蒸汽发生器工艺设计要点.pdf

1 蒸汽发生器工艺设计 2 目录 第一章绪论. 第二章蒸汽发生器的设计与计算 . 2.1 根据热平衡确定换热量 2.2 管径的选取以及传热管数目的确定 2.3 换热面积的计算 2.4 管束结构的计算 2.5 强度计算 2.6 主要管道内径的计算 2.7 一回路水阻力计算 2.8 二回路水循环阻力计算 2.9 运动压头计算 2.10 循环倍率的确定 第三章结论与评价 . 附录 1 蒸汽发生器热力计算表 附录 2 蒸汽发生器水力计算表 附录 3 蒸汽发生器强度计算表 3 第一章绪论 蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，核裂变产生的能量由冷 却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路工质，使其产生具有一定温度一定压力和一定 干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机中做功，转换为电能或机械能。在这个能量转换过程中，蒸 汽发生器既是一回路的设备，又是二回路的设备，所以被称为一、二回路的枢纽。蒸汽发生器 作为一回路主设备，主要功能有： 1、将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路给水，加热给水至沸腾，经过汽水分离后 产生驱动汽轮机的干饱和蒸汽； 2、作为一回路压力边界，承受一回路压力，并与一回路其他压力边界共同构成防止放射性裂 变产物溢出的第三道安全屏障； 3、在预期运行事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反应堆装置的可靠运行。 实际运行经验表明， 蒸汽发生器能否安全、 可靠的运行， 对整个核动力装置的经济性和安 全可靠性有着十分重要的影响。 据压水堆核电厂事故统计显示，蒸汽发生器在核电厂事故中居 重要地位。 一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的，它对核电厂的安全性、 可靠性和经济效益有 重大影响。 因此，各国都把研究与改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电厂技术的重要环节，并 制定了庞大的科研计划，主要包括蒸汽发生器热工水力分析；腐蚀理论与传热管材料的研制； 无损探伤技术；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控 制等。 4 第二章蒸汽发生器的设计与计算 蒸汽发生器的设计计算包括热力计算、水动力计算、强度计算、结构设计等。热力学计 算主要通过传热学知识计算传热管传热面积，然后与管束结构设计相结合可以得到传热管长 度、管束直径等结构参数。 强度计算通过压力校验等用于选取蒸汽发生器结构材料、确定结构 尺寸等。蒸汽发生器中要通过强度计算得出的参数有传热管、上下筒体、 球形下封头管板等的 壁厚。在强度计算得出参数后要留取一定余量，以满足变工况下出现超压情况的需求。水动力 计算是最后一步， 因为只有结构尺寸确定， 运动状态已知的情况下水力情况才得以确定。水力 计算包括一回路水阻力计算、 二回路水循环阻力计算、 运动压头计算等。 其中一回路水阻力计 算相对简单主要包括单相水U 型管管内摩擦阻力和局部阻力两项；二回路水循环阻力计算及 运动压头计算比较复杂。 因为蒸汽发生器内二回路侧流体的水力特性取决于流体工质的性质和 状态、流道的结构和几何形态，以及工质的流动形式。而且计算过程误差较大，往往需要在试 验中进一步修正。二回路水循环阻力包括下降空间阻力、上升空间阻力、汽水分离器阻力等。 而上升空间阻力又包括摩擦阻力、局部阻力、弯管区阻力、加速阻力、流量分配孔阻力五项。 设计中常用图解法来确定循环倍率， 即先假设几个不同的循环倍率分别计算其运动压头和总阻 力，在直角坐标系作出相应曲线，两根曲线交点即为稳定工况的循环倍率值。循环倍率值一般 取 25为宜，其值过小会导致传热恶化，腐蚀加剧等；而过大则会增大汽水分离器负荷，使蒸 汽干度降低，危机汽轮机安全。 计算过程中水力计算是在结构选型和热力计算之后进行，但是结构设计和热力计算又需要 水力计算数据，因此三者往往要反复交替进行，以使设计逐步完善。 5 2.1 根据热平衡确定换热量 一回路进口焓值： ' 1 i=1394.21 kj/kg (15.0MPa， 310） ； 一回路出口焓值： '' 1 i =1284.45 kj/kg （15.0MPa，290） ； 二回路给水焓： f i =944.38 kj/kg (5.0MPa，220） ； 二回路饱和水温： s t =264 （5.0MPa） ； 二回路饱和水焓： s i=1154.50kj/kg （5.0MPa） ； 二回路饱和蒸汽焓值： '' s i=2793.6 kj/kg （5.0MPa） ； 二回路汽化潜热：r= '' s i - s i =2793.6-1154.2=1639.73kj/kg （5.0MPa） ； 排污量： 0.011261.26/ ds DC Dkgs； 干度：x0.01； 换热量：()()231278.98dsfQDrxDDii； 一回路水流量： 1''' 11 2128.40 () Q kg G s ii ； =0.99 为蒸汽发生器的热效率。 2.2 管径的选取以及传热管数目的确定 选取传热管的外径为：430.8 o tdmm； 节距选取为：430.8 o tdmm； 则最小节圆半径为： min261.6Rtmm； 负公差修正系数：=1.102； 弯曲减薄系数： min 11.082 4 o R d R ； 一回路侧设计压： 22 1,1 4 1.2515*1000000 / 9.8*10/191.3265/ 设 PPkgcmkgcm 传热管壁厚： ,1 1 1,1 1.34 2000.8 设 设 o R Pd Smm P ， 此处取 1 1.5Smm； 传热管内径： 1 219 io ddSmm； 6 单管流通面积： 222 11 19284 44 i admm 选取一回路侧水流速度为： 1 5.0/ums 一回路水平均比容： 3 1 0.001378/vmkg（15.0MPa，300，饱和水） 则一回路侧流通面积为： 211 1 0.5866m G v A u U 型管数目为： 111 /2128.40*0.001378 / 5 2069 284 AG vu n aa 根据排管最后确定U 型管数目为： n=2086 2.3 换热面积的计算 一回路侧水导热系数： 1 0.5614/ (）Wm（15.0MPa，300，饱和水） 一回路侧水普朗特数：Pr0.8616 f （15.0MPa，300，饱和水） 一回路侧水动力粘度： -5 1 8.833 10 kg/m s（15.0MPa，300，饱和水） 一回路侧雷诺数： 51 11 Re7.8 10 i f u d v 一回路侧换热系数： 0.80.41 1 0.023RePr33128.72 ff i d 传热管导热系数：17.4/ () w Wm（给定） 传热管壁热阻： 52 ln9.2710/ 2 oo w wi dd RmW d 污垢热阻： 52 2.6 10/ f RmW（按 I-600选定） 传热温差： ' max1 '' min1 maxmin ln max min 31026446 29026426 4626 35 46 lnln 26 s s ttt ttt tt t t t 7 1 2 12 11 q5258假设一个值，进行迭代可以求得试取 o wf i d kRRW mK d 52 ln 0.150.72 2 1.846 10/ 0.55727357.7/ () 则此时的热负荷为： s qktWm pqWm 2 ln 1252.80所需传热面积： Q Fm kt 传热裕度系数：C=1.1 2 1378.08 设 设计传热面积： FC Fm 2.4 管束结构的计算 19939 设 总 传热管总长： o F Lm d 传热管排列方式：按正方形排列 U40.1232 节 最小型管节圆直径：Dtm 实际布管数： n=2086根 D2.34tb管束直径：m max 1.17弯管段高为： Dmm 平均直径：0.5 (0.1232 1.17)0.6466mD 弯管总长：0.54036.87 弯 LD nm 直管总长：199394036.8715902.13 直总弯 LLLm 管束直段高：3.8 2 直 直 L Hm n 管束弯段高： max 0.51.17 弯 HDm 8 管束总高：4.98 tb直弯 HHHm 2.5 强度计算 122.38 管束 （ ）衬筒内径： wit DDm 其中 t 是装配间隙，约1020mm，取 20mm。 22.404衬筒外径： wowi DDm，其中 是衬筒壁厚，给定为12mm。 , 222.58 下 （ ）下筒体内径： woi DDBm 其中 B 为下降流道宽度，取为88mm。 2 2 1.2563.7755/设，二回路侧设计压力： s PPkg cm 下筒体许用应力：=18kg/mm2 下筒体计算壁厚： ,2' 2 46.72 200 1.2 下设， 设， 下筒体计算壁厚： i PD Smm P 47设计壁厚为：Smm , 22675 下下 下筒体外径为： oi DDSmm （3）上筒体许用应力：=18kg/mm2 , 上 上筒体内径：3200 i Dmm（给定） 2,' 2 57.92 200 1.2 设，上 设， 上筒体计算壁厚： i PD Smm P 设计壁厚取为：58Smm ,上,上 则上筒体外径为：23.316 oi DDSm （4）球形下封头许用应力： 2 /5.14mmkg 2675球形封头外径： os DDmm '1 1 83.82 400 1.6 设， 设， 计算壁厚： o PD Smm P 9 设计壁厚取为：84Smm （5）管板许用应力： 2 /1800mmkg 2581承压部分直径： i DDmm ' 1 1 437.57 2 设， 计算壁厚： P SFDmm 设计壁厚选取为：440Smm 堆焊层厚度： 10 堆 Smm 6210.44 总 总 （ ）传热管实际平均长度： l lSm n maxmax 2215.86m 直 最长管子长： lRHS maxmin 228.89 直 最短管子长： lRHSm 2.6 主要管道内径的计算 主管道计算流速： ' 10 10/ums （选取， 812m/s) ' 1 1 1' 10 4 0.61主管道计算内 i G v dm u 1 0.62主管道设计内径： i dm 11 102 1 4 9.72/主管道设计流速： i G v um s d '''3 2 (1)0.039064/新蒸汽比容： vv xvxmkg 蒸汽管计算流速： ' 2 35/um s（选取， 3040m/s） ' 22 2 ' 2 4 0.4231蒸汽管计算内径： i G v dm u 10 蒸汽管设计内径： 2 0.43 i dm 22 22 2 4 33.89/蒸汽管设计流速： i G v um s d 二回路给水比容： 3 3 0.001187/vms 给水管计算流速： ' 3 4/um s（选取， 25m/s） '33 3' 3 4 0.219给水管计算内径： i G v dm u 给水管设计内径： 3 0.22 i dm 33 32 3 4 3.97/给水管设计流速： i G v ums d 2.7 一回路水阻力计算 (1)U 型管内摩擦阻力计算 考虑堵管后流速 ' 11 1.051.055.005.25/uums ' 1 11 Re819327.34一回路侧水雷诺数： i u d v 摩擦阻力系数： 0.25 0.3164Re0.010826 平均壁温： 0.5()0.5(300264)282 as ttt 在此壁温下的动力粘度： '5 1 9.544 10 Pa s 温度修正系数： 0.14 1 ' 1 ()0.989温度修正系数： 2 ' 1 1 54139.77 2 摩擦阻力： f i l u PPa dv 11 (2)局部阻力计算 下封头内径：2.507 l Dm 22 2.47 8 水室截面积： cl FDm 进口管内径： 1 0.62 i dm（与主管道相同） 进口管截面积： 222 11 0.6200.302 44 i Adm 突扩阻力系数： 21 1 (1)0.7703 c A F 一回路侧水入口处比容： 3 1 0.001421m /kg i v（ 15.0MPa，310） 1 1 1 2 1 4 9.72/入口管内流速： i i i G v ums d 2 1 11 1 25585.25 2 从入口管至水室阻力： i i u PPa v 水室转弯 45°阻力系数： 2 0.9（查表，线性插值） 2 1 22 1 4529892.47 2 水室转弯阻力： i i u PPa v 考虑堵管后截面积： '2 0.559 1.05 A Am 系数： ' 0.23 c A F 查图得传热管入口阻力系数： 3 0.4 传热管入口阻力： 2 ' 1 33 1 3878.63 2 i u PPa v U 型管转 180°阻力系数： 4 0.5 12 U 型管转 180°阻力： 2 ' 1 44 1 4999.52 2 u PPa v 传热管出口阻力系数： 5 0.53 出口处水比容（15.0MPa，290） ： 3 2 0.001341/vmkg 传热管出口阻力： 2 ' 1 55 2 5444.30 2 u PPa v 出口管内流速： 12 2 1 9.46/ G v um s A 水室转弯 45°阻力系数： 6 0.9（查表，线性插值） 水室转弯阻力： 2 2 66 2 30004.97 2 u PPa v 出口管突缩阻力系数： 7 0.46 出口管突缩阻力： 2 2 77 2 15335.88 2 u PPa v 总阻力： 7 1 169280.78 fi i PPPPa 设计阻力：1.1186208.86 设 PPPa 2.8 二回路水循环阻力计算 (1)下降空间阻力 下降空间水比容： 3 0.001286/ d vmkg 入口阻力系数： in 1 出口阻力系数： out 1 13 定位装置阻力系数： f 1 下降空间高度： 0 5.78Hm 衬筒外径： 0 5.78Hm 下筒体内径： , 2.58 下i Dm 下降空间当量直径： , 0.176 下woi DeDDm 绝对粗糙度：0.15mm 摩擦系数： 22176 (1.742lg)(1.742lg)0.012 220.15 d De 下降空间截面积： 222 , ()0.689 4 下dwoi FDDm 下降空间水流速： 1260.001286 3,4,50.71,0.94,1.18/ 0.68 Rd d d C Dv ums F 下降空间阻力： 2 0 ()700.56,1038.51,1622.68 2 dd d Hu PPa De (2)上升空间阻力 a)摩擦阻力 饱和水比容： '3 0.001286/vmkg 饱和蒸汽比容： ''3 0.039439/vmkg 饱和蒸汽密度： ''3 '' 1 25.36/kgm v 衬筒内径：2.3808 wi Dm 传热管外径：0.022 o dm 支撑板定位拉杆数量： ' 10n 14 上升空间流通面积： 2'22 (2)2.86 4 uwio FDnn dm 上升空间当量直径： 0 4 0.0386 (2') u wi F de Dnn d 循环速度： ' 0 126 0.001286 3,4,50.170,0.227,0.283/ 2.81 R u C Dv um s F 出口水相折算速度： ' ' 02 (1) 0.1133,0.1699,0.2265/ R u CDv um s F 液相平均折算速度： ' ' 002 1 ()0.1416,0.1982,0.2548/ 2 ouuum s 出口汽相折算速度： '' '' 02 1.737/ u Dv um s F 汽相平均折算速度： '' '' 0 02 1 0.87/ 2 uums 液相动力粘度： 2 0.000100003/ l vms 汽相动力粘度： 52 1.803 10/ g vms 液相雷诺数： ' Re42491.64,59488.29,76484.95 o lo l u de v 汽相雷诺数： '' Re47130.34 o go g u de v 判别流型：都为紊流。 管束直段高： 3.81 直Hm 液相摩阻系数： 0.2 0.184Re0.0220 lolo 汽相摩阻系数： 0.25 0.3164Re0.0214 gogo 按折算速度计算的液相摩擦阻力： ' 2 ' ()16.95,30.54,47.41 2 直 o flolo Hu PPa de 15 按折算速度计算的汽相摩擦阻力： '' 2 ' 1 ()6.75 32 直 o fgogo Hu PPa de 参量 X： () 1.58,2.13,2.65 () flo fgo P X P 2 l ： 2 2 201 114.02,10.62,8.69 l XX 2 g ： 22 12035.20,48.06,61.02 g XX 液相摩擦阻力： 2 ()()237.68,324.53,412.04 fllflo PPPa 汽相摩擦阻力： 2 ()()237.68,324.53,412.04 fggfgo PPPa 摩擦阻力： 1 ()() 237.68,324.53, 412.04 2 fflfg PPPPa b）局部阻力： 支撑板数目：N=6 上升流道单元面积： 222 568.5 4 uo Atdmm 支 撑板单元开孔面积： 222 2 (1310 )113.1 3 u amm 面积比： 0.2 局部阻力系数：50 l 按折算速度计算的液相局部阻力： ' 2 ' ()2337.36,4581.22,7573.04 2 o llol u PNPa 按折算速度计算的汽相局部阻力： '' 2 '' 1 ()955.63 32 o lgol u PNPa 参量 X： () 1.56,2.19,2.82 () llo lgo P X P 二回路工作压力：5.0 s PMPa 临界压力：22.12 c PMPa 16 参数 1 (0.190.92)2.513 s R c P Z P 参数 K： 1 2.911 R R KZ Z 22 2 1 13.27, 2.54,2.16： ll K XX 222 18.00,12.17,17.12： gg KXX 液相局部阻力： 2 ()()7643.30,11627.28,16359.22 lllllo PPPa 汽相局部阻力： 2 ()()7643.30,11627.28,16359.22 g lglgo PPPa 局部阻力： 7643.30,11627.28,16359.22 l PPa c）弯管区阻力 管束弯头最大节圆直径：2.34 b dmm 弯管区重心至圆心距离：0.21220.4967 sb yd 计算冲刷排数： ' 116 s y t N 系数： 12 1.4 o t xx d 系数： 1 1.13 0.431.24n x 液相雷诺数： ' 02 Re33993.31,50989.96,67986.62 lo l u de v 汽相雷诺数： '' 2 Re94260.68 o go g u de v 17 液相摩擦阻力： 0.152 1 0.08 40.044Re0.328,0.308,0.295 (1) lolo n x x 汽相摩擦阻力： 0.15 1.5715Re0.281 gogo 液相阻力： '2' '2 ()26.15,55.37,94.28 2 o blolo u PNPa 汽相阻力： '' 2'' '2 ()57.35 2 o bgogo u PNPa 参量 X： () 0.67,0.98,1.28 () blo bgo P X P 22 oo 2 201 :17.5,5.00,3.88 ll XX 222 :1203.42,4.83 6.38， gg XX 液相阻力： 2 ()()196.219,276.733,365.645 bllblo PPPa 汽相阻力： 2 ()()196.219,276.733,365.645 bggbgo PPPa 弯管区阻力： 1 ()() 196.219,276.733,365.645 2 bblbg PPPPa d）加速阻力 管束出口质量含汽率： 2 1 0.333,0.25,0.20 R x C 管束出口体积含汽率： 2 '' 2 22 ''' 0.939,0.911,0.885 (1) x xx 系数： 6 0.8330.05ln()0.913 10 s p C 管束出口截面含汽率： 22 0.857,0.832,0.808C 质量流速： '2 0 132.07,176.095,220.119/Gukgm s 18 加速阻力： 222 22 '''' 22 (1)1 136.72,185.61,240.11 (1) a xx PGPa e）流量分配孔板阻力： 阻力系数： 8 h 孔板局部阻力： 2 2 89.75,159.56,249.32 o u hh PPa 上升空间阻力：8303.67,12573.71 ,17626.34 rflbah PPPPPPPa f）汽水分离器阻力：12600,14900,17090 s PPa g）循环总阻力：21604.23,28512.23,36339.02 总drs PPPPPa 2.9 运动压头计算 （1）预热段高度计算： 二回路给水焓： 944380 / f iJkg 二回路饱和水焓：1154200 / s iJ kg 液面高度：5.78 o Hm 下降空间下端压力： 5.04 lowsdo ppgHMPa low p 压力下的饱和水焓：1157255 / sl iJkg 0.062/a sls lows iii Jkg P ppp 预热段高度： () 0.552,0.558,0.564 2 sf dod R p o d ii i gHP Cp Hm d nqi g Gp （2）运动压头计算 19 蒸发段高： 1 4.43 rtbp HHHm 管束上方区段高度： 2 0.8 rotb HHHm 蒸发段平均质量含汽率： 12 1 0.167,0.125,0.100 2 xxm 蒸发段平均体积含汽率： 1 '' 1 11 ''' 0.860,0.814,0.773 (1) x xx 蒸发段平均截面含汽率： 11 0.78,0.74,0.71C 管束上方区段平均截面含汽率： 22 0.857,0.832,0.808 蒸发段运动压头： ''' 111 ()25640.40,24278.86,23054.63 mr PgHPa 管束上方区段压头： ''' 222 ()5055.84,4905.66,4764.14 mr PgHPa 运动压头： 12 30696.24,29184.52,27818.77 mmm PPPPa 20 2.10 循环倍率的确定 将循环倍率、循环运动压头和循环运动压头对应数值列出表并做曲线，得以下结果： 循环倍率3 4 5 总阻力21604.23358 28512.22731 36339.02244 运动压头30696.24145 29184.52 27818.77 由上图可近似确定循环倍率为3.8，满足 2 到 5 之间的要求。 第三章结论与评价 本设计说明书主要对蒸汽发生器的设计计算进行说明解释。基本完成了课程设计要求的对蒸汽发生器 换热、水力和强度等项目的计算任务。 通览本次设计，本人对蒸汽发生器的结构、原理有了进一步理解。同时也对蒸汽发生器“设计”的大 体步骤与过程初步了解。应该说，此次设计是十分不成熟的，特别是在管束直径和弯管计算以及传热管排 布等环节做了较大简化处理，另外，由于对机械加工、材料等方面知识了解不够，结构设计也存在诸多不 不严谨设计，这一方面是因为设计者的经验不足，二是时间所限，计算结果没有得到进一步仿真验证，故 设计结果实际应用价值不大。