蒸汽發(fā)生器傳熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、摘 要 本文首先對蒸汽發(fā)生器的形式進(jìn)行了選擇，經(jīng)過對比，將自然循環(huán)形式的蒸汽發(fā)生器作為本次設(shè)計(jì)的主體。接著通過已給定的原始數(shù)據(jù)、進(jìn)行傳熱計(jì)算、并恰當(dāng)?shù)倪x擇傳熱管內(nèi)外徑和最后確定k值并計(jì)算出傳熱面積。然后通過蒸汽產(chǎn)量和傳熱管內(nèi)徑，確定了傳熱管根數(shù)。接下來進(jìn)行傳熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)使用的是正方形排布，因?yàn)楣苁^多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該排布為圓形，傳熱管之間的距離唯一。根據(jù)排管結(jié)束后可以得出的蒸汽發(fā)生器和U型管的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行了水力計(jì)算其中包括一回路的U形管內(nèi)摩擦阻力計(jì)算、一回路水局部阻力計(jì)算；二回路的下降空間阻力計(jì)算、上升空間阻力計(jì)算；選取適當(dāng)?shù)钠蛛x器阻力。從而得出循環(huán)總阻力然后確定預(yù)熱段高度并

2、進(jìn)行運(yùn)動壓頭的計(jì)算，然后通過畫圖得出最佳循環(huán)倍率。關(guān)鍵詞 自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，三角形布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Abstract First, the choice of the steam generator in the form of the design choices, by comparison, the natural circulation steam generator. Subsequently endorsed by the original data, heat transfer calculations, select the appropriate heat transfer t

3、ube outer diameter and determine the fixed value of k to calculate the heat transfer area. Steam production and heat transfer tube diameter, to determine the heat transfer tubes of the root number. Next, we should do structural design with heat transfer tubes。In this design，we used square layout。Bec

4、ause the number of heat transfer tubes is very huge.So we have to arranged them in a circular based on experience .And the distance between heat transfer tubes is only. According to the steam generator can be drawn after the end of the pipe and U-tube size data, the hydraulic calculation of the U-sh

5、aped tube including a loop within the frictional resistance, the local resistance of a circuit water; falling space of two loop resistance calculation of room for growth resistance calculation; select the appropriate soda separator resistance. To arrive at the total loop resistance and then determin

6、e the preheating section height and movement of pressure head calculation, and then obtained by drawing the best circulation ratio. Key word Natural circulation steam generator, Square layout, Structural design目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1研究背景11.2蒸汽發(fā)生器傳熱管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究目的及意義1 1.3研究內(nèi)容與基本方法3 1.3.1傳熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31.3.

7、2傳熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法3第二章 蒸汽發(fā)生器傳熱管的設(shè)計(jì)方法42.1 傳熱系數(shù)k值得選取42.2傳熱面積的設(shè)計(jì)方法52.3傳熱管材料的選取62.4傳熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)72.5國外關(guān)于蒸汽發(fā)生器傳熱管的設(shè)計(jì)的先進(jìn)成果7第三章蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1 給定條件93.2蒸汽發(fā)生器的熱力計(jì)算103.2.1 熱平衡計(jì)算103.2.2 傳熱管及管內(nèi)水流速的選取103.3 傳熱計(jì)算113.4傳熱管的排布設(shè)計(jì)13第四章蒸汽發(fā)生器水力計(jì)算184.1 蒸汽發(fā)生器水動力計(jì)算184.2 一回路水阻力計(jì)算194.3 二回路水循環(huán)阻力計(jì)算204.4 運(yùn)動壓頭計(jì)算274.5 確定循環(huán)倍率28結(jié) 論29致 謝30參考文獻(xiàn)31

8、第一章 緒論1.1研究背景 在早期的蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)制造過程中，由于缺乏設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范，便假設(shè)蒸汽發(fā)生器與其他反應(yīng)堆部件具有一樣的壽命。但是反應(yīng)堆的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽發(fā)生器，尤其是其中的傳熱管束由于各種原因容易發(fā)生破裂和腐蝕破損，原因可以歸結(jié)為設(shè)計(jì)制造問題，比如缺少準(zhǔn)則和分析手段，還有就是由于環(huán)境的原因，比如水的流速，水質(zhì)腐蝕，非正常工況下水溫的過高或過低。 蒸汽發(fā)生器傳熱管破損事故會給核電廠造成極其嚴(yán)重的后果，不僅會使一回路側(cè)系統(tǒng)冷卻劑裝量減少，而且更重要的是它會使二回路側(cè)的壓力水位的增加，溫度升高，甚至溢滿，放射性物質(zhì)排放到周圍環(huán)境中，此外，傳熱管破損還會伴隨其它安全設(shè)施的失效，造成堆芯損毀

9、。蒸汽發(fā)生器的失效主要發(fā)生在傳熱管束，蒸汽發(fā)生器以AP1000為例約有15000根薄壁管被固定在管辦和支撐板之間。傳熱管是有放射性的一回路系統(tǒng)和無放射性的二回路系統(tǒng)的交界面，他承受著一次側(cè)和二次側(cè)之間加大的溫差和非常高的壓力差產(chǎn)生的應(yīng)力，又承受著水流流動而引起的震動，腐蝕以及傳熱管與管板連接部位的集中應(yīng)力等，因此造成蒸汽發(fā)生器傳熱管束破算事故的概率比較高。為了解決這一問題，美國電力研究所和壓水堆電站合作成立了蒸汽發(fā)生器工作組，開展有效的研究，并及時的運(yùn)用這些研究成果，共同開展蒸汽發(fā)生器的腐蝕失效和可靠性研究。根據(jù)臥式蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行和設(shè)計(jì)等方面對腐蝕的機(jī)理原因進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析和探討，并且采用

10、的緩解措施取到了較好效果。但是由于蒸汽發(fā)生器的傳熱管的工況和內(nèi)部情況比較混雜，傳熱管的出現(xiàn)腐蝕損傷是不可避免的。從而要求在安全的前提下保證蒸汽發(fā)生器經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。我國的壓水堆核電站經(jīng)過多年的運(yùn)行表明，蒸汽發(fā)生器的工作性能足夠穩(wěn)定，但是可靠性不足，傳熱管束破損數(shù)目較高，已經(jīng)接近了壓水堆動力裝置總數(shù)的一般。各國都把眼界與改進(jìn)蒸汽發(fā)生器技術(shù)當(dāng)做完善整個核動力裝置的重要環(huán)節(jié)，并制定了龐大的研究計(jì)劃。本次設(shè)計(jì)是要通過對傳熱管的排列方式，高度選擇，壁厚及長度等方面的安排，利用腐蝕理論和傳熱管材料的研制，無損探傷計(jì)數(shù)，振動、磨損、疲勞研究，減少腐蝕化學(xué)物的濃縮，改進(jìn)水質(zhì)控制等。盡可能的使蒸汽發(fā)生器再能安全平穩(wěn)

11、的狀況下高效率工作。1.2蒸汽發(fā)生器傳熱管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究目的及意義 蒸汽發(fā)生器作為核電廠一回路與二回路連接的關(guān)鍵設(shè)施，其安全性是不容忽視的，傳熱管束作為蒸汽發(fā)生器核心部位，對于它的設(shè)計(jì)制造自然需要做大量的工作，例如壁厚問題，壁厚過大，雖然安全性大大增加，但是影響換熱，增加傳熱管所占的空間，容易引起二次側(cè)鹽分、雜質(zhì)和泥沙的聚集與濃縮，造成傳熱管堵塞，相反的，壁厚過小，運(yùn)行中更容易發(fā)生應(yīng)力斷裂或腐蝕破損。所以此次的設(shè)計(jì)，其目的就是，找到一個適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，包括傳熱管壁的厚度，傳熱管束的高度，長度，U形管的排列方式，傳熱管的排數(shù)，每排傳熱管數(shù)量。同時再根據(jù)蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行參數(shù)，通過之前的熱力計(jì)算和

12、工程水力計(jì)算，對傳熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，接下來還要確定傳熱管的選材，以保證其能夠在高溫高壓腐蝕輻射等極端惡劣的環(huán)境中平穩(wěn)的工作，最后要確定蒸汽發(fā)生器附屬的裝置，包括管板、防震條的相關(guān)尺寸。在壓水堆核電站中，蒸汽發(fā)生器是一回路系統(tǒng)中的一個主要設(shè)備，具有尺寸大，重量重，設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜，作用大的特點(diǎn)，再設(shè)計(jì)和制造方面被稱為當(dāng)代熱交換器技術(shù)的最高水平。長期以來國際上壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器經(jīng)常發(fā)生傳熱管腐蝕破損，在可靠性上存在嚴(yán)重問題，是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的唯一致命弱點(diǎn)，保證蒸汽發(fā)生器的制造質(zhì)量有助于提高其安全可靠性。由于蒸汽發(fā)生器制造相當(dāng)復(fù)雜，技術(shù)密集程度高，要求制造質(zhì)量符合設(shè)計(jì)說明書上的要求。因此，對于

13、蒸汽發(fā)生器傳熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大意義。 在核動力裝置中，由于一回路為帶有放射性回路，而二回路為無放射性回路， 因此在研制蒸汽發(fā)生器時對結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料抗腐蝕性、密封性等都提出了很高的要求。蒸汽發(fā)生器及其部件的設(shè)計(jì)，必須供給核電站在任何運(yùn)行工況下所需的蒸汽量及規(guī)定的蒸汽參數(shù)。只有滿足這個要求才能保證電站在任何負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。蒸汽發(fā)生器的容量應(yīng)該最大限度地滿足功率負(fù)荷的需要，而且要求隨著單機(jī)容量的增加，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到相應(yīng)改善。蒸汽發(fā)生器的所有部件應(yīng)該絕對地安全可靠。蒸汽發(fā)生器個零、部件的裝配必須保證在密封面上排除一回路工質(zhì)漏入二回路中去的可能性。必須排除加劇腐蝕的任何可能性，特別是一回路中的

14、腐蝕。蒸汽發(fā)生器必須產(chǎn)生必要純度的蒸汽，以保證蒸汽發(fā)生器在高溫下可靠地運(yùn)行，并保證汽輪機(jī)也可靠而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。蒸汽發(fā)生器應(yīng)設(shè)計(jì)得簡單緊湊，便于安裝使用，同時易于發(fā)現(xiàn)故障而及時排除，并有可能徹底疏干。保證蒸汽發(fā)生器具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器時，要考慮一、二回路兩種工質(zhì)的種類和參數(shù)，正確地選擇結(jié)構(gòu)方案、材料、傳熱管尺寸、傳熱系數(shù)以及冷卻劑等，對取得蒸汽發(fā)生器最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是非常重要的。另外，必須采取減少向外散熱損失的措施。 1.3研究內(nèi)容與基本方法1.3.1傳熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蒸汽發(fā)生器的熱力計(jì)算及熱平衡計(jì)算：此部分包括，一回路的壓力，溫度，流量，焓值，再通過以上數(shù)值可以初次計(jì)算出傳熱

15、管束的壁厚。此部分包括，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和基本的熱力特性已經(jīng)確定的前提下，計(jì)算出傳熱面積，再考慮污垢和排污量的問題，利用迭代法反復(fù)計(jì)算，直到最后可到的換熱系數(shù)與預(yù)想值偏差小于5%為止 根據(jù)熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)果對傳熱管進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器為立式的，為了縮小蒸發(fā)器的橫向尺寸，所以傳熱管束的排列應(yīng)該盡量緊湊些，但是如果上升空間流通面頰過于狹窄，循環(huán)倍率就會達(dá)不到要求，因此應(yīng)該先通過傳熱面積計(jì)算出傳熱管的平均長度，再選擇排列方式，和傳熱管的數(shù)量，并且要保留一定的裕度，防止傳熱惡化。 蒸汽發(fā)生器的水力計(jì)算（1）一回路水阻力計(jì)算：U 型管內(nèi)摩擦阻力計(jì)算，一回路局部阻力計(jì)算（2）二回路水循環(huán)阻力計(jì)算

16、：下降空間阻力，上升空間阻力摩擦阻力，支撐上升空間板局部阻力，上升空間彎管區(qū)阻力，上升空間加速阻力，上升空間流量分配孔板阻力。 根據(jù)熱工水力計(jì)算重新確定傳熱管的結(jié)構(gòu)形式以及布置方式。確定傳熱管選用的材料，管板，防震條等部件的相關(guān)尺寸。采用熱處理的lnconel600管材，以提高抗一次側(cè)應(yīng)力腐蝕和二次側(cè)腐蝕與晶間腐蝕能力。按照RCC-M所規(guī)定的機(jī)械性能，確定了最佳退火溫度為1040。退火和矯直后，管子在750下進(jìn)行5小時的消除應(yīng)力處理，將殘余盈利江堤至可忽略限值，在管材微觀結(jié)構(gòu)上能使碳化物在晶間周維沉積，能改善在苛性介質(zhì)中的抗腐蝕性。經(jīng)在一回路純水中進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)表明，lnconel600對一回

17、路應(yīng)力腐蝕破裂不敏感。在二次側(cè)含氯化物的介質(zhì)中，由于鎳含量低于58%，處于氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的不敏感區(qū)，具有良好的抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能。又由于鉻含量的提高，對于受氯化物和二氧化硫污染的介質(zhì)中的點(diǎn)腐蝕，也具有良好的抗腐蝕性能 。1.3.2傳熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法 蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造極其復(fù)雜，所用的零部件之間有著密切的聯(lián)系，所以單純的只考慮傳熱管，得到的結(jié)果是非常片面的，再設(shè)計(jì)傳熱管的排列和分布方式時，應(yīng)該同時考慮到傳熱計(jì)算的結(jié)果，水力計(jì)算的動態(tài)分析結(jié)果，和蒸汽發(fā)生器以及傳熱管內(nèi)流體的水力特性，將這三者綜合分析，別且反復(fù)交替迭代計(jì)算，才能使設(shè)計(jì)結(jié)果逐步的完善。第二章 蒸汽發(fā)生器傳熱管的設(shè)計(jì)方法2.

18、1 傳熱系數(shù)k值得選取 傳熱系數(shù)k值的選取是蒸汽發(fā)生器傳熱管熱力計(jì)算的核心部分。傳熱管中的一回路水要比二回路水的溫度高出100左右，一回路水從進(jìn)口到出口溫度下降20-30，而二回路則需要從一回路水中吸收熱量，變成對應(yīng)溫度下的飽和水蒸氣，這中間的換熱過程非常復(fù)雜，它包括一回路水的強(qiáng)迫對流換熱，傳熱管壁的傳導(dǎo)換熱，傳熱管污垢的傳導(dǎo)換熱，二回路水的沸騰換熱，在設(shè)計(jì)的過程中，必須要全方面的考慮到這些換熱的因素，否則就會容易導(dǎo)致一回路出口水溫度過高只是反應(yīng)堆堆芯冷卻不足，或者二回路蒸汽產(chǎn)量不足，具體的選取方法如下 （1）計(jì)算一回路測水的強(qiáng)迫對流換熱的換熱系數(shù)，應(yīng)用公式 （2.1）其中為換熱系數(shù)；為一回路

19、水平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，可以通過水和水蒸氣性質(zhì)參數(shù)手冊（以下簡稱手冊）查得；為一回路水在平均溫度下的雷諾數(shù)，查找方式同上；為一回路水的普朗克常量，查找方式同上（2）計(jì)算傳熱管的導(dǎo)熱熱阻，應(yīng)用公式 （2.2）其中為導(dǎo)熱熱阻；為傳熱管的外管徑，自由選取，范圍是12mm-22mm；為內(nèi)管徑，選取方法是先設(shè)計(jì)傳熱管管壁厚度s，再通過公式求得；為傳熱管的換熱系數(shù)，通過選擇的的傳熱管材料進(jìn)行選取傳熱管壁污垢熱阻的選取，它的選取范圍是二回路側(cè)沸騰換熱系數(shù)的選取，應(yīng)用公式 （2.3）其中p為二回路側(cè)的工作壓力；q為熱流密度，通過公式求得；其中k為換熱系數(shù)，對數(shù)傳熱溫差，可以通過公式 （2.4） 由此可見，在計(jì)

20、算傳熱系數(shù)k值的過程中，k值作為已知量被使用，所以在計(jì)算傳熱系數(shù)之前，要預(yù)先選定k值，代入公式中，最后再解出k值，對比這兩個值，誤差小于4%即為準(zhǔn)確值，否則，重新選定k值，進(jìn)行迭代計(jì)算，最終確定傳熱系數(shù)2.2傳熱面積的設(shè)計(jì)方法2.2.1國內(nèi)外最新的U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器近似理論計(jì)算熱工模型 由于實(shí)際的立式U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器式樣千差萬別，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在換熱面積近似理論計(jì)算公式中，對其進(jìn)行了簡化和假設(shè)：(1)U型管傳熱簡化為直管段傳熱，蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流動和傳熱均為穩(wěn)態(tài)，各U型管的換熱面積相等，單管與流體的傳熱仍遵從對數(shù)溫差傳熱規(guī)律；(2)熱流體為單相流，走管程；冷流體為兩相流，走殼程；冷流體

21、受熱狀態(tài)僅分為加熱狀態(tài)和蒸發(fā)狀態(tài)，其它狀態(tài)忽略不計(jì)；(3)每根U型管沿軸向從中間分開，分為熱側(cè)和次熱側(cè)，冷流體在熱側(cè)和次熱側(cè)受熱沸騰的初始點(diǎn)不一定相同，熱側(cè)和次熱側(cè)在加熱過程或蒸發(fā)過程的傳熱系數(shù)也不一定相同，但蒸汽發(fā)生器內(nèi)所有熱側(cè)或次熱側(cè)對應(yīng)區(qū)間的傳熱系數(shù)是相同的；(4)冷流體和熱流體在所有流體通道中充分混合且均勻分布，流體溫度在熱側(cè)或次熱側(cè)通道橫截面中均勻分布，循環(huán)水在蒸汽發(fā)生器底部與給水均勻混合；(5)冷流體和熱流體的壓降可以忽略不計(jì)，流致振動忽略不計(jì)，二次側(cè)排污及其它流量損失忽略不計(jì)，一次側(cè)流量損失忽略不計(jì)，蒸汽發(fā)生器與周圍環(huán)境之間的熱損失忽略不計(jì)；(6)熱物性參數(shù)為常數(shù)，污垢熱阻為定值

22、，傳熱效率為定值。圖2.1 蒸汽發(fā)生器U形管分側(cè)圖2.2.2本次設(shè)計(jì)的方法 因本次設(shè)計(jì)的要求不高，故傳熱管的換熱面積可以由求得其中F為換熱面積，Q為蒸汽發(fā)生器的熱功率可由公式求得，其中：為汽化潛熱查手冊得； 為干度為已知量； 為二回路水飽和焓查手冊得； 為二回路給水焓查手冊得；，對數(shù)傳熱溫差前面已經(jīng)求得 以上求出的換熱面積為正常工作時的換熱面積，因?yàn)榭紤]到計(jì)算過程中的誤差，和正常運(yùn)行時傳熱管污垢會有堵管的可能，所以再設(shè)計(jì)時必須加上一定的裕量，即乘以一個系數(shù)C，C的范圍在1.061.09之間2.3傳熱管材料的選取 壓水反應(yīng)堆（壓水堆）使用蒸汽發(fā)生器，是使反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成水蒸汽的大型設(shè)備

23、。 這些設(shè)備的高度高達(dá)70英尺重量高達(dá)800噸。熱輻射水被泵通過數(shù)千英尺的管道注入到每個蒸汽發(fā)生器，每一個蒸汽發(fā)生器都包含了3000到16000根傳熱管，這些傳熱管的直徑只有四分之三英寸左右，高壓下，它以防止水沸騰。在管內(nèi)流動的水可以加熱管外的非放射性的水。 產(chǎn)生的蒸汽再去推動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力。隨后蒸汽凝結(jié)成水返回蒸汽發(fā)生器，再次被加熱。 因此這些傳熱管有一個重要的安全方面的作用，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成核電廠的放射性和非放射性雙方之間的主要障礙之一。出于這個原因，傳熱管的完整性是最大限度地減少水泄漏到工廠之間的必不可少的重要因素。如果電廠正在運(yùn)行中二傳熱管發(fā)生破裂的話，主冷卻劑便會攜

24、帶著大量的放射性物質(zhì)由主泵獲得能量逃逸出來，直接汽化成水蒸氣的形式。 傳熱管材料的選取和管的熱處理是影響傳熱管脆弱性退化的兩個最重要的影響因素，同時也是決定蒸汽發(fā)生器使用壽命的重要因素。由于奧氏體不銹鋼具有良好的耐均勻腐蝕的能力和良好的工藝性能，因此在早期的壓水堆核動力裝置中廣泛采用奧氏體不銹鋼作為蒸汽發(fā)生器的管材。但是在使用中發(fā)現(xiàn)，奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、晶問腐蝕及點(diǎn)蝕等破壞，因此致力于調(diào)整奧氏體不銹鋼的合金元素以提高其耐腐蝕能力。但是無論怎樣調(diào)整奧氏體不銹鋼的合金成分，它對氯離子應(yīng)力腐蝕總是敏感的，因此一般認(rèn)為應(yīng)當(dāng)選用耐腐蝕性能更好的新管材。70年代初，美國和其他歐洲國家采用高含鎳合金

25、材料，其中多數(shù)使用lnconel600合金。這種材料具有較高的強(qiáng)度，因此管壁可以較薄，而且這種材料對氯離子應(yīng)力腐蝕具有免疫性能，得到了廣泛應(yīng)用。由于lnconel600合金仍然存在苛性應(yīng)力腐蝕、耗蝕、晶間腐蝕和晶間應(yīng)力腐蝕2.4傳熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先計(jì)算出傳熱管的根數(shù)利用公式 （2.5）其中 n為為傳熱管根數(shù)；G為冷卻劑質(zhì)量流量；為入口冷卻劑密度；;為管內(nèi)冷卻劑流速；A 為為單根傳熱管流通面積； 再利用公式計(jì)算出傳熱管的總長度因?yàn)楣馨鍨閳A形，為了增強(qiáng)蒸發(fā)器換熱能力，傳熱管在管板上的排列盡量均勻，確定排數(shù)和每一排的傳熱管的根數(shù)，確定傳熱管的最大管束直徑和最小管束直徑，并利用公式 （2.6）計(jì)算出彎

26、管的總長度，再利用公式可以求出直管段的長度，這樣就可以確定傳熱管的具體排列方式了 2.5國外關(guān)于蒸汽發(fā)生器傳熱管的設(shè)計(jì)的先進(jìn)成果2.5.1 美國西屋公司新設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器 美國西屋公司設(shè)計(jì)的F型蒸汽發(fā)生器,力求避免傳熱管的各種腐蝕破損和機(jī)械破損問題,但在高麗和卡拉威核電站的初期運(yùn)行中,在管束U形彎頭防振條處發(fā)生了磨損。磨損歸因于管子與防振條的間隙過大,這是裝配工藝和管徑與防振尺寸公差的疊加造成的。最新設(shè)計(jì)的F型蒸汽發(fā)生器對防振架進(jìn)行了改進(jìn),要求U形彎頭區(qū)的管子直徑偏差小于0.13mm,防振條加工公差為土0.03mm,并嚴(yán)格控制防振架的裝配過程,使管子與防振條的間隙為早期F型的1/31/4。防振條

27、材料由鍍鉻的因科鎳600改為不銹鋼。 （1）管子材料 更換用管束部件的管材,選用經(jīng)熱處理的因科鎳690(I一690TT)。試驗(yàn)表明,I一690TT的抗腐蝕能力比工廠退火的因科鎳600高出幾個數(shù)量級。 （2）管子在管板內(nèi)采用液壓脹管 在完成典型的管子與管板密封工序后,沿管板全厚度液壓脹管,以避免在縫隙內(nèi)積聚雜質(zhì)和發(fā)生濃縮。 （3）不銹鋼四葉形支撐板 特點(diǎn)是有四個流水孔和四個支撐凸緣。流水孔提供了大面積的流水通道,能降低阻力,提高流速。支撐凸緣與管子為線接觸,熱工水力特性較好。用抗腐蝕的鐵素體不銹鋼制造,降低了支撐板附近管子的腐蝕電位。 （4）增大最小U形彎頭半徑 為了降低因彎管而造成在小彎頭處的

28、高殘余應(yīng)力,把最小U形彎頭半徑增大為79.8mm,而原來的最小U形彎頭半徑為55.6mm。2.5.2 加拿大B&W公司新設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器 1991年磨石2核電站將更換蒸汽發(fā)生器,由加拿大B&W公司供貨,它是以CANDU堆蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),希望能防止因各種因素而引起的管子破損,預(yù)期壽命為40年。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下： （1）管子材料 管材為I一690TT,它的導(dǎo)熱性能稍低于原蒸汽發(fā)生器的I一600,所以管壁厚度減薄了0.08mm,并重新設(shè)計(jì)了U形彎頭以增加傳熱面積。為了提高I一690的耐腐蝕性能,確定了退火溫度和時間(1071度、超過1分鐘),使含碳量在0.015一0.025%之間。退火后接著進(jìn)

29、行熱處理(704度、10小時),以改進(jìn)抗苛性應(yīng)力腐蝕的性能。嚴(yán)格控制管子制造工藝,鹵化物、硫化物、硫酸鹽和其它金屬的含量盡可能低。最終清洗時,清洗劑的氯離子含量低于1ppm。要盡可能降低管子加工制造時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,尤其是在U形彎頭部位,彎管后要進(jìn)一步消除應(yīng)力。 （2）管子與管板連接 采用全液壓脹管,消除了管子與管板孔的縫隙,并要使脹管過渡處圓滑過渡,來減小過渡處的殘余應(yīng)力。 （3）管束支撐結(jié)構(gòu)曾采用過剛性三葉形支撐板,最近采用柔性好、線接觸的柵格支撐板。材料為回火馬氏體不銹鋼,它的耐蝕性好和磨損率低。為防止管束振動,嚴(yán)格控制管子與支撐條的間隙公差。取消了拉桿,因?yàn)樵O(shè)置拉桿后,會發(fā)生支撐板扭曲

30、,并對管子起約束作用。最下面一塊柵格板是分配流量的特殊柵格板,它能調(diào)節(jié)阻力,使入口區(qū)域的流量分配最佳化,提高排污能力。采用高循環(huán)倍率,一般等于或大于5,使管板上流速大于0.5m/s,泥渣處于懸浮狀態(tài),避免泥渣沉積。 （4）排污系統(tǒng) 去消了在管板上表面排污管,排污管布置在管板內(nèi),因?yàn)樵诠馨迳细咚倭黧w對清除堆積的泥渣收效甚微,但它能使泥渣處于懸浮狀態(tài),利用排污系統(tǒng)排出泥渣。排污系統(tǒng)最大排污系統(tǒng)最大排污量為蒸發(fā)量的7%。為了保證長期停堆期間控制二次側(cè)的水質(zhì)指標(biāo),從管束頂部到底部設(shè)計(jì)了一個通道,每天能把二次側(cè)的水完全更換三次,并可進(jìn)行取樣和過濾。第三章 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蒸汽發(fā)生器的傳熱是由溫度較高

31、的一回路冷卻劑向溫度較低的二回路工質(zhì)進(jìn)行的。在壓水堆核動力裝置中，一般設(shè)計(jì)成一回路冷卻劑在蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)流動，二回路的工質(zhì)在傳熱管外流動。溫度大約為300左右的欠飽水進(jìn)入管子后，約以3-5m/s的速度流動，向傳熱管的內(nèi)壁強(qiáng)烈的放熱，壓力水流出傳熱管時溫度大約降低30左右。在二回路側(cè)，工質(zhì)從傳熱管束獲得熱量，處于強(qiáng)烈的沸騰狀態(tài)，產(chǎn)飽和生蒸汽或者過熱蒸汽。3.1 給定條件 蒸汽產(chǎn)量:，該蒸汽產(chǎn)量為單臺蒸汽發(fā)生器中的蒸汽限流器滿功率運(yùn)行時的蒸汽產(chǎn)量； 蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽干度：； 蒸汽發(fā)生器效率：； 一回路額定工作壓力：；一回路設(shè)計(jì)壓力：，設(shè)計(jì)時留有一定的閾值，避免在非正常工況下引發(fā)事故； 一回

32、路冷卻劑入口溫度：； 一回路冷卻劑出口溫度：，一回路水溫差需大于，本次設(shè)計(jì)為； 二回路給水溫度：； 二回路額定工作壓力:; 二回路飽和水溫度可查手冊得： 二回路設(shè)計(jì)壓力：； 設(shè)計(jì)壓力為運(yùn)行壓力的1.25倍，目的是留出一定的壓力裕度，防止在非正常工況運(yùn)行中或事故中不會造成零件的大范圍的損壞 傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)：; 傳熱管壁許用應(yīng)力：; 下筒體許用應(yīng)力：;3.2蒸汽發(fā)生器的熱力計(jì)算 熱力計(jì)算是以求取蒸汽發(fā)生器所需傳熱面積為主要目的的設(shè)計(jì)計(jì)算，就是在結(jié)構(gòu)形式和一些基本熱工參數(shù)給定的條件下，求取傳熱面積的大小。3.2.1 熱平衡計(jì)算 由二回路蒸汽產(chǎn)量公 （3.1）其中：為汽化潛熱查表得； 為干度； 為二

33、回路水飽和焓； 為二回路給水焓；解得為蒸汽發(fā)生器的熱功率 由一回路水量公式可求取一回路放熱 （3.2）其中為蒸發(fā)器熱效率; 為一回路進(jìn)口水焓; 為一回路出口水焓可求取一回路水量為3.2.2 傳熱管及管內(nèi)水流速的選取 蒸汽發(fā)生器熱設(shè)計(jì)可以分為兩種形式：一種是以求取蒸汽發(fā)生器所需傳熱面積為主要目的的計(jì)算稱為設(shè)計(jì)計(jì)算，這是在結(jié)構(gòu)形式和一些基本熱工參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，求取傳熱面積的大?。涣硪环N是對已有設(shè)備進(jìn)行校核計(jì)算，這時設(shè)備傳熱面積為已知量，然后根據(jù)一些已知熱工參數(shù)去設(shè)計(jì)另一些熱工參數(shù)，以確定該設(shè)備能否滿足工作的需要。本節(jié)主要介紹蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)熱計(jì)算。 蒸汽發(fā)生器的傳熱面積是由大量小的直徑薄壁無

34、縫U形管組成，通常傳熱管的外徑為12-22mm，壁厚小于1.5mm。根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果，由于換熱量比較大，并且參考了我國大亞灣核電站的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用的管徑為20mm，內(nèi)直徑為17.5mm，傳熱管壁厚度為1.25mm。則可以求出單管通流面積 。 （3.3）傳熱管材料選擇lnconel600。蒸汽發(fā)生器的換熱重要取決于一回路水的最大允許流速。目前核動力設(shè)備的容量越來越大，為了縮小筒體和減薄管板，趨向于選取高流速，但必須考慮允許的流動壓降和侵蝕效率。綜合考慮，選取一回路水的流速為3.3 傳熱計(jì)算 蒸汽發(fā)生器的換熱過程包括冷卻劑對管壁的強(qiáng)迫對流換熱，管壁和污垢熱阻的導(dǎo)熱， 二回路的沸騰換熱。 由公

35、式可導(dǎo)出一回路側(cè)強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)： （3.4）壓力溫度（）（10-6w/mk)（10-3Pas）rf（J/(kgK)）15MPa300561.8088.390.8615MPa242461.1869.491.3817.5MPa300566.8089.270.8517.5MPa350452.3067.001.38表3.1相關(guān)數(shù)據(jù)物性參數(shù)根據(jù)上表可查得水的導(dǎo)熱系數(shù)：； （3.5）為一回路水雷諾數(shù)； 為普朗克常量查表得傳熱管導(dǎo)熱熱阻： （3.6）其中： 為傳熱管導(dǎo)熱系數(shù)查表得污垢熱阻按照lnconel600 選取 （3.7）設(shè)定傳熱系數(shù)則熱流密度 （3.8）根據(jù)俄羅斯學(xué)者推薦的飽和沸騰計(jì)算式，可取的二

36、回路沸騰換熱系數(shù)： （3.9）傳熱系數(shù) （3.10）將k 重新帶入（1）式，進(jìn)行迭代計(jì)算，最終可得根據(jù)公式可求得計(jì)算換熱面積 （3.11）設(shè)計(jì)換熱面積 裕度系數(shù)：考慮到計(jì)算公式的誤差，以及蒸汽發(fā)生器檢修中經(jīng)常需要堵管（約5%），因此必須考慮傳熱面積的儲備問題，我們要要留有裕度防止小部分堵管造成危險(xiǎn)；在1.061.09間，應(yīng)此次設(shè)計(jì)傳熱管數(shù)量超過一萬，所以裕度系數(shù)應(yīng)該盡量取大一些的值，C值選取1.1； （3.12）由以上所得條件，可得到U 型管數(shù)目： 根 （3.13）其中：A為回路通流面積; a為單管通流面積;對傳熱管進(jìn)行強(qiáng)度校核利用公式公式： （3.14）其中：為傳熱管壁需用應(yīng)力； 為一回路設(shè)

37、計(jì)壓力；可求取傳熱管的管壁厚，符合設(shè)計(jì)要求3.4傳熱管的排布設(shè)計(jì) 由3.3節(jié)已經(jīng)計(jì)算出傳熱管的根數(shù)為13120根，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳熱管的排列應(yīng)該為正方形排布也就是順排，示意圖如下圖3.1 傳熱管節(jié)距圖 傳熱管的節(jié)距：管束間距離根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可選1.3或1.4；由于使用的排列方式為順拍，換熱能力較差排差，所以節(jié)距應(yīng)該選擇1.4即 具體排布問題：當(dāng)傳熱管的外直徑和管束之間的間距確定了以后，傳熱管整體的截面積就已經(jīng)確定了，要做的是將這些傳熱管有規(guī)律的排列起來，而當(dāng)面積確定了以后，就希望排列的形狀是周長最小的形狀，因?yàn)橹挥挟?dāng)周長最小是，蒸汽發(fā)生器的筒壁的面積才能最小，從而是蒸汽發(fā)生器的體積盡量縮小，所以

38、最終確定傳熱管排列后的截面為圓形，管板的形狀也為圓形，也就是說要盡量將傳熱管排滿整個管板，才能使蒸汽發(fā)生器縮小使用的體積，節(jié)約空間節(jié)約材料排數(shù)根數(shù)排數(shù)根數(shù)排數(shù)根數(shù)排數(shù)根數(shù)排數(shù)根數(shù)1170191683715855140731082170201683815856138741043170211663915857138751024170221664015658136761005170231664115659134779661702416642154601327894717025166431546113279908170261664415262130808891702716445152631288184

39、101702816446150641268280111682916447150651248376121683016448148661228473131683116249148671208568141683216250146681188664151683316251146691168758161683416052144701148852171683516053142711128946181683616054142721109036 表3.2 傳熱管排列圖3.2 傳熱管排布圖圖中每一個小方格代表一個傳熱管，所有傳熱管的直管段高度都是一樣的，同一橫排的彎管長度也相等，不同排的越靠近中心彎管長度越短根

40、據(jù)管束的排布情況，可得彎管總長 （3.15）其中：為當(dāng)前排管子的根數(shù)； 為排數(shù)；直管總長 （3.16）則有： （3.17）總管束高 （3.18）根據(jù)管板的強(qiáng)度計(jì)算公式，可得到管板壁厚 （3.19）其中：為系數(shù)，查TEMA得； 為水壓部分直徑； 為管板許用應(yīng)力. s （3.20）傳熱管實(shí)際平均長度 （3.21）設(shè)定下降空間高度襯筒內(nèi)徑 （3.22）其中： 為裝配間隙襯筒外徑 （3.23）其中：為襯筒壁厚下筒體內(nèi)徑 （3.24）其中:為下降流道寬度 下降空間當(dāng)量直徑 （3.25）下降空間截面積 （3.26）選取計(jì)算傳熱管外徑20mm一回路放熱量km傳熱管內(nèi)徑18mm一回路冷卻劑流量944.44kg

41、/s傳熱管壁厚1.25mm直管段總長度m進(jìn)口接管直徑0.9m直管段高度5.17m定位拉桿數(shù)目20實(shí)際設(shè)計(jì)面積10040.8m2蒸發(fā)段高度10.75m設(shè)計(jì)面積9128m2上筒體外徑7.5m傳熱管間距28mm套筒內(nèi)經(jīng)6.218m傳熱管總根數(shù)13120根套筒外徑6.248m彎曲段總長24216m下筒體外徑6.8m管束上方區(qū)段高度4.27m下筒體內(nèi)徑6.508m傳熱管總排數(shù)90下封頭外徑7.12m傳熱管總長度m下降空間高度7.5m總高22m 表3.3 蒸汽發(fā)生器總體簡介 汽水分離裝置：為了保證核動力裝置能安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽濕度必須嚴(yán)格控制在0.25%以下?，F(xiàn)代的立式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生

42、器一般都在上筒體內(nèi)設(shè)置兩級汽水分離器。第一級設(shè)置許多立式旋葉式汽水分離器，靠離心力分離出大約80%90%的水量；第二級一般采用波形板分離器或絲網(wǎng)干燥器，依靠慣性力進(jìn)行汽水分離。兩級汽水分離器分離出的水全部通過疏水管導(dǎo)入下降環(huán)形流道與給水混合。在兩級汽水分離器之間留出一定的高度，進(jìn)行自然重力分離。同時，也常常在第一級汽水分離器前設(shè)置水下孔板、在第二級汽水分離器后設(shè)置均汽孔板，用于均勻蒸汽負(fù)荷，提高汽水分離器的效率。圖3.3 蒸汽發(fā)生器整體簡圖第四章 蒸汽發(fā)生器水力計(jì)算4.1 蒸汽發(fā)生器水動力計(jì)算 蒸汽發(fā)生器的水動力計(jì)算主要包括一回路側(cè)的流動壓降計(jì)算和二次側(cè)的水循環(huán)計(jì)算。其中一次側(cè)為單向流動，采用

43、均相流模型；二次側(cè)位汽液兩相流動，采用分相流模型。4.1.1 主管道尺寸和流體流速的確定 主管道流速一般在812m/s，選取10m/s。主管道計(jì)算內(nèi)徑 （4.1） 主管道設(shè)計(jì)內(nèi)徑： 主管道設(shè)計(jì)流速： （4.2） 蒸汽管道計(jì)算流速，一般在3040m/s，選取38m/s。蒸汽管道計(jì)算內(nèi)徑 （4.3） 蒸汽管道設(shè)計(jì)內(nèi)徑 （4.4） 蒸汽管道設(shè)計(jì)流速 （4.5）給水管計(jì)算流速，一般在25m/s,選取4m/s給水管計(jì)算內(nèi)徑 （4.6）給水管設(shè)計(jì)內(nèi)徑 （4.7）給水管設(shè)計(jì)流速 （4.8） 4.2 一回路水阻力計(jì)算一回路水阻力包括傳熱管內(nèi)的摩擦阻力和進(jìn)口水室、彎頭區(qū)、出口水室的局部阻力。4.2.1 U 型管

44、內(nèi)摩擦阻力計(jì)算一回路水雷諾數(shù) （4.9）其中：為考慮堵管后的流速 （4.10）流體處于紊流區(qū)，摩擦阻力系數(shù)可按公式 摩擦阻力： （4.11）4.2.2 一回路局部阻力計(jì)算 一回路局部阻力由7 部分組成。 設(shè)置下封頭直徑由進(jìn)口接管至進(jìn)口水室通道截面突然擴(kuò)大的局部阻力 進(jìn)口水室截面積 （4.12）進(jìn)口管截面積 （4.13）則 查表局部阻力系數(shù) 局部阻力 （4.14） 其中：為進(jìn)口接管流速同理可得其他6處局部阻力進(jìn)水口室內(nèi)轉(zhuǎn)彎處局部阻力由進(jìn)水口室至傳熱管在U 型管彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)彎180由傳熱管束至出口水室在出口水室轉(zhuǎn)彎的局部阻力由出口水室至出口接管截面積比0.000150.0880.90.520.510.

45、90.52流速9.035.255.255.255.258.4820583441044699539894012941表4.1一回路局部阻力總阻力設(shè)計(jì)阻力4.3 二回路水循環(huán)阻力計(jì)算 假定循環(huán)倍率，4.3.1 下降空間阻力 摩擦系數(shù) （4.15）其中： 為絕對粗糙度 為下降空間當(dāng)量直徑下降空間水流速下降空間阻力 （4.16）其中:x 包括入口阻力系數(shù)=1，出口阻力系數(shù)=1，定位裝置阻力系數(shù)=14.3.2 上升空間阻力摩擦阻力上升空間流道面積 （4.17）其中： 為支撐板定位拉桿數(shù)量上升空間當(dāng)量直徑 （4.18）循環(huán)速度 （4.19）出口水相折算速度 （4.20）水相平均折算速度 （4.21）出口氣相平均折算速度 （4.22）汽相平均折算速度水相雷諾數(shù)汽相雷諾數(shù)（4.23）水相和汽相雷諾數(shù)均大于1000，可判別流態(tài)為紊流紊流水相摩擦系數(shù)汽相摩擦系數(shù)按折算速度計(jì)算的水相摩擦阻力： （4.24）按折算速度計(jì)算的汽相摩擦阻力 （4.25）參量 （4.26）液相倍增因子 （4.27）汽相倍增因子 （4.28）水相摩擦阻