核動力裝置循環(huán)熱力分析A-核動力裝置

船舶核動力裝置

MarineNuclearPowerPlants核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（V2009.04.16）MNPP-C06-L1402-Sep-23《核動力裝置》2

6核動力裝置循環(huán)熱力分析6.1核動力裝置基本熱力循環(huán)6.2熱力循環(huán)分析6.3核動力裝置平衡計算6.4分析方法6.5核動力裝置的分析6.6核動力裝置熱力線圖分析02-Sep-23《核動力裝置》36.1核動力裝置基本熱力循環(huán)研究目的從熱力學(xué)的角度研究核動力裝置能量應(yīng)用的過程，找出能量損失原因，指出提高核動力裝置經(jīng)濟性的途徑。依據(jù)工程熱力學(xué)第一、第二定律，核動力裝置中各系統(tǒng)和設(shè)備之間能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)臋C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-Sep-23《核動力裝置》4

朗肯（Rankine）循環(huán)及裝置效率1理想朗肯循環(huán)2實際朗肯循環(huán)3核動力循環(huán)熱效率02-Sep-23《核動力裝置》5

1理想的朗肯循環(huán)過程1-2：定溫吸熱過程過程2-3：絕熱膨脹過程過程3-4：定溫放熱過程過程4-1：絕熱壓縮過程由熱力學(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-Sep-23《核動力裝置》6

飽和蒸汽卡諾循環(huán)實現(xiàn)的困難受熱力系統(tǒng)的限制，吸熱溫度T1不可能很高；飽和蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹作功時，隨著蒸汽壓力降低，濕度相應(yīng)增大，如果汽輪機排汽點溫度很低，則相應(yīng)的蒸汽濕度很大，嚴(yán)重影響汽輪機運行的經(jīng)濟性和安全性；受循環(huán)冷卻水溫度的限制，定溫放熱過程的溫度T2不可能太低。即使實現(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；對濕度很大的低溫低壓的乏汽進行絕熱壓縮時，因其比容甚大，勢必耗功過大。02-Sep-23《核動力裝置》7

圖6-2飽和蒸汽的朗肯循環(huán)過程1-2-3：定壓吸熱過程 過程3-4：絕熱膨脹過程過程4-5：定壓放熱過程 過程5-1：絕熱壓縮過程02-Sep-23《核動力裝置》8

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，因而有利于簡化設(shè)備；水的加熱不在定溫下進行，如果采用過熱蒸汽，在過熱區(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)雜的蒸汽動力裝置的基本循環(huán)。02-Sep-23《核動力裝置》9

朗肯循環(huán)效率圖6-3理想朗肯循環(huán)02-Sep-23《核動力裝置》10

2實際的朗肯循環(huán)實際裝置中各個過程是不可逆的工質(zhì)流動過程存在能量損失，如蒸汽從蒸汽發(fā)生器出口送至主汽輪機入口，有摩擦和散熱蒸汽在汽輪機內(nèi)的膨脹過程存在能量損失，實際過程為3-4a圖6-4實際朗肯循環(huán)02-Sep-23《核動力裝置》11

（1）汽輪機內(nèi)部膨脹過程的能量損失蒸汽在汽輪機通流部分流動、膨脹，存在著摩擦、泄漏、余速等各種損失使蒸汽在汽輪機內(nèi)部的焓降減小02-Sep-23《核動力裝置》12

汽輪機相對內(nèi)效率用汽輪機相對內(nèi)效率表征蒸汽在汽輪機內(nèi)部膨脹過程的能量損失02-Sep-23《核動力裝置》13

（2）管道流動過程的能量損失[主蒸汽系統(tǒng)

]蒸汽發(fā)生器出口至汽輪機入口，由于摩擦和散熱，使蒸汽參數(shù)降低汽輪機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-Sep-23《核動力裝置》14

管道損失系數(shù)用管道損失系數(shù)表征蒸汽在進入汽輪機以及從汽輪機流出過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-Sep-23《核動力裝置》153核動力裝置的效率核動力裝置中的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程：核裂變能→熱能→機械能→電能熱能轉(zhuǎn)換為機械能是通過朗肯循環(huán)實現(xiàn)的；熱量傳遞過程中存在著泄漏、流動摩擦、散熱等因素，導(dǎo)致能量損失；機械能在傳遞過程中由于摩擦等原因也存在著能量損失；核動力裝置效率用于衡量反應(yīng)堆的熱功率有多少轉(zhuǎn)換為送到推進器上的機械能，即能量利用的有效程度02-Sep-23《核動力裝置》16

（1）熱量傳遞過程－1QRQs一回路能量利用系數(shù)02-Sep-23《核動力裝置》17

（1）熱量傳遞過程－2QsQ1二回路能量利用系數(shù)02-Sep-23《核動力裝置》18（2）熱功轉(zhuǎn)換過程q1wt汽輪機的內(nèi)功率02-Sep-23《核動力裝置》19

（3）機械能傳遞過程圖6-5汽輪機功率傳遞過程02-Sep-23《核動力裝置》20核動力裝置的效率核潛艇：0.16~0.21核動力水面艦艇：0.20~0.26小型核電站：0.25~0.28大型核電站：0.30~0.3502-Sep-23《核動力裝置》216.2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核動力裝置熱力線圖02-Sep-23《核動力裝置》226.2.1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-Sep-23《核動力裝置》23

提高蒸汽初參數(shù)的不利影響汽輪機出口蒸汽濕度增加。如果汽輪機排汽濕度過大，將對汽輪機最末幾級葉片產(chǎn)生沖蝕，影響汽輪機的運行安全，同時還會降低汽輪機的內(nèi)效率。在工程中，一般要求汽輪機乏汽濕度不高于12%。蒸汽發(fā)生器運行壓力提高，要求給水泵揚程增加，既增大了給水泵葉輪的軸向推力，對于單位質(zhì)量流量的工質(zhì)而言，還使給水泵消耗的功率增加。對蒸汽發(fā)生器、汽輪機、蒸汽管道及閥門的強度、耐溫性能要求提高，設(shè)備投資增大。02-Sep-23《核動力裝置》24

圖6-7蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)工質(zhì)溫度分布02-Sep-23《核動力裝置》25

一、二回路參數(shù)的相互制約02-Sep-23《核動力裝置》26

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。通過提高一次側(cè)冷卻劑溫度來提高蒸汽初參數(shù)，潛力有限02-Sep-23《核動力裝置》27

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)?？梢圆捎脧娀瘬Q熱措施，在蒸汽發(fā)生器有效傳熱面積F保持不變時，減小平均換熱溫差Δtm；也可以通過增大F來減小Δtm，而這都需要增加設(shè)備投資費用。恰當(dāng)?shù)仄胶庖?、二回路參?shù)可使運行成本最低，這里存在最佳值的選擇問題，此時，增加循環(huán)熱效率所帶來的得益正好為所增加的投資及裝置運行費用所平衡。02-Sep-23《核動力裝置》282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-Sep-23《核動力裝置》29

降低蒸汽終參數(shù)的不利影響會增加汽輪機排汽濕度，不利于汽輪機安全、經(jīng)濟運行；過多地降低蒸汽終壓，將使蒸汽在汽輪機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，蒸汽將在級外膨脹，有用焓降不再變化；凝汽器出口水溫降低，需要增大第一級給水回?zé)崞髦械募訜嵴羝?，使得通過汽輪機低壓缸最后幾級的蒸汽流量減少，汽輪機發(fā)出的功率下降。02-Sep-23《核動力裝置》30

圖6-9冷凝器傳熱過程的溫度變化02-Sep-23《核動力裝置》31

降低蒸汽終參數(shù)的主要限制因素－1核動力裝置中循環(huán)冷卻水起到冷源的作用。汽輪機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；核動力裝置的在運行區(qū)域不同，循環(huán)冷卻水的溫度也有所不同，如我國北方地方取為18℃，而南方地區(qū)取為24℃；汽輪機的排汽壓力一般取為4.4~5.4kPa，對應(yīng)的冷凝溫度為30℃左右。02-Sep-23《核動力裝置》32

降低蒸汽終參數(shù)的主要限制因素－2循環(huán)冷卻水的進出口溫升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，從而使運行費用增加；另一方面，Δtw

減小可以使凝汽器的傳熱面積減小，又會降低設(shè)備投資費用；為了保證凝汽器中傳熱過程的順利進行，要求端差