蒸汽發(fā)生器課程設(shè)計(jì)計(jì)算

蒸汽發(fā)生器課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)院：核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院09級(jí)目錄第一章緒論 第二章蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 根據(jù)熱平衡確定換熱量 管徑的選取以及傳熱管數(shù)目的確定 換熱面積的計(jì)算 管束結(jié)構(gòu)的計(jì)算 強(qiáng)度計(jì)算 主要管道內(nèi)徑的計(jì)算 一回路水阻力計(jì)算 二回路水循環(huán)阻力計(jì)算 運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算 循環(huán)倍率的確定 第三章結(jié)論與評價(jià) 附錄1蒸汽發(fā)生器熱力計(jì)算表附錄2蒸汽發(fā)生器水力計(jì)算表附錄3蒸汽發(fā)生器強(qiáng)度計(jì)算表緒論第一章緒論蒸汽發(fā)生器是產(chǎn)生汽輪機(jī)所需蒸汽的換熱設(shè)備。在核反應(yīng)堆中，核裂變產(chǎn)生的能量由冷卻劑帶出，通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給二回路工質(zhì)，使其產(chǎn)生具有一定溫度一定壓力和一定干度的蒸汽。此蒸汽再進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，轉(zhuǎn)換為電能或機(jī)械能。在這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程中，蒸汽發(fā)生器既是一回路的設(shè)備，又是二回路的設(shè)備，所以被稱為一、二回路的樞紐。蒸汽發(fā)生器作為一回路主設(shè)備，主要功能有：1、將一回路冷卻劑的熱量通過傳熱管傳遞給二回路給水，加熱給水至沸騰，經(jīng)過汽水分離后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的干飽和蒸汽；2、作為一回路壓力邊界，承受一回路壓力，并與一回路其他壓力邊界共同構(gòu)成防止放射性裂變產(chǎn)物溢出的第三道安全屏障；3、在預(yù)期運(yùn)行事件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況以及過度工況下保證反應(yīng)堆裝置的可靠運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠的運(yùn)行，對整個(gè)核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性有著十分重要的影響。據(jù)壓水堆核電廠事故統(tǒng)計(jì)顯示，蒸汽發(fā)生器在核電廠事故中居重要地位。一些蒸汽發(fā)生器的可靠性是比較低的，它對核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益有重大影響。因此，各國都把研究與改進(jìn)蒸汽發(fā)生器當(dāng)做完善壓水堆核電廠技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，并制定了龐大的科研計(jì)劃，主要包括蒸汽發(fā)生器熱工水力分析；腐蝕理論與傳熱管材料的研制；無損探傷技術(shù)；振動(dòng)、磨損、疲勞研究；改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少腐蝕化學(xué)物的濃縮；改進(jìn)水質(zhì)控制等。第二章蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)與計(jì)算蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)計(jì)算包括熱力計(jì)算、水動(dòng)力計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。熱力學(xué)計(jì)算主要通過傳熱學(xué)知識(shí)計(jì)算傳熱管傳熱面積，然后與管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合可以得到傳熱管長度、管束直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。強(qiáng)度計(jì)算通過壓力校驗(yàn)等用于選取蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)材料、確定結(jié)構(gòu)尺寸等。蒸汽發(fā)生器中要通過強(qiáng)度計(jì)算得出的參數(shù)有傳熱管、上下筒體、球形下封頭管板等的壁厚。在強(qiáng)度計(jì)算得出參數(shù)后要留取一定余量，以滿足變工況下出現(xiàn)超壓情況的需求。水動(dòng)力計(jì)算是最后一步，因?yàn)橹挥薪Y(jié)構(gòu)尺寸確定，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已知的情況下水力情況才得以確定。水力計(jì)算包括一回路水阻力計(jì)算、二回路水循環(huán)阻力計(jì)算、運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算等。其中一回路水阻力計(jì)算相對簡單主要包括單相水U型管管內(nèi)摩擦阻力和局部阻力兩項(xiàng)；二回路水循環(huán)阻力計(jì)算及運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算比較復(fù)雜。因?yàn)檎羝l(fā)生器內(nèi)二回路側(cè)流體的水力特性取決于流體工質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)、流道的結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，以及工質(zhì)的流動(dòng)形式。而且計(jì)算過程誤差較大，往往需要在試驗(yàn)中進(jìn)一步修正。二回路水循環(huán)阻力包括下降空間阻力、上升空間阻力、汽水分離器阻力等。而上升空間阻力又包括摩擦阻力、局部阻力、彎管區(qū)阻力、加速阻力、流量分配孔阻力五項(xiàng)。設(shè)計(jì)中常用圖解法來確定循環(huán)倍率，即先假設(shè)幾個(gè)不同的循環(huán)倍率分別計(jì)算其運(yùn)動(dòng)壓頭和總阻力，在直角坐標(biāo)系作出相應(yīng)曲線，兩根曲線交點(diǎn)即為穩(wěn)定工況的循環(huán)倍率值。循環(huán)倍率值一般取2~5為宜，其值過小會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化，腐蝕加劇等；而過大則會(huì)增大汽水分離器負(fù)荷，使蒸汽干度降低，危機(jī)汽輪機(jī)安全。計(jì)算過程中水力計(jì)算是在結(jié)構(gòu)選型和熱力計(jì)算之后進(jìn)行，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算又需要水力計(jì)算數(shù)據(jù)，因此三者往往要反復(fù)交替進(jìn)行，以使設(shè)計(jì)逐步完善。2.1根據(jù)熱平衡確定換熱量一回路進(jìn)口焓值:i'=1394.21kj/kg(15.0MPa,310°C)；1一回路出口焓值:i''=1284.45kj/kg(15.0MPa,290C)；1i二回路給水焓:f=944.38kj/kg(5.0MPa,220C)；二回路飽和水溫:t=264C(5.0MPa)；s二回路飽和水焓:i=1154.50kj/kg(5.0MPa)；s二回路飽和蒸汽焓值:i''=2793.6kj/kg(5.0MPa)；s二回路汽化潛熱:r=i''-i=2793.6-1154.2=1639.73kj/kg (5.0MPa)ss排污量：D二CD二0.01x126二1.26kg/sds干度：x=0.99:換熱量：Q=Drx+(D+Dd)(is—if)=231278.98一回路水流量：二2128.40一回路水流量：二2128.40kg{耳(i'一i”)11=0.99為蒸汽發(fā)生器的熱效率。管徑的選取以及傳熱管數(shù)目的確定選取傳熱管的外徑為：d0=22mm；節(jié)距選取為：t=1.4*d=30.8mm；0則最小節(jié)圓半徑為：Rmin=2t=61.6mm；負(fù)公差修正系數(shù)：9=1.102；彎曲減薄系數(shù)：9R4R彎曲減薄系數(shù)：9R4R1.082；min一回路側(cè)設(shè)計(jì)壓：一回路側(cè)設(shè)計(jì)壓：P=1.25P=15*1000000/9.8*10—4kg/cm2=191.3265kg/cm2設(shè),1 1傳熱管壁厚：S1傳熱管壁厚：S1=Pd設(shè)1o Q?\o"CurrentDocument"200Q]+0.8P R1 設(shè),1=1.34mm此處取此處取S=1.5mm1傳熱管內(nèi)徑：d傳熱管內(nèi)徑：d=d一2S=19mmio1單管流通面積：a=—兀d2=—兀x192=284mm2單管流通面積：4i4選取一回路側(cè)水流速度為：u=5.0m/s1一回路水平均比容：v=0.001378m3/kg（i5.0MPa,300°C，飽和水）1Gv則一回路側(cè)流通面積為：A=—^=0.5866m2u—U型管數(shù)目為：n=-=Gv—仏=^28.40*0001378/5=2069根據(jù)排管最后確定U型管數(shù)目為:aa 284n=2086換熱面積的計(jì)算一回路側(cè)水導(dǎo)熱系數(shù)：九廣0.5614W/（m-C） （15.0MPa,300C，飽和水）一回路側(cè)水普朗特?cái)?shù)：Pr=0.8616 （15.0MPa,300C，飽和水）f一回路側(cè)水動(dòng)力粘度：耳=8.833x10-5kg/m?s（15.0MPa,300C，飽和水）1一回路側(cè)雷諾數(shù)：ReJud===7.8x105卩耳V11九—回路側(cè)換熱系數(shù)：a=0.023-+Reo.8Pr0.4=33128.72— dffi傳熱管導(dǎo)熱系數(shù)：九=17.4W/（m?°C）（給定）w傳熱管壁熱阻：R=-wddlIno=9.27x10-5m2-C/W2九 dwi污垢熱阻：R=2.6x10-5m2?°C/W（按i-600選定）fAt =t'-1=310-264=46Cmax 1 s傳熱溫差：At =t''-t=290-264=26Cmin 1 sAt -At 46-26At =—max min= =35Cln "At J46lnmax ln At 26min一 (d1 1假設(shè)一個(gè)q值，進(jìn)行迭代可以求得試取k=-o—+R+R+— =5258W/'m2-K(—awfa丿i12則此時(shí)的熱負(fù)荷為：q=k-At=1.846x105W/m2lna=0.557p0.15q0.7=27357.7W/(m2-°C)2s所需傳熱面積：F=—Q=1252.80m2k-Atln傳熱裕度系數(shù)：C=l.l設(shè)計(jì)傳熱面積：F=C-F=1378.08m2設(shè)管束結(jié)構(gòu)的計(jì)算F傳熱管總長：L=設(shè)=19939m總?！猳傳熱管排列方式：按正方形排列最小U型管節(jié)圓直徑：D=4t=0.1232m節(jié)實(shí)際布管數(shù)：n=2086根管束直徑：D=2.34mtb彎管段高為：D=1.17mmmax平均直徑：D=0.5x(0.1232+1.17)=0.6466m彎管總長：L界=0.5兀D-n=4036.87m彎直管總長：L=L-L=19939-4036.87=15902.13m直總彎管束直段高：H直=Ln=3.8m管束彎段高：H=0.5D =1.17m彎 max

管束總高：Htb-H直+H彎=4.98〃強(qiáng)度計(jì)算(1)襯筒內(nèi)徑：D=D +25=2.38mwi管束t其中§t是裝配間隙，約10~20mm，取20mm。給定為12mm。=46.72mm襯筒外徑：D二D+25二2.404m給定為12mm。=46.72mmwowi(2)下筒體內(nèi)徑：D二D+2B二2.58mi,下 wo其中B為下降流道寬度，取為88mm。二回路側(cè)設(shè)計(jì)壓力：P二1.25P二63.7755kg/cm2設(shè)，2 s下筒體許用應(yīng)力：[o]=18kg/mm2P?D下筒體計(jì)算壁厚：下筒體計(jì)算壁厚：S'=設(shè)，牙-2000]—1.2P設(shè)，2設(shè)計(jì)壁厚為：S=47mm下筒體外徑為：D二D+2S二2675mmo，下 i，下(3)上筒體許用應(yīng)力：]o]=18kg/mm2上筒體內(nèi)徑：D =3200mm(給定)i,上P?D上筒體計(jì)算壁厚：S'= 設(shè)，a上=57.92mm200R]—1.2P設(shè)，2設(shè)計(jì)壁厚取為：S=58mm則上筒體外徑為：D=D+2S=3.316m。，上 i,上(4)球形下封頭許用應(yīng)力：R]=14.5kg/mm2球形封頭外徑：D=D=2675mmosP?D計(jì)算壁厚：S'= 設(shè)，o =83.82mm400R]+1.6P設(shè)，1設(shè)計(jì)壁厚取為：s=84mm⑸管板許用應(yīng)力：2]二1800kg/mm2承壓部分直徑：D=D=2581mmi計(jì)算壁厚：S'=2FdJ^，/]-437.57mm設(shè)計(jì)壁厚選取為：S=440mm堆焊層厚度：S二10mm堆（6）傳熱管實(shí)際平均長度：l=^總+2S=10.44mn總最長管子長：/=兀R+2H+2S=15.86mmax max 直最短管子長：/=兀R+2H+2S=8.89mmax min 直主要管道內(nèi)徑的計(jì)算主管道計(jì)算流速：u'=10m/s（選取，8~12m/s）10主管道計(jì)算內(nèi)d'=..丄1=0.61m"Vnu''10主管道設(shè)計(jì)內(nèi)徑：d=0.62m1i主管道設(shè)計(jì)流速：u=°G/1=9.72m/s10 nd21i新蒸汽比容：v=v”x+v'(1-x)=0.039064m3/kg2蒸汽管計(jì)算流速：u'=35m/s （選取，30~40m/s）2蒸汽管計(jì)算內(nèi)徑：d'=「：竺乙=0.4231m2i北nu'12蒸汽管設(shè)計(jì)內(nèi)徑：d=0.43%蒸汽管設(shè)計(jì)流速：u=°G2V2=33.89m/s2 兀d22i回路給水比容：v=0.001187m3/s3給水管計(jì)算流速：字4m/s (選取，2~5m/s)給水管計(jì)算內(nèi)徑：d'= G3V3=0.219m3iY兀u'1 3給水管設(shè)計(jì)內(nèi)徑：d=0.22m給水管設(shè)計(jì)流速：u=—=3.97m/s3兀d23i一回路水阻力計(jì)算(1)U型管內(nèi)摩擦阻力計(jì)算考慮堵管后流速u'=1.05u=1.05x5.00=5.25m/s11一回路側(cè)水雷諾數(shù):Re=怛=819327.34耳v11摩擦阻力系數(shù)：九=0.3164Re-0.25=0.010826平均壁溫：t=0.5(t+t)=0.5x(300+264)=282°Cas在此壁溫下的動(dòng)力粘度：“1=9.544x10-5Pa-s溫度修正系數(shù)：溫度修正系數(shù)$=(-+)0?14=0.989耳'1/.u'2摩擦阻力：AP=九——1 =54139.77Paf 2dvi1（2）局部阻力計(jì)算下封頭內(nèi)徑：D二2.507ml兀水室截面積：—8Di2=2.47m2進(jìn)口管內(nèi)徑：d=0.62m（與主管道相同）兀 兀進(jìn)口管截面積：A=一d2=x0.6202=0.302m21 41i4A突擴(kuò)阻力系數(shù)：2—(1—子^)2—0.77031Fc一回路側(cè)水入口處比容：v—0.001421ne/kg (15.0MPa,310°C)1i入口官內(nèi)流速：u————9.72m/s1i 兀d21i從入口管至水室阻力：AP—2亠—25585.25Pa1 12v1i水室轉(zhuǎn)彎45°阻力系數(shù)：22—0.9（查表,線性插值）u2水室轉(zhuǎn)彎45。阻力：AP—2亠—29892.47Pa2 22v1iA考慮堵管后截面積：A=105=0-559m2A'系數(shù)：—0.23Fc查圖得傳熱管入口阻力系數(shù)：23—0.4u'2傳熱管入口阻力：AP=232—-3878.63Pa1iU型管轉(zhuǎn)180°阻力系數(shù)：24—0.5u'2U型管轉(zhuǎn)180°阻力：AP=g-=4999.52Pa4 42v1傳熱管出口阻力系數(shù)：￡§二°53出口處水比容(15.0MPa,290°C)：v=0.001341m3/kg2u'2傳熱管出口阻力：AP=.-2-=5444.30Pa2Gv出口管內(nèi)流速：u=—乞=9.46m/s2A1水室轉(zhuǎn)彎45°阻力系數(shù)：￡=0.9(查表,線性插值)6u2水室轉(zhuǎn)彎阻力：AP=￡62^=30004.97Pa2出口管突縮阻力系數(shù)：￡7=0.46u2出口管突縮阻力：AP=￡寸=15335.88Pa2總阻力：AP=AP+￡AP=169280.78Pafii=1設(shè)計(jì)阻力：AP=1.1AP=186208.86Pa設(shè)二回路水循環(huán)阻力計(jì)算(1)下降空間阻力下降空間水比容：v=0.001286m3/kgd入口阻力系數(shù)：￡ =1in出口阻力系數(shù)：￡ =1out定位裝置阻力系數(shù)：g二1f下降空間高度：H下降空間高度：H=5.78m0襯筒外徑：Ho二5.78m下筒體內(nèi)徑：Di，襯筒外徑：Ho二5.78m下筒體內(nèi)徑：Di，下二2.58m下降空間當(dāng)量直徑：De=D-D=0.176mi,下 wo絕對粗糙度：'二0.15mm摩擦系數(shù)："4+2lgDe）-2="4+2x覽爲(wèi)=0-012兀下降空間截面積：F=二(D2—D2)=0.689m2d4'，下 wo心t? CDv126x0.001286rn. .o_. /下降空間水流速：u=—rd= x[3,4,5]=[0.71,0.94,1.18]m/sdF 0.68d下降空間阻力：AP=（九H+災(zāi)）上2匕=[700.56,1038.51,1622.68]PadDe2(2)上升空間阻力a)摩擦阻力飽和水比容：v'二0.001286m3/kg飽和蒸汽比容：v飽和蒸汽比容：v''二0.039439m3/kg飽和蒸汽密度：P飽和蒸汽密度：P''=二25.36kg/m3襯筒內(nèi)徑：D-襯筒內(nèi)徑：D-2.3808mwi傳熱管外徑：d=0.022mo支撐板定位拉桿數(shù)量：n=10上升空間流通面積：兀F=一[D2-(2n+n)d2]=2.86m2u4wi o4F上升空間當(dāng)量直徑：de= u =0.0386兀[D+(2n+n')d]wi0CDv 126x0.001286r_.「門c“rc“小/循環(huán)速度：u=—r = x[3,4,5]二[0.170,0.227,0.283]m/s0F2.81u出口水相折算速度：u'=(CR—1)Dv'=[0.1133,0.1699,0.2265]m/s02 Fu液相平均折算速度：-1u'=(u+u')=[0.1416,0.1982,0.2548m/so2002Dv''出口汽相折算速度：u”= =1.737m/s02Fu汽相平均折算速度：1u=u”=0.87m/s0202液相動(dòng)力粘度：v=0.000100003m2/sl汽相動(dòng)力粘度：v=1.803x10-5m2/sg'液相雷諾數(shù)：Re=uo_e=[42491.64,59488.29,76484.95]lovl后''de汽相雷諾數(shù)：Re=-o—=47130.34govg判別流型：都為紊流。管束直段咼：“直=3?81m液相摩阻系數(shù)：九=0.184Re-0.2=0.0220lo lo汽相摩阻系數(shù)：九=0.3164Re-0.25=0.0214go go按折算速度計(jì)算的液相摩擦阻力：（AP）=九H務(wù)：eP'=[16.95,30.54,47.41]Paflolo 2de

按折算速度計(jì)算的汽相摩擦阻力：（AP）=1九日直2：「P'=按折算速度計(jì)算的汽相摩擦阻力：（AP）=1九日直2：「P'=6.75Pafgo3go2de(AP)參量X：X= 厶=[1.5&2.13,2.65](AP)'fgo201①2:①2=1+ + =[14.02,10.62,8.69]lXX2①2:①2=1+20X+X2=[35.20,48.06,61.02]g液相摩擦阻力：(AP)=02(AP)=[237.68,324.53,412.04]Pafllflo汽相摩擦阻力：(AP)=02(AP)=[237.68,324.53,412.04]Pafggfgo摩擦阻力：AP=2[(AP)+(AP)]=[237.68'324.53'412.04]Pab）局部阻力:支撐板數(shù)目：N=6上升流道單元面積：Au兀=12一d2=568.5mm24o支撐板單元開孔面積：a=2兀(132-102)=113.1mm2面積比：0.2局部阻力系數(shù)：El二50u2p'按折算速度計(jì)算的液相局部阻力：（AP）fo=叫甘=㈡37.36'4581.22'7573.04]Pa1 u2p''按折算速度計(jì)算的汽相局部阻力：（AP）go=3叫T=955?63Pa參量X：X=:(AP/)io=[1.56,2.19,2.82]V(AP)go回路工作壓力：P二5.0MPas臨界壓力：P=c22.12MPaP參數(shù)Z=（0.19+0.92ps）-i=2.513c參數(shù)K：K=Zr+卜=2?911RK1①2：①2=1+X+壬=2254216]①2：①2=1+KX+X2=[8.00,12.17,17.12]gg液相局部阻力：（AP）二①2（AP）二[7643.30,11627.28,16359.22]Palllllo汽相局部阻力：（AP）二①2（AP）=[7643.30,11627.2&16359.22Palgglgo局部阻力：AP二[7643.30,11627.28,16359.22]Palc）彎管區(qū)阻力管束彎頭最大節(jié)圓直徑：化=2?34mm彎管區(qū)重心至圓心距離：y二0.2122d二0.4967sb計(jì)算沖刷排數(shù)：N'=七-1蘭16tt系數(shù)：x=x= =1.412do1.13系數(shù)：n二0.43+二1.24x1u'de液相雷諾數(shù)：Re=血=[33993.31,50989.96,67986.62]lovlu''de汽相雷諾數(shù)：Re=f=94260.68govg

液相摩擦阻力：入loTOC\o"1-5"\h\z二4[0.044+0.08X2]Re-0.15二[0.32&0.30&0.295]

（X—1）n lo液相摩擦阻力：入lo1汽相摩擦阻力：九=1.5715Re-0」5=0.281go goU'2O'液相阻力：（AP）=N'九 =[26.15,55.37,94.28]Pablo lo2U''20''汽相阻力：（AP）=N'九 =57.35Pa汽相阻力：bgogo2參量X：參量X：X飛許=[0.67。98丄28]bgo①2:①2=1+20+丄=[7.5,5.00,3.88]lo lo XX2①2:①2=1+20X+X2=[3.42,4.83,6.38]gg液相阻力：（AP）二①2（AP）=[196.219,276.733,365.645]Pabllblo汽相阻力：（AP）=O2（AP）=[196.219,276.733,365.645]Pabggbgo彎管區(qū)阻力：AP=][（AP）+（AP）]=[196.219,276.733,365.645]Pab2 bl bgd）加速阻力管束出口質(zhì)量含汽率：x=c—=[0.333,0.25,0.20]2CR管束出口體積含汽率：P''=[0.939,0.911,0.885]系數(shù)：C=0.833+0.051n（話）=0.913系數(shù)：管束出口截面含汽率：?=CP=[0.857,0.832,0.808]22質(zhì)量流速：G=up'=[132.07,176.095,220.119]kg/m2s02一(1—X)2 X2 □ —I- (1—X)2 X2 1加速阻力：AP2一(1—X)2 X2 □ —I- (1—X)2 X2 1加速阻力：AP—G[ 2 +匚—]—[136.72,185.61,240.11]Paa p'(1—9)p'9 p'22e）流量分配孔板阻力:e二8阻力系數(shù)：eh孔板局部阻力：AP uOP二[89.75,159.56,249.32]Pahh2上升空間阻力:AP二AP+AP+AP+AP+AP二[8303.67,12573.71,17626.34]Parflbahf）汽水分離器阻力:AP二[12600,14900,17090]Pasg）循環(huán)總阻力：AP總—AP+AP+AP—[21604.23,28512.23,36339.02]Padrs2.9運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算1）預(yù)熱段高度計(jì)算:回路給水焓：i=944380J/kg回路飽和水焓：i—1154200J/kgs液面咼