核動(dòng)力裝置循環(huán)熱力分析A核動(dòng)力裝置

船舶核動(dòng)力裝置

MarineNuclearPowerPlantsMNPP-C06-L1402-Feb-232

6核動(dòng)力裝置循環(huán)熱力分析6.1核動(dòng)力裝置基本熱力循環(huán)6.2熱力循環(huán)分析6.3核動(dòng)力裝置平衡計(jì)算6.4分析方法6.5核動(dòng)力裝置的分析6.6核動(dòng)力裝置熱力線圖分析02-Feb-2336.1核動(dòng)力裝置基本熱力循環(huán)研究目的從熱力學(xué)的角度研究核動(dòng)力裝置能量應(yīng)用的過(guò)程，找出能量損失原因，指出提高核動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性的途徑。依據(jù)工程熱力學(xué)第一、第二定律，核動(dòng)力裝置中各系統(tǒng)和設(shè)備之間能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)臋C(jī)理以及各系統(tǒng)和設(shè)備之間的熱力學(xué)聯(lián)系分析方法熱平衡分析法、分析法02-Feb-234

朗肯（Rankine）循環(huán)及裝置效率1理想朗肯循環(huán)2實(shí)際朗肯循環(huán)3核動(dòng)力循環(huán)熱效率02-Feb-235

1理想的朗肯循環(huán)過(guò)程1-2：定溫吸熱過(guò)程過(guò)程2-3：絕熱膨脹過(guò)程過(guò)程3-4：定溫放熱過(guò)程過(guò)程4-1：絕熱壓縮過(guò)程由熱力學(xué)第二定律可知，在相同界限的溫度之間，卡諾循環(huán)的熱效率最高。圖6-1飽和蒸汽的卡諾循環(huán)02-Feb-236

飽和蒸汽卡諾循環(huán)實(shí)現(xiàn)的困難受熱力系統(tǒng)的限制，吸熱溫度T1不可能很高；飽和蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹作功時(shí)，隨著蒸汽壓力降低，濕度相應(yīng)增大，如果汽輪機(jī)排汽點(diǎn)溫度很低，則相應(yīng)的蒸汽濕度很大，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性；受循環(huán)冷卻水溫度的限制，定溫放熱過(guò)程的溫度T2不可能太低。即使實(shí)現(xiàn)了以飽和蒸汽為工質(zhì)的卡諾循環(huán)，由于熱源與冷源之間的溫差T1－T2不大，其理論熱效率也不高；對(duì)濕度很大的低溫低壓的乏汽進(jìn)行絕熱壓縮時(shí)，因其比容甚大，勢(shì)必耗功過(guò)大。02-Feb-237

圖6-2飽和蒸汽的朗肯循環(huán)過(guò)程1-2-3：定壓吸熱過(guò)程 過(guò)程3-4：絕熱膨脹過(guò)程過(guò)程4-5：定壓放熱過(guò)程 過(guò)程5-1：絕熱壓縮過(guò)程02-Feb-238

朗肯循環(huán)與蒸汽卡諾循環(huán)的區(qū)別乏汽的凝結(jié)是完全的，完全凝結(jié)使循環(huán)中多了一段不飽和水的加熱過(guò)程4-5，減小了循環(huán)的平均溫差，使熱效率降低，但壓縮水較壓縮汽水混合物方便得多，因而有利于簡(jiǎn)化設(shè)備；水的加熱不在定溫下進(jìn)行，如果采用過(guò)熱蒸汽，在過(guò)熱區(qū)加熱也不是定溫條件，因此，朗肯循環(huán)的熱效率低于相同溫限間工作的卡諾循環(huán)。朗肯循環(huán)是各種復(fù)雜的蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán)。02-Feb-239

朗肯循環(huán)效率圖6-3理想朗肯循環(huán)02-Feb-2310

2實(shí)際的朗肯循環(huán)實(shí)際裝置中各個(gè)過(guò)程是不可逆的工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程存在能量損失，如蒸汽從蒸汽發(fā)生器出口送至主汽輪機(jī)入口，有摩擦和散熱蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的膨脹過(guò)程存在能量損失，實(shí)際過(guò)程為3-4a圖6-4實(shí)際朗肯循環(huán)02-Feb-2311

（1）汽輪機(jī)內(nèi)部膨脹過(guò)程的能量損失蒸汽在汽輪機(jī)通流部分流動(dòng)、膨脹，存在著摩擦、泄漏、余速等各種損失使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部的焓降減小02-Feb-2312

汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率用汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率表征蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部膨脹過(guò)程的能量損失02-Feb-2313

（2）管道流動(dòng)過(guò)程的能量損失[主蒸汽系統(tǒng)

]蒸汽發(fā)生器出口至汽輪機(jī)入口，由于摩擦和散熱，使蒸汽參數(shù)降低汽輪機(jī)排汽口至冷凝器入口，由于摩擦使排汽參數(shù)升高降低了蒸汽的做功能力，使輸出功率減少02-Feb-2314

管道損失系數(shù)用管道損失系數(shù)表征蒸汽在進(jìn)入汽輪機(jī)以及從汽輪機(jī)流出過(guò)程的能量損失管道損失系數(shù)的取值范圍一般為0.95~0.9802-Feb-23153核動(dòng)力裝置的效率核動(dòng)力裝置中的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程：核裂變能→熱能→機(jī)械能→電能熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是通過(guò)朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)的；熱量傳遞過(guò)程中存在著泄漏、流動(dòng)摩擦、散熱等因素，導(dǎo)致能量損失；機(jī)械能在傳遞過(guò)程中由于摩擦等原因也存在著能量損失；核動(dòng)力裝置效率用于衡量反應(yīng)堆的熱功率有多少轉(zhuǎn)換為送到推進(jìn)器上的機(jī)械能，即能量利用的有效程度02-Feb-2316

（1）熱量傳遞過(guò)程－1QRQs一回路能量利用系數(shù)02-Feb-2317

（1）熱量傳遞過(guò)程－2QsQ1二回路能量利用系數(shù)02-Feb-2318（2）熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程q1wt汽輪機(jī)的內(nèi)功率02-Feb-2319

（3）機(jī)械能傳遞過(guò)程圖6-5汽輪機(jī)功率傳遞過(guò)程02-Feb-2320核動(dòng)力裝置的效率核潛艇：0.16~0.21核動(dòng)力水面艦艇：0.20~0.26小型核電站：0.25~0.28大型核電站：0.30~0.3502-Feb-23216.2熱力循環(huán)分析6.2.1影響熱力循環(huán)效率的主要因素6.2.2再熱循環(huán)6.2.3回?zé)嵫h(huán)6.2.4核動(dòng)力裝置熱力線圖02-Feb-23226.2.1影響熱力循環(huán)效率的主要因素蒸汽初參數(shù)提高，則熱力循環(huán)的平均吸熱溫度提高，可以提高循環(huán)熱效率1蒸汽初參數(shù)的影響02-Feb-2323

提高蒸汽初參數(shù)的不利影響汽輪機(jī)出口蒸汽濕度增加。如果汽輪機(jī)排汽濕度過(guò)大，將對(duì)汽輪機(jī)最末幾級(jí)葉片產(chǎn)生沖蝕，影響汽輪機(jī)的運(yùn)行安全，同時(shí)還會(huì)降低汽輪機(jī)的內(nèi)效率。在工程中，一般要求汽輪機(jī)乏汽濕度不高于12%。蒸汽發(fā)生器運(yùn)行壓力提高，要求給水泵揚(yáng)程增加，既增大了給水泵葉輪的軸向推力，對(duì)于單位質(zhì)量流量的工質(zhì)而言，還使給水泵消耗的功率增加。對(duì)蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、蒸汽管道及閥門(mén)的強(qiáng)度、耐溫性能要求提高，設(shè)備投資增大。02-Feb-2324

圖6-7蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)工質(zhì)溫度分布02-Feb-2325

一、二回路參數(shù)的相互制約02-Feb-2326

提高蒸汽初參數(shù)的主要限制因素－1提高一次側(cè)冷卻劑溫度，在蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳熱條件不變的情況下，使二次側(cè)蒸汽參數(shù)相應(yīng)提高。堆芯燃料元件包殼廣泛采用鋯-4合金制造，與高溫水接觸會(huì)發(fā)生金屬-水化學(xué)反應(yīng)并放出反應(yīng)熱：Zr+2H2O→ZrO2+2H2↑+熱產(chǎn)生的氫和熱量將使包殼脆化，最終導(dǎo)致元件破裂或熔化。因此，在反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)中，通常將堆芯燃料元件包殼與冷卻劑相接觸的外表面最高溫度限制在350℃以下。通過(guò)提高一次側(cè)冷卻劑溫度來(lái)提高蒸汽初參數(shù)，潛力有限02-Feb-2327

提高蒸汽初參數(shù)的主要限制因素－2減小蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)的平均換熱溫差Δtm，在一次側(cè)冷卻劑參數(shù)不變的情況下，提高二次側(cè)蒸汽參數(shù)?？梢圆捎脧?qiáng)化換熱措施，在蒸汽發(fā)生器有效傳熱面積F保持不變時(shí)，減小平均換熱溫差Δtm；也可以通過(guò)增大F來(lái)減小Δtm，而這都需要增加設(shè)備投資費(fèi)用。恰當(dāng)?shù)仄胶庖?、二回路參?shù)可使運(yùn)行成本最低，這里存在最佳值的選擇問(wèn)題，此時(shí)，增加循環(huán)熱效率所帶來(lái)的得益正好為所增加的投資及裝置運(yùn)行費(fèi)用所平衡。02-Feb-23282蒸汽終參數(shù)的影響蒸汽終參數(shù)降低，則熱力循環(huán)的平均放熱溫度減小，可以提高循環(huán)熱效率02-Feb-2329

降低蒸汽終參數(shù)的不利影響會(huì)增加汽輪機(jī)排汽濕度，不利于汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；過(guò)多地降低蒸汽終壓，將使蒸汽在汽輪機(jī)噴嘴出口處斜切口中膨脹，而在斜切口中的膨脹能力用盡時(shí)，蒸汽將在級(jí)外膨脹，有用焓降不再變化；凝汽器出口水溫降低，需要增大第一級(jí)給水回?zé)崞髦械募訜嵴羝?，使得通過(guò)汽輪機(jī)低壓缸最后幾級(jí)的蒸汽流量減少，汽輪機(jī)發(fā)出的功率下降。02-Feb-2330

圖6-9冷凝器傳熱過(guò)程的溫度變化02-Feb-2331

降低蒸汽終參數(shù)的主要限制因素－1核動(dòng)力裝置中循環(huán)冷卻水起到冷源的作用。汽輪機(jī)排汽在凝汽器中凝結(jié)成水，其冷凝溫度一定要大于循環(huán)冷卻水溫度，以保證有足夠大的傳熱溫差，因此，循環(huán)冷卻水的溫度是蒸汽循環(huán)中排汽溫度的理論極限；核動(dòng)力裝置的在運(yùn)行區(qū)域不同，循環(huán)冷卻水的溫度也有所不同，如我國(guó)北方地方取為18℃，而南方地區(qū)取為24℃；汽輪機(jī)的排汽壓力一般取為4.4~5.4kPa，對(duì)應(yīng)的冷凝溫度為30℃左右。02-Feb-2332

降低蒸汽終參數(shù)的主要限制因素－2循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口溫升Δtw

及凝結(jié)蒸汽與循環(huán)冷卻水出口溫度之間的端差δt構(gòu)成了排汽溫度的技術(shù)極限；若減小循環(huán)冷卻水溫升Δtw，要求增大循環(huán)冷卻水流量及相應(yīng)的循環(huán)泵功率，從而使運(yùn)行費(fèi)用增加；另一方面，Δtw

減小可以使凝汽器的傳熱面積減小，又會(huì)降低設(shè)備投資費(fèi)用；為了保證凝汽器中傳熱過(guò)程的順利進(jìn)行，要求端差δt