汽车是一个发展的方向，目前电动汽车所用的电池多为化学电池，体积庞大，增加了自身的负载，且也同样存在充电后使用时间短、寿命短的问题。随着航天、航空、深海等领域用核电池的成熟，核电池必将得到更为广泛的应用。 6 核电池的发展趋势核电池目前在国内外已被用于航天、医学、深海、极地、荒漠以及无人气象站和微波站等诸多领域，并正开展在微型电子器件、电动汽车等上的应用。核电池的总体技术发展趋势如下。 6.1 更安全可靠核电池所用放射源大多数放射性同位素都有一定的危险性或毒性，容易造成环境放射性污染，因此需要特殊的屏蔽措施。这样既增加了电池的重量和体积，也增加了成本，同时也不便于携带。因此，人们越来越倾向于利用便于防护的纯β放射源制做同位素电池，尤其是对利用半导体器件做能量转换的同位素电池。另外，各种新工艺与材料的发展使得对放射线的屏蔽将会得到进一步解决，例如，在放射性同位素外包覆耐高温且导热性能好的陶瓷、采用屏蔽效果更好的合金等。 6.2 寿命更长目前在深空航空、航海、气象等领域应用的核电池，已经在寿命上表现出较为显著的优势。在未来，随着能量转换效率的提高，其寿命必将更长，在深空的探测器寿命将达到 15 年以上。 6.3 质量更轻对航天领域，飞船的质量减轻能减少发射、任务执行时的能源消耗。对核电池的“瘦身”能有效地减小飞船质量，也能减少电池本身的负载。 6.4 成本降低目前，核电池的单位电能生产成本比传统电池高，其中一个重要的原因是同位素价格较高。但随着更多的核反应堆的投入运行，人工放射性同位素的生产成本会大大下降。目前有些同位素的价格已比 80 年代初下降了近 80% 。同时考虑到乏燃料后处理的巨额开支，若将后处理的支出用来开展综合利用核废物的同位素电池的开发，将会产生巨大的经济效益和广泛的社会效益。 6.5 转换效率更高提高热电转化效率一直是核电池追求的目标。 6.6 功率范围扩大微型电子领域所用功率较小，在航天领域，人们试图用核电池作为发射火箭的动力，对能源提出更高要求，需要达到更高水平（ 10 kWe ），将依赖于反应堆动力体系（如热离子堆、快中子堆），通过动态能量转化实现。参考文献陈建 . 前景广阔的核电池 . 现代物理知识 ,2007(05):31-33. 梁彤祥，王莉 . 清洁能源材料与技术 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 2012.12:161-164. 郝少昌 , 卢振明 , 符晓铭 , 梁彤祥 . 核电池材料及核电池的应用 . 原子核物理评论 ,2006(03):353-358. 谷德山 . 核电池研究进展与应用及新型长寿命节能核电池研究 . 广东省真空学会 . 薄膜技术高峰论坛暨广东省真空学会学术年会论文集 . 广东省真空学会 : 广东省科学技术协会科技交流部 ,2009:5.; 个人分类: 科普集锦|7226 次阅读|0 个评论

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