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文檔簡介
1、哈爾濱工程大學(xué)本科生課程設(shè)計(三)蒸汽發(fā)生器設(shè)計說明書姓 名: 李金珂學(xué) 號: 2010151928院系名稱: 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)名稱: 核工程與核技術(shù)指導(dǎo)教師: 谷海峰2013年11月前 言在壓水堆核電機(jī)組中,蒸汽發(fā)生器作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(一回路系統(tǒng))和蒸汽與動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(二回路系統(tǒng))的樞紐,是核電機(jī)組運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。一方面,二回路系統(tǒng)中的水在蒸汽發(fā)生器中通過換熱分離得到的干燥蒸汽,是推動汽輪機(jī)組發(fā)電的直接動力,因此蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽的品質(zhì)是影響核電站功率與效率的主要因素。另一方面,蒸汽發(fā)生器也是阻隔一回路系統(tǒng)中放射性換熱介質(zhì)的重要屏障,對核電設(shè)施的安全運轉(zhuǎn)起著決定性作用。然而,蒸汽
2、發(fā)生器體積龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造要求嚴(yán)格,技術(shù)密集程度高,從設(shè)計和制造兩方面都堪稱當(dāng)代熱交換器技術(shù)的最高水平。從設(shè)計的角度來看,蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和參數(shù),必須在安全的前提下,保證提供給核電機(jī)組在任何運行工況下所需要的符合規(guī)定品質(zhì)要求的蒸汽量,并適當(dāng)?shù)馗纳聘鱾€環(huán)節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。首先,蒸汽發(fā)生器的設(shè)計選材和結(jié)構(gòu)尺寸必須以絕對安全為目標(biāo),排除任何可能加速老化、腐蝕的因素,保證一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)在運行過程中的完全隔離。另外,蒸汽發(fā)生器的容量應(yīng)最大限度地滿足功率負(fù)荷的需要,并確保產(chǎn)生蒸汽的純度。同時,蒸汽發(fā)生器的設(shè)計應(yīng)該簡單緊湊,應(yīng)以便于制造、便于安裝、便于發(fā)現(xiàn)并排除故障、便于清潔維護(hù)為著眼點,提高蒸
3、汽發(fā)生器在制造和運行過程中的經(jīng)濟(jì)性。因此,蒸汽發(fā)生器的設(shè)計對壓水堆來說是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。本次課程設(shè)計針對立式U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行一系列的設(shè)計,包括熱力設(shè)計計算、水動力設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度設(shè)計,并繪制蒸汽發(fā)生器總圖及部件圖。依據(jù)本次課程設(shè)計的目標(biāo)、設(shè)計過程及設(shè)計結(jié)果,編制此說明書以對此次課程設(shè)計進(jìn)行較為詳盡的說明。在課程設(shè)計過程中,曾得到孫中寧老師的詳細(xì)講解、得到谷海峰老師、丁銘老師的耐心指導(dǎo),在此深表感謝。由于時間緊迫以及蒸汽發(fā)生器設(shè)計的復(fù)雜性,加上本身能力所限,本設(shè)計中不足之處在所難免,希望各位讀者批評指正。李金珂2013.11目 錄目 錄.1第一章 緒 論第一節(jié) 蒸汽發(fā)生
4、器概述.2第二節(jié) 蒸汽發(fā)生器的基本設(shè)計技術(shù)要求.4第三節(jié) 蒸汽發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)和主要零部件.5第四節(jié) 設(shè)計任務(wù).6第二章 課程設(shè)計內(nèi)容第一節(jié) 給定條件.7第二節(jié) 蒸汽發(fā)生器的熱力計算.7第三節(jié) 蒸汽發(fā)生器的管束結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度計算10第四節(jié) 蒸汽發(fā)生器的水力計算13第五節(jié) 蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率及循環(huán)速度確定.21第三章 結(jié)論與評價.23參考文獻(xiàn).26附錄1 蒸汽發(fā)生器熱力計算表.27附錄2 蒸汽發(fā)生器水動力計算表.31附錄3 蒸汽發(fā)生器強(qiáng)度計算表.3942第一章 緒 論第一節(jié) 蒸汽發(fā)生器概述本次課程設(shè)計蒸汽發(fā)生器為立式U型管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。其作用是將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過冷卻劑傳遞給二次側(cè)的水并
5、使水變成蒸汽,蒸汽經(jīng)汽水分離和干燥后去驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。所以,在核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中,蒸汽發(fā)生器有著非常重要的作用,它又是一、二回路的交匯點,其功能主要為以下三點:l 要保證為核電廠提供性能參數(shù)合格的蒸汽;l 必須為核電廠提供可靠的第二道安全屏障;l 要為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供有效的自然循環(huán)冷卻能力。壓水堆核電廠從美國1957年投運的第一座商用核電站為止,已經(jīng)有五十多年的歷史。在此過程中,西方國家的蒸汽發(fā)生器也經(jīng)歷了多次改型,但不管是哪種類型的蒸汽發(fā)生器,截止目前,就其功能、主要參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)而言基本一致。區(qū)別在于:管材、格架形式、分離器結(jié)構(gòu)、是否帶預(yù)熱器等等。由于蒸汽發(fā)生器在核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中的地位,
6、以及它所處的工作環(huán)境,它對核電廠的運行業(yè)績和運行效率帶來很大的影響。由核電廠負(fù)荷因子表達(dá)式:負(fù)荷因子=總的電能生產(chǎn)(MW·h)額定電功率輸出(MW)×8760h可知,當(dāng)電廠滿功率運行時,負(fù)荷因子高低代表了實際電能的生產(chǎn)時間。保證運行時間,就是保證電能連續(xù)有效生產(chǎn)。造成電廠停用而不能連續(xù)生產(chǎn)的因素很多,除換料和例行檢查帶來的停堆外,設(shè)備大修造成的停用率占被迫停用率的50%以上。而其中,蒸汽發(fā)生器傳熱管損壞是使電站負(fù)荷因子下降的主要原因。據(jù)報道,20世紀(jì)70年代初期,運行中的蒸汽發(fā)生器,有1/3發(fā)生故障,至20世紀(jì)80年代中,美國電力研究院題為“限制PWR核電廠高利用率因素”中
7、指出,蒸汽發(fā)生器傳熱管故障導(dǎo)致功率損失有的高達(dá)電廠總功率損失的38.6%。1985年,全世界有73座核電廠蒸汽發(fā)生器管子有缺陷,堵了6837根傳熱管,占檢查管總數(shù)的43.5%。至20世紀(jì)80年代末期,全世界蒸汽發(fā)生器共堵管44897根,占全部2500000根管子的1.8%。直至20世紀(jì)90年代初,已有55臺蒸汽發(fā)生器因傳熱管嚴(yán)重破損而被迫更換,僅美國就整體更換近30臺,而更換一臺,要耗費大量時間,大大影響電廠可利用率。鑒于上述情況,世界主要的蒸汽發(fā)生器開發(fā)商,特別是美國、法國、日本和德國,在蒸汽發(fā)生器的研制開發(fā),特別是在傳熱管材料的選擇、結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)、水質(zhì)控制、泄漏監(jiān)測、維護(hù)和檢修以及蒸汽
8、品質(zhì)的提高方面都作了大量的開發(fā)工作并積累了豐富的經(jīng)驗。目前,美國的AP1000以及歐洲的EPR,都使得壓水堆核電廠達(dá)到了第三代水平,在此過程中,蒸汽發(fā)生器的設(shè)計也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)并有了許多新的創(chuàng)新點。第二節(jié) 蒸汽發(fā)生器的基本設(shè)計技術(shù)要求在核動力裝置中,由于一回路為帶有放射性的回路,而二回路為非放射性回路,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,其中最基本的技術(shù)要求包括以下幾方面。1、蒸汽發(fā)生器及其部件的設(shè)計,必須保證核電站在任何運行工況下所需要的)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核電站在不同負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)運行。2、蒸汽發(fā)生器的容量應(yīng)該最大限度地
9、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)的改善。3、蒸汽發(fā)生器的所有部件應(yīng)該絕對安全可靠。蒸汽發(fā)生器的受熱面是由大量的小直徑管子組成的,因此在一回路(帶有放射性)中就有大量的管子,使核電站運行的可靠性在很大程度上取決于蒸汽發(fā)生器的可靠性。這樣,蒸汽發(fā)生器的屏蔽問題必須解決,所有部件必須保證工作可靠。4、蒸汽發(fā)生器各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。一回路工質(zhì)不允許漏入二回路工質(zhì)中去的原因是汽輪機(jī)回路沒有生物防護(hù),任何這種漏入都將會導(dǎo)致放射性泄漏事故。5、必須排除加劇腐蝕的任何可能性,特別是一回路中的腐蝕。這主要是為了防止腐蝕產(chǎn)物對
10、一回路工質(zhì)的污染。腐蝕產(chǎn)物過多地進(jìn)入到一回路中去,一方面引起一回路工質(zhì)放射性的增加,另一方面導(dǎo)致放射性腐蝕產(chǎn)物在一回路測沉積。腐蝕產(chǎn)物在燃料元件上的沉積是極其危險的,它會使傳熱性能驟然下降。6、蒸汽發(fā)生器必須產(chǎn)生必要純度的蒸汽,以保證蒸汽過熱器在高溫下可靠地運行,并保證汽輪機(jī)也可靠而經(jīng)濟(jì)地運行。7、蒸汽發(fā)生器應(yīng)該設(shè)計得簡單緊湊,便于安裝使用,同時易于發(fā)現(xiàn)故障而即使排出,并有可能徹底疏干。8、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、傳熱尺寸、傳熱系數(shù)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,
11、必須采取見效向外散熱損失的措施。第三節(jié) 蒸汽發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)和主要零部件從反應(yīng)堆來的冷卻劑由蒸汽發(fā)生器進(jìn)口接管進(jìn)入下封頭,下封頭由水室隔板分成進(jìn)口和出口兩個水室。反應(yīng)堆冷卻劑由進(jìn)口水室進(jìn)入U型管,在流經(jīng)U型管時將熱量傳遞給二回路側(cè)介質(zhì),而后經(jīng)過出口水室和蒸汽發(fā)生器的出口接管流回反應(yīng)堆。二回路給水由上筒體處的給水接管進(jìn)入環(huán)形分配管,環(huán)形管上有一系列倒J形管,給水由倒J形管噴出,與汽水分離器的疏水混合后,經(jīng)過下降套筒和下筒體之間的環(huán)形通道向下流動,再由下降套筒和管板之間的通道進(jìn)入管束。水在通過管束上升時被加熱,部分水變成蒸汽,形成汽水混合物。汽水混合物流出管數(shù)頂部后進(jìn)入分離器進(jìn)行粗分離,然后進(jìn)入干
12、燥器進(jìn)行細(xì)分離(干燥)。干燥蒸汽經(jīng)蒸汽出口接管流向汽輪機(jī)。蒸汽發(fā)生器的主要零部件為:1、 傳熱管U型傳熱管是一、二回路之間的壓力邊界,管材一般為含Ni-Cr-Fe的Inconel-690合金,這種合金是在Inconel-600合金基礎(chǔ)上經(jīng)過一次特殊的熱處理后改進(jìn)而來的,其抗腐蝕性能有了較大的改善。本次設(shè)計采用Inconel-600合金20mm×1.3mm的傳熱管,彎曲半徑最小的幾排彎管處進(jìn)行消除應(yīng)力處理。管束采用正方形順排方式。2、 管板管板是一回路設(shè)備中最厚的實心鍛件,材料為Mn-Mo-Ni低合金鋼,要求有良好的塑韌性及淬透性。管板一次側(cè)表面堆焊鎳基合金,以保證與傳熱管有良好的焊接
13、性能。管板開孔數(shù)量巨大,對管孔及管距的尺寸公差、垂直度及光潔度等都有很高的要求。管子管板表面平齊并與管板密封焊,然后進(jìn)行全長度液壓脹管,以保證一、二回路之間的嚴(yán)密性。3、 下封頭下封頭為半球形,材料為Mn-Mo-Ni低合金鋼鍛件,內(nèi)表面堆焊奧氏體不銹鋼。下封頭開有四個大孔,2個空連接冷卻劑進(jìn)、出口接管,另兩個為人孔。下封頭中間有水室隔板,將下封頭分成進(jìn)出口兩個水室,水室隔板材料為Inconel-690合金。一次側(cè)人孔用不銹鋼(或鎳基合金)石墨纏繞式墊片密封。4、 筒體、襯筒和錐形體二次側(cè)筒體分上、下兩部分,為板焊或鍛造結(jié)構(gòu)。在管束和下筒體之間設(shè)置襯筒,襯筒材料為碳鋼。上、下筒體之間由錐形體過渡
14、,其材料均為Mn-Mo-Ni低合金鋼鍛件。5、 上封頭上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭,與蒸汽出口接管整體沖壓成形,材料為Mn-Mo-Ni低合金鋼鍛件。6、 管束支撐板和流量分配板管束直管段部分裝有6塊支撐板,管束支撐板為四葉梅花孔板,用以支撐管子以減少振動。管子與支撐板接觸處為平臺,可減少二次側(cè)水在該處濃縮,并降低阻力。流量分配孔板位于管板上部與第一塊支撐板之間,中間開有一個大孔。支撐板和流量分配板材料為405不銹鋼,板厚為20mm。7、 防振條管束U型彎曲處裝有三組扁形防振條,用以隔開管子并防止彎管的橫向振動和微振磨損,材料為405不銹鋼。8、 汽水分離裝置汽水分離裝置分兩級對汽水混合物進(jìn)行汽水分離
15、。第一級為旋葉式汽水分離器,材料為碳鋼或不銹鋼。第二級為六角形帶鉤波形板分離器。設(shè)計要求汽水混合物經(jīng)過汽水分離器、重力分離空間、波紋板分離器三重分離后,保證出口蒸汽干度達(dá)到本次設(shè)計給定的0.99。9、 給水分配環(huán)管給水分配環(huán)管位于旋葉式分離器下部,其上有若干倒J形噴管,材料為不銹鋼。10、 排污管管板上表面中央水平地裝設(shè)有兩根多孔管道供連續(xù)排污用。第四節(jié) 設(shè)計任務(wù)根據(jù)以上設(shè)計要求,對蒸汽發(fā)生器提出的設(shè)計要求如下:1、 計算傳熱面積;2、 完成傳熱管的排列,確定管束直徑及高度,確定管子的固定支撐,確定隔板的數(shù)目和結(jié)構(gòu);3、 確定襯筒、上筒體、下筒體、下封頭及管板的尺寸結(jié)構(gòu),完成強(qiáng)度設(shè)計;4、 完
16、成熱力計算,確定主要管道內(nèi)徑;5、 完成水動力計算,確定一次側(cè)總阻力、不同循環(huán)倍率下二次側(cè)循環(huán)阻力及運動壓頭;6、 用作圖法確定二次側(cè)循環(huán)倍率及循環(huán)速度;7、 繪制蒸汽發(fā)生器的總圖;8、 編寫設(shè)計說明書。第二章 設(shè)計內(nèi)容第一節(jié) 給定條件本次課程設(shè)計給定的主要參數(shù)條件為:1、 蒸汽產(chǎn)量:D=126kg/s;2、 蒸汽干度:x=0.99;3、 蒸汽發(fā)生器的熱效率:;4、 一回路側(cè)額定工作壓力:MPa;5、 一回路側(cè)設(shè)計壓力:6、 一回路側(cè)冷卻劑入口溫度;7、 一回路側(cè)冷卻劑出口溫度;8、 二回路側(cè)給水溫度:9、 二回路側(cè)額定工作壓力:MPa;10、二回路側(cè)設(shè)計壓力:11、傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù): W/m
17、12、傳熱管壁許用應(yīng)力: kg/mm2;13、下筒體許用應(yīng)力: kg/mm2;14、上筒體許用應(yīng)力: kg/mm2;15、球形下封頭許用應(yīng)力: kg/mm2;16、管板許用應(yīng)力: kg/mm2;17、傳熱管最小節(jié)距:,一般取為1.351.45;18、上筒體內(nèi)徑3200 mm,高度4000 mm。19、下降空間:(1)入口阻力系數(shù)=1;(2)出口阻力系數(shù)=1;(3)定位裝置阻力系數(shù)=1;(4)絕對粗糙度=0.15 mm。20、流量分配管板:(1)單元面積=533 mm2; (2)單元開孔面積=216 mm2。第二節(jié) 蒸汽發(fā)生器的熱力計算一、 熱平衡計算1. 一回路放熱量為:Q=Drx+D+CsD
18、is-if=231278.98 kW其中,D 為二回路蒸汽產(chǎn)量,126 kg/s;r 為二回路水汽化潛熱,查表得1639.73 kJ/kg;x 為蒸汽干度,0.99;Cs 為排放系數(shù),0.01;is 為二回路飽和水比焓,1154.50 kJ/kg;if 為二回路給水比焓,944.38 kJ/kg。2. 一回路水流量為:G1=Q(i1'-i1'')=2128.40 kg/s其中,Q為一回路放熱量;為蒸汽發(fā)生器熱效率,0.99;i1'為一回路水進(jìn)口比焓,查表得1394.21 kJ/kg;i1''為一回路水出口比焓,查表得1284.45 kJ/kg。二
19、、 傳熱計算1. 計算傳熱管內(nèi)徑傳熱管外徑選定為 do=20 mm,則直管計算壁厚為:S1''=P設(shè)1do2001+0.8P設(shè)1=1.019 mm其中,P設(shè)1為一次側(cè)設(shè)計壓力,191.13kg/m2;do為傳熱管外徑,20mm;1為傳熱管許用應(yīng)力,18kg/mm2。節(jié)距t選定為1.4do,則彎曲減薄系數(shù)為:R =1+do4Rmin=1+do8t=1.089其中,Rmin為最小節(jié)圓半徑,2t。負(fù)公差修正系數(shù)選為 =1.102,則傳熱管計算壁厚為:S1'=S1''R=1.22 mm選定傳熱管壁厚為S1=1.3 mm,則傳熱管內(nèi)徑為:di =do-2S1=17
20、.4 mm,單管流通截面積為:a=dI 24=2.3767×10-4 m2。2. 計算U型管數(shù)目一次側(cè)水流速選為 u1=6m/s,則一次側(cè)流通面積為:A0=G11u1=0.4889 m2則U型管數(shù)目為:n0=A0a=2057.14 ,取整后為2058。3. 計算傳熱面積(1) 計算傳熱管一次側(cè)放熱系數(shù)一次側(cè)水雷諾數(shù)為:Ref=u1di11=857521.55其中,u1為一次側(cè)水流速,6m/s;di為傳熱管內(nèi)徑,0.0174m;1為一次側(cè)水動力粘度,查表得8.8333×10-5kg/(m·s);1為一次側(cè)水比容,查表得0.001378259 m3/kg。則一次側(cè)水放
21、熱系數(shù)為:1=0.0231diRef0.8Prf0.4=39011.31 W/(m2)其中,1為一次側(cè)水導(dǎo)熱系數(shù),查表得0.5614 W/(m·);di為傳熱管內(nèi)徑,0.0174 m;Ref為一次側(cè)水雷諾數(shù),857521.55;Prf為一次側(cè)水普朗特數(shù),查表得0.8616。(2) 確定傳熱管壁熱阻Rw=do2wlndodi=8.004×10-5 m2/W 。(3) 確定污垢熱阻對于鎳基合金,Rf=0.26×10-4 m2/W。(4) 計算對數(shù)平均溫差大端溫差tmax=t1'-ts=46.06 其中,t1'為一回路水入口溫度,310;ts為二次側(cè)飽和
22、溫度,查表得263.94。小端溫差tmin=t1''-ts=26.06 其中,t1''為一回路水入口溫度,290;ts為二次側(cè)飽和溫度,查表得263.94。對數(shù)平均溫差為:tln=tmax-tminlntmaxtmin=35.11 。 (5) 計算傳熱管二次側(cè)沸騰換熱系數(shù)假設(shè)傳熱管傳熱系數(shù)k'=5911.06 W/(m2),則傳熱管熱流密度為:q=ktln=207554.31 W/m2則二次側(cè)沸騰換熱系數(shù)為:2=0.557ps0.15q0.7=29695.66 W/(m2) 。(6) 計算傳熱管傳熱系數(shù)傳熱管傳熱系數(shù)為:k=dodi11+Rw+Rf+12
23、=5911.06 W/(m2)比較k與k'的誤差:=k-k'k'×100%=0.000%比較精確。若>3%,則重復(fù)(5)(6)兩步驟對k進(jìn)行迭代直到滿足精度。(7) 計算傳熱面積計算傳熱面積為:Fa=Qktln=1114.31 m2其中,Q為一回路放熱量,231278.98 kW。(8) 設(shè)計傳熱面積設(shè)計傳熱面積為:F設(shè)=CFa=1225.74 m2其中,C為傳熱裕度系數(shù),1.1。第三節(jié) 蒸汽發(fā)生器的管束結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度計算一、 管束結(jié)構(gòu)設(shè)計及蒸汽發(fā)生器強(qiáng)度計算一、 管束結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 確定傳熱管排列方式為正方形排列。2. 估算管束直徑:Dtb=1.07t1
24、.12n0-1=2.125 m其中,n0為計算U型管數(shù)目取整值,2058;t為節(jié)距,0.028 m。3. 確定排管方案,實際布管數(shù)為 n=2080 根。4. 傳熱管總長為:L總=F設(shè)do=19518.09 m彎管總長為:L彎=4nDtb+D節(jié)=3653.30 m其中,D節(jié)為最小節(jié)圓直徑,4t。直管總長為:L直=L總-L彎=15864.79 m5. 管束直段高為:H直=L直2n=3.814 m管束彎段高為:H彎=Dtb2=1.063 m管束總高為:Htb=H直+H彎=4.88 m。二、 蒸汽發(fā)生器強(qiáng)度計算1. 襯筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計襯筒內(nèi)徑為:Dwi=Dtb+2t=2155.45 mm其中,t為裝配間隙
25、,取為15mm 。襯筒外徑為:Dwo=Dwi+2=2179.45 mm其中,為襯筒壁厚,取為12mm 。2. 下筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計下筒體內(nèi)徑為:Di下=Dwo+2B=2355.45 mm其中,B為下降流道寬度,取為88mm。計算壁厚為:S2'=P設(shè)2Di下2002-1.2P設(shè)2=42.59 mm其中,P設(shè)2為二次側(cè)設(shè)計壓力,63.71kg/m2 ;2為下筒體許用應(yīng)力,18kg/mm2 。下筒體設(shè)計壁厚取為:S2=43 mm,則下筒體外徑為:Do下=Di下+2S2=2441.45 mm。與管板焊接壁厚為SI=86 mm。3. 上筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算壁厚為:S3'=P設(shè)2Di上2003-
26、1.2P設(shè)2=57.86 mm其中,P設(shè)2為二次側(cè)設(shè)計壓力,63.71kg/m2 ;Di上為上筒體內(nèi)徑,3200mm;3為上筒體許用應(yīng)力,18kg/mm2 。則上筒體設(shè)計壁厚取為S3=58 mm。4. 球形下封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計球形下封頭外徑選定為Do=Do下=2441.45 mm。球形下封頭計算壁厚為:S4'=P設(shè)1Do4004+1.6P設(shè)1=76.43 mm其中,4為球形下封頭許用應(yīng)力,14.5 kg/mm2。則球形下封頭設(shè)計壁厚取為 S4=80 mm ,球形下封頭內(nèi)徑為 Di=Do-2S4=2281.45 mm。5. 管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計管板承壓部分直徑選定為DB=Di=2281.45 mm
27、。筒體根部壁厚與直徑比為SIDB=0.0377。則管板計算壁厚為:S5'=12FDBP設(shè)15=386.58 mm其中,F(xiàn)為系數(shù),根據(jù)SIDB的值,查TEMA標(biāo)準(zhǔn)F=1.103;5為管板許用應(yīng)力,1800kg/mm2。管板設(shè)計壁厚取為 S5=390 mm ,堆焊層厚度取為S6=8 mm。三、 主要管道內(nèi)徑的設(shè)計1. 主管道內(nèi)徑設(shè)計主管道計算流速選定為 u10'=10 m/s ,則主管道計算內(nèi)徑為:d1i'=4G11u10'=0.6113 m其中,G1為一次側(cè)水流量,2128.40kg/s;1為一次側(cè)水比容,0.001378 m3/kg。主管道設(shè)計內(nèi)徑選定為d1i=
28、0.62 m,則主管道設(shè)計流速為:u10=4G11d1i2=9.72 m/s 。2. 蒸汽管道內(nèi)徑設(shè)計新蒸汽比容為:2=''x+'1-x=0.03214 m3/kg其中,''為二次側(cè)飽和蒸汽比容,0.03245 m3/kg ;'為二次側(cè)飽和水比容,0.001319 m3/kg 。蒸汽管計算流速選定為 u2'=35 m/s ,則蒸汽管計算內(nèi)徑為:d2i'=4G22u2'=0.3839 m其中,G2為新蒸汽質(zhì)量流速,126kg/s。蒸汽管設(shè)計內(nèi)徑選定為 d2i=0.43 m,則蒸汽管設(shè)計流速為:u2=4G22d2i2=27.9
29、0 m/s 。3. 給水管內(nèi)徑設(shè)計給水質(zhì)量流速為:G3=D+CsD=127.26 kg/s其中,D為蒸汽產(chǎn)量,126kg/s。給水管計算流速選定為 u3'=3 m/s,則給水管計算內(nèi)徑為:d3i'=4G33u3'=0.2532 m其中,3為二次側(cè)給水比容,查表得0.001187 m3/kg 。給水管設(shè)計內(nèi)徑選定為d3i=0.26 m,則給水管設(shè)計流速為:u3=4G33d3i2=2.85 m/s 。第四節(jié) 蒸汽發(fā)生器的水力計算I. 一次側(cè)水阻力計算一、 U型管內(nèi)摩擦阻力計算1. 傳熱管實際平均長度為:l=L總n+2S5+S6=10.18 m。一次側(cè)當(dāng)量直徑為di=0.01
30、74 m,則一次側(cè)水流速為:u1=4G11di2=5.93 m/s ,考慮堵管后的流速為:u1'=1.05u1=6.23 m/s 。2. 一次側(cè)雷諾數(shù)為:Re=u1'di11=890501其中,1為一次側(cè)水動力粘度,查表得8.833×10-5kg/(m·s);1為一次側(cè)水比容,查表得0.001378259 m3/kg。摩擦阻力系數(shù)為:=0.3164Re-0.25=0.010303. 溫度修正系數(shù)為:=(11')0.14=0.9892 , 其中,1為一次側(cè)水平均溫度下的動力粘度,查表得8.833×10-5kg/(m·s);1'
31、;為一次側(cè)水平均壁溫下動力粘度,查表得9.545×10-5kg/(m·s)。4. 一次側(cè)摩擦阻力為:Pf1=ldiu1'221=85791.17 Pa 。二、 局部阻力計算1. 由進(jìn)口管至進(jìn)口水室的突擴(kuò)阻力水室截面積為:Fc=Di28=2.043 m2,其中Di為下封頭內(nèi)徑,2.281m。進(jìn)口管截面積為:A1=d1i24=0.3018 m2,其中d1i為進(jìn)口管內(nèi)徑,0.62m。面積比為:Z1=A1Fc=0.1477。突擴(kuò)阻力系數(shù)為:1=(1-Z1)2=0.7264。由進(jìn)口管至進(jìn)口水室的突擴(kuò)阻力為:P1=1u1i21i2=24151.30 Pa其中,u1i為進(jìn)口管水流
32、速,u1i=u10=9.72 m/s;1i為進(jìn)口處水密度,查表得703.61kg/m3 。2. 在進(jìn)口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的局部阻力水室轉(zhuǎn)彎45°阻力系數(shù)2選定為0.9,則在進(jìn)口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的阻力為:P2=2u1i21i2=29922.80 Pa 。3. 由進(jìn)口水室至傳熱管束的突縮阻力傳熱管入口阻力系數(shù)3選定為0.5,則由進(jìn)口水室至傳熱管束的突縮阻力為:P3=3u1'21i2=6828.91 Pa 其中,u1'為傳熱管內(nèi)考慮堵管后的水流速,6.23m/s。4. 在U型管彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)彎180°的局部阻力U型管轉(zhuǎn)180°阻力系數(shù)4選定為0.5,則在U型管彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)彎18
33、0°的局部阻力為:P4=4u1'212=7041.92 Pa 其中,1為傳熱管一次側(cè)水平均溫度下的密度,查表得725.53kg/m3 。5. 由傳熱管束至出口水室的突擴(kuò)阻力傳熱管出口阻力系數(shù)5選定為1,則由傳熱管束至出口水室的突擴(kuò)阻力為:P5=5u1'222=14468.67 Pa 其中,2為傳熱管出口處水密度,查表得745.38 kg/m3 。6. 在出口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的局部阻力出口管內(nèi)流速為:u2=G1(2A1)=9.46 m/s。水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)6選定為0.9,則在出口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的局部阻力為:P6=6u2222=30035.42 Pa 。7. 由出口水室至出口接管
34、的突縮阻力出口管突縮阻力系數(shù)7由比值Z1=A1Fc=0.1477查表得0.44。由出口水室至出口接管的突縮阻力為:P7=7u2222=14683.98 Pa 。三、 總阻力總計算阻力為:P=Pf+i=17Pi=212924.17 Pa 。設(shè)計阻力為:P設(shè)=1.1P=234216.59 Pa 。II. 二次側(cè)水循環(huán)阻力計算一、 下降空間阻力下降空間高度選定為H0=6.176 m。下降空間當(dāng)量直徑為:De=Di下-Dwo=0.176 m。摩擦系數(shù)為:d=1(1.74+2lgDe2)=0.01889 其中,為下降空間絕對粗糙度,0.00015m 。下降空間截面積為:Fd=(Di下2-Dwo2)4=0
35、.6265 m2,其中,Di下為下筒體內(nèi)徑,Dwo為襯筒外徑。下降空間水流速為:ud=CRDdFd=0.7959,1.061,1.327m/s。其中,CR為循環(huán)倍率,分別取為3、4、5(數(shù)組形式表示為3,4,5,下同);D為新蒸汽產(chǎn)量,126kg/s;d為下降空間水比容,近似取為飽和比容,查表得0.001319m3/kg。局部阻力系數(shù)和為:=in+out+f=3其中,in為入口阻力系數(shù),1;out為出口阻力系數(shù),1;f為定位裝置阻力系數(shù),1。則下降空間阻力為: Pd=dH0De+ud2d2=879.42,1563.41,2442.83 Pa 。其中,d為下降空間水密度,近似取飽和密度,查表得7
36、57.99kg/m3 。二、 上升空間阻力1. 摩擦阻力(1) 折算速度的計算支撐板定位拉桿數(shù)量選定為n'=20根。上升空間流通面積為:Fu=Dwi2-(2n+n')do24=2.3346 m2,其中,Dwi為下筒體內(nèi)徑,n為實際U型管數(shù),do為傳熱管外徑。上升空間當(dāng)量直徑為:de=4FuDwi+(2n+n')do=0.03468 m循環(huán)速度為:uo=CRD'Fu=0.2136,0.2848,0.3560 m/s ,其中,'為二次側(cè)飽和水比容,查表得0.001319m3/kg。出口水相折算速度為:uo2'=CR-1D'Fu=0.1424,
37、0.2136,0.2848 m/s。水相平均折算速度為:uo'=12uo+uo2'=0.1780,0.2492,0.3204m/s。出口汽相折算速度為:uo2''=D''/Fu=1.7513 m/s ,其中,''為二次側(cè)飽和蒸汽比容,查表得0.03245 m3/kg。汽相平均折算速度為:uo''=12uo2''=0.8757 m/s。(2) 分相摩阻系數(shù)的計算水相雷諾數(shù)為:Relo1=uo'del=47986,67181,86376,其中l(wèi)為水相運動粘度,查表得1.2865×10-
38、7m2/s。汽相雷諾數(shù)為:Rego1=uo''deg=85385,其中g(shù)為汽相運動粘度,查表得7.1130×10-7m2/s。水相摩阻系數(shù)為:lo1=0.3164Relo1-0.25=0.02138,0.01965,0.01846。汽相摩阻系數(shù)為:go1=0.3164Rego1-0.25=0.01851。(3) 分相摩擦阻力的計算按折算速度計算的水相摩擦阻力為:(Pf)lo=lo1Hsdeuo'22'=28.23,50.87,78.97 Pa其中,Hs為管束直管段高,3.814m。按折算速度計算的汽相摩擦阻力為:(Pf)go=13go1Hsdeuo
39、39;'22''=8.02 Pa 。參量X1為:X1=(Pf)lo(Pf)go=1.8766,2.5191,3.1387。由于是t-t工況,系數(shù)c1=20,則:分水相折算系數(shù)l12=1+c1X1+1X12=11.94,9.10,7.47。分汽相折算系數(shù)g12=1+c1X1+X12=42.05,57.73,73.62。水相摩擦阻力為:(Pf)l=l12Pflo=337.13,462.77,590.20Pa。汽相摩擦阻力為:(Pf)g=g12Pfgo=337.13,462.77,590.20Pa。(4) 上升空間摩擦阻力的計算上升空間摩擦阻力為:Pf=(Pf)l+(Pf)g
40、2=337.13,462.77,590.20。2. 局部阻力(1) 支撐板開孔設(shè)計上升流道單元面積為:Au=Fu(2n+n')=558.51 mm2。支撐板數(shù)目選定為N=6個,支撐板開孔設(shè)計為四葉梅花孔。支撐板單元開孔面積設(shè)計為:au=150.72 mm2。面積比為:Z2=auAu=0.27。則查圖可知,局部阻力系數(shù)為:l=26。(2) 分相局部阻力計算按折算速度計算的水相局部阻力為:(Pl)lo=Nluo'22'=1873.45,3671.97,6069.99 Pa。按折算速度計算的汽相局部阻力為:(Pl)go=13Nluo''22''
41、=614.39 Pa 。參量X2為:X2=(Pl)lo(Pl)go=1.7462,2.4447,3.1432。參數(shù)ZR為:ZR=(0.19+0.92pspc)-1=2.5525。參數(shù)K為:K=ZR+ZR-1=2.9443。分水相折算系數(shù)為:l22=1+KX2+1X22=3.01,2.37,2.04 。分汽相折算系數(shù)為:g22=1+KX2+X22=9.19,14.17,20.13 。水相局部阻力為:(Pl)l=l22Pllo=5646.64,8708.68,12370.22 Pa 。汽相局部阻力為:(Pl)g=g22Plgo=5646.64,8708.68,12370.22 Pa 。(3) 上升
42、空間局部阻力的計算上升空間局部阻力為:Pl=(Pl)l+(Pl)g2=5646.64,8708.68,12370.22 Pa 。3. 彎管區(qū)阻力(1) 分相摩擦阻力系數(shù)計算管束彎頭最大節(jié)圓直徑為:db=Dtb-do=2.105 m。彎管區(qū)重心至圓心距離:ys=0.2212db=0.447 m。計算沖刷排數(shù)N0'=yst-1=14.96,取整為N'=15。水相雷諾數(shù)為:Relo2=uo2'del=38389,57584,76778。汽相雷諾數(shù)為:Rego2=uo2''deg=85385。水相摩擦阻力系數(shù)為:lo2=40.044+0.008x2(x1-1)m
43、Relo2-0.15=0.32,0.30,0.29其中,系數(shù)x1=x2=tdo=1.4 ;系數(shù)m=0.43+1.13x1=1.2371。汽相摩擦阻力系數(shù)為:go2=40.044+0.008x2(x1-1)mRego2-0.15=0.29 。(2) 分相阻力計算折算水相阻力為:(Pb)lo=N'lo2uo2'22'=37.11,78.56,133.77 Pa 。折算汽相阻力為:(Pb)go=13N'go2uo2''22''=67.46 Pa 。參量X3為:X3=(Pb)lo(Pb)go=0.7416,1.0791,1.4082。由于
44、是t-t工況,系數(shù)c2=20,則:分水相折算系數(shù)l32=1+c2X3+1X32=29.79,20.39,15.71。分汽相折算系數(shù)g32=1+c1X3+X32=16.38,23.75,31.15。水相摩擦阻力為:(Pb)l=l32Pblo=1105.24,1602.07,2101.19 Pa。汽相摩擦阻力為:(Pb)g=g32Pbgo=1105.24,1602.07,2101.19 Pa。(3) 彎管區(qū)阻力計算彎管區(qū)阻力為:Pb=(Pb)l+(Pb)g2=1105.24,1602.07,2101.19 Pa。4. 加速阻力管束出口質(zhì)量含汽率為:xc=1CR=0.3333,0.25,0.2。管束
45、出口體積含汽率為:c=xc''xc''+(1-xc)'=0.9248,0.8913,0.8601。管束出口截面含汽率為:c=Ccc=0.8448,0.8142,0.7857,其中系數(shù)Cc=0.833+0.05lnps=0.9135,ps單位為MPa。質(zhì)量流速為:G=uo'=161.92,215.89,269.86 kg/(m2s) 。加速阻力為:Pa=G21-xc2'1-c+xc2''c-'=176.33,240.73,311.15 Pa 。5. 流量分配孔阻力單元開孔面積與單元面積比值為:Z3=au'Au
46、'=0.4053,其中Au'為孔板單元面積,533mm2;au'為單元開孔面積,216 mm2。查表得阻力系數(shù)h為:h=8??装寰植孔枇椋篜h=huo22'=138.35 Pa 。6. 上升空間阻力上升空間阻力為:Pr=Pf+Pl+Pb+Pa+Ph=7403.69,11260.20,15757.06Pa。 三、 汽水分離器阻力汽水分離器阻力給定為:Ps=12600,14900,17090 Pa。四、 循環(huán)總阻力循環(huán)總阻力為:P總=Pd+Pr+Ps=20883.11,27723.60,35289.88 Pa 。III. 運動壓頭計算一、 預(yù)熱段高度計算液面高度即
47、下降空間高度,選定為H0=6.176 m。下降空間下端壓力為:plow=ps+dgH0=5045926.99 Pa。飽和水焓對壓力的變化率為:iP=(isl-is)(plow-ps)=0.06248 J/(kgPa) 其中,isl為plow壓力下的飽和水比焓,查表得1157371.79 J/kg,is為ps壓力下的飽和水比焓,查表得1154502.04 J/kg。循環(huán)水量為:G=CRD=378,504,630 kg/s 。預(yù)熱段高度為:HP=is-ifCR+iP(dgH0- Pd)2donqG+iPdg=0.5062,0.5118,0.5170 m 其中,if為給水比焓,944383.56 J
48、/kg;Pd為下降空間阻力;q為傳熱管熱負(fù)荷。二、 運動壓頭計算蒸發(fā)段高度為:Hr1=Htb-HP=4.370,4.365,4.359 m ,Htb為管束總高。管束上方區(qū)段高度為:Hr2=H0-Htb=1.3 m。蒸發(fā)段平均質(zhì)量含汽率為:x1=xc2=0.1667,0.125,0.1。蒸發(fā)段平均體積含汽率為:1=x1''x1''+(1-x1)'=0.8311,0.7785,0.7321 。蒸發(fā)段平均截面含汽率為:1=Cc=0.7591,0.7111,0.6688。管束上方區(qū)段平均截面含汽率為:2=c=0.8448,0.8142,0.7857。蒸發(fā)區(qū)段運動
49、壓頭為:Pm1='-''g1Hr1=23666.23,22139.90,20796.98 Pa。管束上方區(qū)段壓頭為:Pm2='-''g2Hr2=7834.207550.31,7286.27 Pa。 運動壓頭為:Pm=Pm1+Pm2=31500.43,29690.21,28083.25 Pa。第五節(jié) 蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率及循環(huán)速度確定將循環(huán)倍率、循環(huán)總阻力及運動壓頭列表并作圖:循環(huán)倍率CR345循環(huán)總阻力P總/Pa20883.1127723.6035289.88運動壓頭Pm/Pa31500.4329690.2128083.25可確定循環(huán)倍率約為4.3
50、,滿足核電站電站蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷運行要求。此時蒸汽發(fā)生器的循環(huán)速度為0.30m/s,滿足大于0.1m/s的要求。第三章 結(jié)論與評價一、 本次課程設(shè)計完成了蒸汽發(fā)生器的設(shè)計任務(wù):1. 設(shè)計傳熱面積為1225.74 m2,熱負(fù)荷為207554.32W/m2;2. 選用外徑為20mm×1.3mm的傳熱管,實際布管數(shù)為2080根;完成了傳熱管的排列,采用正方形順排的排管方式,管心距為28mm;確定了管束直徑為2125mm,高度為4876mm,高徑比約為2.3;確定了隔板的數(shù)目為6,,采用四葉梅花開孔結(jié)構(gòu),開孔面積約占單元流通截面面積的27%;確定了拉桿數(shù)目為20,在管束內(nèi)均布。3. 確定了蒸
51、汽發(fā)生器主要承壓部件的尺寸:襯筒尺寸為2179mm×12mm,與管束間安裝間隙為15mm,與下筒體間下降通道寬度為88mm;上筒體尺寸為3316mm×58mm;下筒體尺寸為2441mm×43mm,與管板焊接處壁厚為86mm;下封頭尺寸為2441mm×80mm;管板的尺寸為2441mm,厚度為390mm,堆焊層厚度為8mm。4. 完成了熱力計算,確定了主要管道內(nèi)徑:主管道內(nèi)徑為0.62m;蒸汽管內(nèi)徑為0.43m;給水管內(nèi)徑為0.26m。5. 完成了水動力計算,確定了一次側(cè)總阻力、不同循環(huán)倍率下二次側(cè)循環(huán)阻力及運動壓頭;6. 用作圖法確定二次側(cè)循環(huán)倍率為4.
52、3,,循環(huán)速度為0.30m/s。7. 繪制了蒸汽發(fā)生器的總圖;8. 編寫了本說明書對本次設(shè)計過程進(jìn)行說明。二、 本次課程設(shè)計的蒸汽發(fā)生器具有以下幾個特點:1. 在熱力計算、水力計算方面比較細(xì)致,這兩個計算所采用的模型是在經(jīng)過大量設(shè)計實踐基礎(chǔ)上建立的,較為可靠。2. 在傳熱管、上封頭、下封頭、上筒體、下筒體等承壓部件的設(shè)計計算中,未能進(jìn)行彎曲、剪切、拉壓、扭轉(zhuǎn)等多方面強(qiáng)度設(shè)計計算,因此本次課程設(shè)計中這些計算并不充分,只可作為參考進(jìn)行感性認(rèn)識。3. 在蒸汽發(fā)生器的內(nèi)部構(gòu)件,如流量分配孔板、支撐板、拉桿、給水環(huán)管、襯筒、汽水分離裝置等重要部件未進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計。4. 未進(jìn)行實驗或仿真研究,無法進(jìn)行蒸汽發(fā)
53、生器的靜態(tài)特性、動態(tài)特性的驗證,因此本設(shè)計是“死”的,不可信。三、 若干討論1. 關(guān)于傳熱管一次側(cè)水流速的選定傳熱管內(nèi)一次側(cè)水流速選定一般要考慮以下幾個因素:l 為了縮小筒體和減薄管板,趨向于選取高流速;l 流動壓降和侵蝕速率不允許流速過高;l 冷卻劑泵耗功等限制流速過高。因此綜合考量后,傳熱管一次側(cè)水流速選定為6m/s。在本課程設(shè)計過程中,此流速參數(shù)主要影響傳熱管一次側(cè)放熱系數(shù)、管束高徑比、一次側(cè)水雷諾數(shù)以及一次側(cè)摩擦壓降等。2. 關(guān)于傳熱管管徑的選定傳熱管管徑選定一般要考慮以下幾個因素:l 管徑越小,管壁越薄,熱阻越小,傳熱系數(shù)也越高,相同節(jié)徑比下可使蒸汽發(fā)生器的體積緊湊,質(zhì)量輕,節(jié)省材料
54、,成本低;l 管徑越小,管板孔加工制造越困難;l 管徑越小,管內(nèi)流動阻力越大;l 在冷卻劑流速不變情況下,管徑越小,管數(shù)量越多,管束越粗,使管束高徑比減小,也給管板加工帶來困難;l 在管數(shù)量和管束直徑不變情況下,管徑越小,管束越高,管束高徑比變小。因此綜合考量后,傳熱管外徑選定為20mm,內(nèi)徑經(jīng)強(qiáng)度計算后選定為17.4mm。在本課程設(shè)計中,管徑在一次側(cè)水流速確定的情況下主要影響傳熱系數(shù)、傳熱管數(shù)量、管束高徑比以及傳熱管一次側(cè)壓降等。3. 關(guān)于傳熱管內(nèi)雷諾數(shù)傳熱管內(nèi)雷諾數(shù)在水流速5 6m/s、傳熱管內(nèi)徑在1728mm范圍內(nèi),一般值在5×105到10×105之間,這意味著本課程
55、設(shè)計推薦的一次側(cè)摩阻系數(shù)公式、D-B公式都不適用。但考慮到一次側(cè)流動實際情況比計算模型復(fù)雜,并且?guī)淼挠嬎阏`差可接受,本課程設(shè)計忽略這兩處計算中雷諾數(shù)適用范圍問題。4. 關(guān)于D-B公式冷卻劑在傳熱管內(nèi)強(qiáng)迫流動放熱一般都處于紊流區(qū),對于這一換熱方式,各國熱工研究部門已做過很多研究,得出許多經(jīng)驗公式,其中D-B公式應(yīng)用最為廣泛。在查閱大量文獻(xiàn)過程中,發(fā)現(xiàn)公式的不同形式在蒸汽發(fā)生器設(shè)計實踐過程中都曾被應(yīng)用:Nuf=0.023Ref0.8Prf0.3 或Nuf=0.023Ref0.8Prf0.4 這兩個公式區(qū)別在于普朗特數(shù)的冪指數(shù)不同。經(jīng)過實際計算發(fā)現(xiàn),此處差別影響很小,不到1.5%;再加上一次側(cè)對流換熱熱阻只占總傳熱熱阻的15%左右,公式區(qū)別帶來的影響可以忽略不計。5. 關(guān)于U型管排布為了使蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省材料,U型管的排布應(yīng)盡量接近于圓形。本課程設(shè)計中,先后采用了兩種方法進(jìn)行布管:坐標(biāo)紙找整點法和軟件排管。這兩種方法都是
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