蒸发器设计说明书

蒸汽发生器课程设计说明书学院：核科学与技术学院姓名：邹宇飞学号：2011151127指导老师：孙中宁时间：2014年11月22日前言在压水堆核电站中，蒸汽发生器是一回路系统中的一个主要设备，具有尺寸大、重量重、设计、制造复杂、作用大的特点，再设计和制造方面被称为当代热交换器技术的最高水平。长期以来国际上压水堆核电站蒸汽发生器经常发生传热管腐蚀破损，在可靠性上存在严重问题，是核蒸汽供应系统的唯一致命弱点，保证蒸汽发生器的制造质量有助于提高其安全可靠性。由于蒸汽发生器制造相当复杂，技术密集程度高，要求制造质量符合设计说明书上的要求，因此，设计说明书在蒸汽发生器的制造过程中就尤为重要。本设计说明书是针对压水堆设计的立式U型管自然循环蒸汽发生器。作者在参考了孙中宁老师编写的《“蒸汽发生器”课程设计指导书》和《核动力设备》，在阅读了大量文献后，提出了蒸汽发生器的一种新的方案设计，并进行了论证。通过强度计算和结构设计，确定了蒸汽发生器的结构尺寸，然后分别进行了蒸汽发生器的热力计算、水动力计算，希望能获得更佳的设计方案。由于编者水平有限，实践经验不足，加之时间仓促，设计说明书中难免有疏漏和错误之处，诚恳希望读者批评指正。邹宇飞2014年11月于哈尔滨1目录第一章绪论...........................................................................................................02第二章蒸汽发生器的设计与计算...........................................................................022.1根据热平衡确定换热量................................................................................022.2管径的选取以及传热管面积确定................................................................032.3管束结构的计算............................................................................................052.4强度计算........................................................................................................062.5一回路水阻力计算........................................................................................092.6二回路水循环阻力计算................................................................................112.7运动压头计算................................................................................................172.8循环倍率的确定............................................................................................18第三章结论与评价...................................................................................................18第四章参考文献.......................................................................................................19附录1蒸汽发生器热力计算表附录2蒸汽发生器水力计算表附录3蒸汽发生器强度计算表2第一章绪论蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，核裂变产生的能量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器将热量传递给二回路工质，使其产生具有一定温度一定压力和一定干度的蒸汽。此蒸汽再进入汽轮机中做功，转换为电能或机械能。在这个能量转换过程中，蒸汽发生器既是一回路的设备，又是二回路的设备，所以被称为一、二回路的枢纽。蒸汽发生器作为一回路主设备，主要功能有：1、将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路给水，加热给水至沸腾，经过汽水分离后产生驱动汽轮机的干饱和蒸汽；2、作为一回路压力边界，承受一回路压力，并与一回路其他压力边界共同构成防止放射性裂变产物溢出的第三道安全屏障；3、在预期运行事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反应堆装置的可靠运行。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠的运行，对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。据压水堆核电厂事故统计显示，蒸汽发生器在核电厂事故中居重要地位。一些蒸汽发生器的可靠性是比较低的，它对核电厂的安全性、可靠性和经济效益有重大影响。因此，各国都把研究与改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电厂技术的重要环节，并制定了庞大的科研计划，主要包括蒸汽发生器热工水力分析；腐蚀理论与传热管材料的研制；无损探伤技术；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改水质控制等。第二章蒸汽发生器的设计与计算2.1根据热平衡确定换热量一回路工作压力0.151PMPa（给定）一回路水进口温度3101t℃（给定）一回路水出口温度2901t℃（给定）一回路水平均温度300)(2111ttta℃3一回路进口水焓21.13941ikJ/kg（15.0MPa，310℃）一回路出口水焓45.12841ikJ/kg（15.0MPa，290℃）蒸发器热效率99.0（给定）二回路工作压力0.5sPMPa（给定）二回路饱和水温度264st℃（5.0MPa）二回路饱和水焓50.1154sikJ/kg（5.0MPa）二回路给水温度220ft℃（给定）二回路给水焓38.944fikJ/kg（5.0MPa，220℃）汽化潜热73.1639rkJ/kg（5.0MPa）蒸汽干度x=0.99（给定）排放系数sC=1％（给定）二回路蒸汽产量D=126kg/s（给定）一回路放热量fsiirxDQ01.1=231000kw一回路水流量111iiQG=2125.85kg/s二回路排污量DCDsbd=1.26kg/s2.2管径的选取以及传热管面积确定传热管外径od=22mm（选定）传热管节距odt4.1=30.8mm最小U形管节圆直径tD4节=123.2mm半径2节节DR=61.6mm4弯曲减薄系数节RdoR41=1.089负公差修正系数=1.102一回路侧设计压力1125.1PP设，=1.875MPa=191.33kg/cm2传热管许用应力1=18kg/mm2=1800kg/cm2传热管壁厚RoPdPS1118.0200设，设，=1.346mm这里取传热管壁厚为1.5mm传热管内径Sddoi2=19mm单管流通面积24ida=2.84×10-4m2参考相关文献记录，U形管大约有2000根，通过排管，最终确定U形管数目n=2082根。一回路流通面积naA=0.59m2一回路水平均比容1=0.001378m3/kg（15.0MPa，300℃）一回路水流速AGu111=4.95m/s一回路水导热系数1=0.56w/(m·℃)（15.0MPa，300℃）一回路水动力粘度1=8.833×10-5kg/(m·s)（15.0MPa，300℃）一回路水普朗特数fPr=0.8616（15.0MPa，300℃）一回路水雷诺数111Reifdu=780000一回路侧放热系数4.08.011PrRe0223.0ffid=33129w/(m2·℃)传热管导热系数w=17.4w/(m2·℃)传热管壁热阻iowowdddRln2=9.27×10-5m2·℃/w污垢热阻fR=2.6×10-5m2·℃/w参考有关文献，假定二回路侧放热系数7.015.02557.0qPs=27357w/(m2·℃)5传热系数fwioRRddk2111=5257.5w/(m2·℃)大端温差sttt1max=46℃小端温差sttt1min=26℃对数平均温差)/ln(minmaxminmaxlnttttt=35℃传热面积lntkQF=1262m2热流密度FQq=183000w/m2将热流密度迭代回二回路侧放热系数公式，则7.015.02557.0qPs=27190w/(m2·℃)与原假定相近。传热裕度系数C=1.1（选定）设计传热面积FCF设=1388m22.3管束结构的计算传热管总长odFL设总=20085m排列方式为正方形节距odt4.1=0.0308m最小U形管节圆直径tD4节=0.1232m实际布管数n=2082根管束直径tbD=2.4m弯管总长ttRRmL372弯=3226m直管总长弯总直LLL=16859m6管束直段高nLH2直直=4.0m管束弯段高maxRH弯=1.15m管束总高弯直HHHtb=5.15m2.4强度计算2.4.1衬筒结构设计装配间隙t=20mm（选取）衬筒内径ttbwiDD2=2.44m衬筒壁厚=12mm（选取）衬筒外径2wiwoDD=2.464m2.4.2下筒体结构设计下降流道宽度B=88mm（选取）下筒体内径BDDwoi2,下=2.64m二回路设计压力sPP25.12设，=6.25MPa=63.78kg/cm2下筒体许用应力2=18kg/mm2（给定）计算壁厚2222.1200设，，下设，PDPSi=47.79mm设计壁厚S=70mm筒体外径SDDio2,，下下=2.78m与管板连接壁厚IS=80mm2.4.3上筒体结构设计二回路设计压力sPP25.12设，=6.25MPa=63.78kg/cm27许用应力3=18kg/mm2（给定）上筒体内径上,iD=3200mm（给定）计算壁厚23,22.1200设，上设，PDPSi=57.92mm设计壁厚S=60mm上筒体外径SDDio2,上，上=3320mm2.4.4球形下封头结构设计设计压力1设，P=191.33kg/cm2许用应力4=14.518kg/mm2（给定）球形封头外径，下ooDD=2780mm计算壁厚1416.1400设，设，PDPSo=87.10mm设计壁厚S=90mm球形封头内径SDDoi2=2600mm2.4.5管板结构设计设计压力1设，P=191.33kg/cm2许用应力5=1800kg/mm2（给定）承压部分直径IoSDD2，下=2620mm筒体根部壁厚与管板承压部分直径比DS=0.0305系数F=1.04（查TEMA标准）计算壁厚515.0设，PFDS=444.18mm设计壁厚S=450mm8堆焊层厚度S=10mm（选取）传热管实际平均长度SnLl2总=11.45m最长管子长SHRl22maxmax直=12.67m最短管子长SHRl22minmin直=9.09m2.4.6主要管道内径冷却剂平均比容1=0.001378m3/kg（15.0MPa，300℃）主管道计算流速10u=10m/s（选取：8~12m/s）主管道计算内