蒸汽发生器设计说明书

蒸汽发生器设计说明书学院：核科学与技术学院学号：07151115姓名：曲新鹤指导教师：孙中宁时间：2011.3.11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。~1~目录第1章绪论.....................................................................................1第2章蒸汽发生器的设计..............................................................42.1给定条件................................................................................42.2蒸汽发生器的热力计算.......................................................52.3蒸汽发生器的水动力计算.....................................................82.4运动压头计算....................................................................162.5循环倍率的选择..................................................................162.6给水装置设计....................................................................18第3章结论与评价...........................................................................19参考文献........................................................................................20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第一章绪论1.1蒸汽发生器的发展现状蒸汽发生器是核电动力设备中的一个主要部件，产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核能反应堆中，核能产生的热量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器传给二回路的给水，使其产生具有一定压力、一定温度和一定干度的蒸汽，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设备，又是二回路设备，所以被称为一、二回路的枢纽。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠地运行，对整个核动力装置的经济性和安全性具有十分重要的影响。国外压水堆核电站的运行经验表明，蒸汽发生器的性能（无论是静态性能还是动态性能）均能满足使用要求，但在可靠性方面却难以令人满意。在运行中发生蒸汽发生器传热管破损事故的装置数目，接近压水堆动力装置总数的一半。各国都把研究和改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电技术的重要环节，并制定了庞大的研究计划，主要包括蒸汽发生器的热工水利分析；腐蚀理论和传热管材料的研制；无损探伤计数；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制等。1.2蒸汽发生器的基本技术要求在核动力装置中，由于一回路为带有放射性回路，而二回路为无放射性回路，因此在研制蒸汽发生器时对结构、强度、材料抗腐蚀性、密封性等都提出了很高的要求，其中最基本的技术要求为：(1)蒸汽发生器及其部件的设计，必须供给核电站在任何运行工况下所需的蒸汽量及规定的蒸汽参数。只有满足这个要求才能保证电站在任何负荷下经济运行。(2)蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要，而且要求随着单机容量的增加，其技术经济指标得到相应改善。(3)蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。(4)蒸汽发生器个零、部件的装配必须保证在密封面上排除一回路工质漏入二回路中去的可能性。(5)必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。(6)蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽发生器在高温下可靠地运行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。(7)蒸汽发生器应设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而及时排除，并有可能彻底疏干。(8)保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选择结构方案、材料、传热管尺寸、传热系数以及冷却剂等，对取得蒸汽发生器最佳技术经济指标是非常重要的。另外，必须采取减少向外散热损失的措施。~3~第二章蒸汽发生器设计课程设计是在给定的条件下，完成蒸汽发生器的方案设计，并进行蒸汽发生器的热力计算、水动力计算、强度计算、结构设计，然后根据所涉及的方案绘制蒸汽发生器的总图。2.1给定条件蒸汽产量：D=126kg/s；蒸汽干度：x=0.99；蒸汽发生器效率：=0.99；一回路额定工作压力：1P=15.0Mpa；一回路设计压力：1P设，=1.251P；一回路冷却剂入口温度：'1t=310℃；一回路冷却剂出口温度：''1t=290℃；二回路给水温度：ft=220℃；二回路额定工作压力：sP=5Mpa;二回路设计压力：P设，2=1.25sP；传热管壁导热系数：w=17.4W/m℃;传热管壁许用应力：1[]=18kg/2mm；下筒体许用应力：2[]=18kg/2mm；上筒体许用应力：3[]=18kg/2mm；球形封头许用应力：4[]=14.5kg/2mm；管板许用应力：5[]=1800kg/2mm；传热管最小截距：t=n0d,一般取为1.35-1.450d；上筒体内径3200mm，高度4000mm；~4~下降空间：力系数=1，出口阻力系数=1，定位装置阻力系数=1，绝对粗糙度=0.15mm;流量分配孔板：单元面积=5332mm，单元开孔面积=2162mm。2.2蒸汽发生器的热力计算热力计算是以求取蒸汽发生器所需传热面积为主要目的的设计计算，就是在结构形式和一些基本热工参数给定的条件下，求取传热面积的大小。2.2.1热平衡计算由二回路蒸汽产量公式：*1.01*()sfQDrxii其中：r—汽化潜热x—干度si--二回路水饱和焓fi--二回路给水焓可求取一回路放热量52.35*10QkW。由一回路水量公式：'''111*()QGii其中：--蒸发器热效率'1i--一回路进口水焓''1i--一回路出口水焓可求取一回路水量为12127/Gkgs。2.2.2传热管及管内水流速的选取蒸汽发生器的传热面积是由大量小直径薄壁U形管组成，根据经验设计，传热管的外径通常选取为12～22mm，壁厚小于1.5mm。本设计选用的管径为20.2odmm。由传热管的强度计算公式：~5~'0***200*[]0.8*RPdSP设设其中：[]--传热管壁需用应力P设--一回路设计压力（P设=1.25*1P）可求取传热管的管壁厚'S=1.236mm，则管内径为17.7idmm，单管通流面积422.46*10am。传热管材料选择lnconel—600。蒸汽发生器的换热重要取决于一回路水的最大允许流速。目前核动力设备的容量越来越大，为了缩小筒体和减薄管板，趋向于选取高流速，但必须考虑允许的流动压降和侵蚀效率。综合考虑，选取一回路水的流速为15/ums。2.2.3传热计算蒸汽发生器的换热过程包括冷却剂对管壁的强迫对流换热，管壁和污垢热阻的导热，二回路的沸腾换热。由D-B公式可导出一回路侧强迫对流换热系数：0.80.4110.023**33496friRPd传热管导热热阻：5*ln7.58*102*oowwiddRd污垢热阻fR按照lnconel—600选取。设定传热系数26000/kwmk，则热流密度2ln*210420/qktWm（1）根据俄罗斯学者推荐的饱和沸腾计算式，可取的二回路沸腾换热系数：0.150.720.55729982pq传热系数：2111*0.000169151owfiidRRkd将k重新带入（1）式，进行迭代计算，最终可得：~6~iu=4.96m/s25889/kwmk根据公式可求得计算换热面积：2ln1128QFmkt设计换热面积：2C*1241FFm设其中：C为设计储备系数，取1.1。由以上所得条件，可得到U型管数目：11iu2395GvAnaa其中：A—一回路通流面积a--单管通流面积2.2.4管束结构设计在(2.2.3)已经求得传热管根数为2395，传热管采用正方形排布。除传热管外，另设12根拉杆，用以固定支撑板。管束排布如下：图一~7~其中黑色区域为拉杆位置。管束直径为2.277m，传热管总长：19566oFLmd设总节距4otd，根据管束的排布情况，可得弯管总长628Lm弯直管总长18937LLLm总直弯则有：3.952LHmn直直max1.13HRm弯管束总高：5.15tbHHHm直弯根据管板的强度计算公式，可得到管板壁厚：'13502PSFDmm设其中：F—系数，查TEMA标准F=1.04D—水压部分直径--管板许用应力传热管实际平均长度：'(/)28.87lLnSm总2.3蒸汽发生器水动力计算蒸汽发生器的水动力计算主要包括一回路侧的流动压降计算和二次侧的水循环计算。其中一次侧为单向流动，采用均相流模型；二次侧位汽液两相流动，采用分相流模型。2.3.1主管道尺寸和流体流速的确定主管道流速'10u一般在8～12m/s，选取10m/s。主管道计算内径''111104/0.611idGvum主管道设计内径：~8~'111.050.642iiddm主管道设计流速：201114/9.05/iiuGvdms蒸汽管道计算流速'2u，一般在30～40m/s，选取35m/s。蒸汽管道计算内径''22224/0.423idGvum蒸汽管道设计内径'221.050.444iiddm蒸汽管道设计流速221224/31.8/iuGvdms给水管计算流速'3u，一般在2～5m/s,选取3.5m/s。给水管计算内径''33334/0.234idGvum给水管设计内径'331.050.246/iiddms给水管设计流速233334/3.15/iuGvdms2.3.2一回路水阻力计算一回路水阻力包括传热管内的摩擦阻力和进口水室、弯头区、出口水室的局部阻力。2.3.2.1U型管内摩擦阻力计算一回路水雷诺数'111758870ieudRv其中：'111.05uu为考虑堵管后的流速流体处于紊流区，摩擦阻力系数可按公式：0.20.1840.01226eR摩擦阻力：'211665412feulPPadv~9~其中：0.14'11/