哈工程压水堆热力系统初步设计说明书终结版汇总

哈尔滨工程大学本科生课程设计（二）压水堆核电厂二回路热力系统初步设计说明书班 级：2010级学 号：姓 名：院系名称：核科学与技术学院专业名称：核工程与核技术指导老师：2013年6月目 录摘要.11. 设计内容及要求.12.热力系统原则方案确定.12.1总体要求和已知条件.12.2热力系统原则方案22.3主要热力参数选择33.热力系统热平衡计算方法.63.1热平衡计算方法.63.2热平衡计算模型.63.3热平衡计算流程.63.4计算结果及分析.124.结论12附录13 附表1 已知参数和给定参数.13 附表2 选定的主要热力参数汇总表14附表3 热平衡计算结果汇总表.18附图1 原则性热力系统图19参考文献.20摘 要二回路系统是压水堆核电厂的重要组成部分，其主要功能是将反应堆一回路系统产生并传递过来的热量转化为汽轮机转动的机械能，并带动发电机组的转动，最终产生电能。二回路系统的组成以朗肯循环为基础，由蒸汽发生器二次侧、汽轮机、冷凝器、凝水泵、给水泵、给水加热器等主要设备以及连接这些设备的汽水管道构成的热力循环，实现能量的传递和转换。反应堆内核燃料裂变产生的热量由流经堆芯的冷却剂带出，在蒸汽发生器中传递给二回路工质，二回路工质吸热后产生一定温度和压力的蒸汽，通过蒸汽系统输送到汽轮机高压做功或耗热设备的使用，汽轮机高压做功后的乏汽经汽水分离再热器再热后送入低压继续做功，低压做功后的废气排入冷凝器中，由循环冷却水冷凝成水，经低压给水加热器预热，除氧后用高压给水加热器进一步加热，后经过给水泵增压送入蒸汽发生器，开始下一次循环。1. 设计内容及要求通过课程设计应达到以下要求：(1)了解、学习核电厂热力系统规划、设计的一般途径和方案论证、优选的原则；(2)掌握核电厂原则性热力系统计算和核电厂热经济性指标计算的内容和方法；(3)提高计算机绘图、制表、数据处理的能力；(4)培养学生查阅资料、合理选择和分析数据的能力，掌握工程设计说明书撰写的 基本原则。本课程设计的主要内容包括：(1)确定二回路热力系统的形式和配置方式；(2)根据总体需求和热工约束条件确定热力系统的主要热工参数；(3)依据计算原始资料，进行原则性热力系统的热平衡计算，确定计算负荷工况 下各部分汽水流量及其参数、供热量及全厂性的热经济指标；(4)编制课程设计说明书，绘制原则性热力系统图。2热力系统原则方案确定电站原则性热力系统表明能量转换与利用的基本过程，反映了发电厂动力循环中工质的基本流程、能量转换与利用过程的完善程度。为了提高热经济性，压水堆核电厂二回路热力系统普遍采用包含再热循环、回热循环的饱和蒸汽朗肯循环，本设计的热力系统原理流程图由Auto CAD画出，详见附图1。2.1总体要求和已知条件压水堆核电厂采用立式自然循环蒸汽发生器，采用给水回热循环、蒸汽再热循环的热力循环方式，额定电功率为1000 MW。汽轮机分为高压和低压，高压、低压之间设置外置式汽水分离再热器。给水回热系统的回热级数为7级，包括四级低压给水加热器、一级除氧器和两级高压给水加热器。第1级至第4级低压给水加热器的加热蒸汽来自低压的抽汽，除氧器使用高压的排汽加热，第6级和第7级高压给水加热器的加热蒸汽来自高压的抽汽。各级加热器的疏水采用逐级回流的方式，即第7级加热器的疏水排到第6级加热器，第6级加热器的疏水排到除氧器，第4级加热器的疏水排到第3级加热器，依此类推，第1级加热器的疏水排到冷凝器热井。汽水分离再热器包括中间分离器、第一级蒸汽再热器和第二级蒸汽再热器，中间分离器的疏水排放到除氧器；第一级再热器使用高压的抽汽加热，疏水排放到第6级高压给水加热器；第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热，疏水排放到第7级高压给 水加热器。主给水泵采用汽轮机驱动，使用来自主蒸汽管道的新蒸汽，汽轮机的乏汽直接排入主汽轮发电机组的冷凝器，即给水泵汽轮机与主发电汽轮机共用冷凝器。凝水泵和循环冷却水泵均使用三相交流电机驱动，正常运行时由厂用电系统供电。2.2热力系统原则方案（1）汽轮机组压水堆核电厂汽轮机一般使用低参数的饱和蒸汽，汽轮机由一个高压、3个低压组成，高压、低压之间设置外置式汽水分离器。单位质量流量的蒸汽在高压内的绝热焓降约占整个机组绝热焓降的40%左右，最佳分压力（即高压排汽压力）约为高压进汽压力的14%。（2）蒸汽再热系统压水堆核电厂通常在主汽轮机的高、低压之间设置汽水分离-再热器，对高压排汽进行除湿和加热，使得进人低压的蒸汽达到过热状态，从而提高低压汽轮机运行的安全性和经济性。汽水分离-再热器由一级分离器、两级再热器组成，第一级再热器使用高压的抽 汽加热，第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热。中间分离器的疏水排放到除氧器，第一级、第二级再热器的疏水分别排放到不同的高压给水加热器。（3）给水回热系统给水回热系统由回热加热器、回热抽汽管道、凝给水管道、疏水管道等组成。回热加热器按照汽水介质传热方式不同分为混合式加热器和表面式加热器，其中高压、低压给水加热器普遍采用表面式换热器，除氧器为混合式加热器。高压给水加热器采用主汽轮机高压的抽汽进行加热，除氧器采用高压的排汽进行加热，低压给水加热器采用主汽轮机低压的抽汽进行加热。高压给水加热器的疏水 可采用逐级回流的方式，最终送人除氧器；低压给水加热器的疏水可以全部采用逐级回流的方式，最终送人冷凝器，也可以部分采用疏水汇流方式，将疏人送人给水管道。2.3主要热力参数选择（一）一回路冷却剂的参数选择本设计在选定一回路热力参数时参考了大亚湾900MW压水堆核电厂系统和设备中的参数。设计时压水堆核电厂主回路系统的工作压力为15.4MPa，对应的饱和温度为344.3；反应堆进、出口冷却剂温度分别为290、327.27。（二）二回路工质的参数选择二回路系统的参数包括蒸汽发生器出口蒸汽的温度与压力（蒸汽初参数）、冷凝器运行压力（蒸汽终参数）、蒸汽再热温度、给水温度和焓升分配等。（1）蒸汽初参数的选择压水堆核电厂的二回路系统一般采用饱和蒸汽，蒸汽初温与蒸汽初压为一一对应关系。根据朗肯循环的基本原理，在其它条件相同的情况下，提高蒸汽初温可以提高循环热效率。本设计在选定二回路热力参数时参考了大亚湾900MW压水堆核电厂系统和设备中的参数。设计压水堆核电厂二回路系统的工作压力为6.5MPa，对应的饱和温度为280.86。（2）蒸汽终参数的选择在热力循环及蒸汽初参数确定的情况下，降低汽轮机组排汽压力有利于提高循环热效率。但是，降低蒸汽终参数受到循环冷却水进口温度Tsw1、循环冷却水温升Tsw以及冷凝器端差T 的限制。循环冷却水进口温度Tsw1选为24，冷凝器中循环冷却水温升Tsw选为6，冷凝器传热端差T选为3,故而凝结水的温度Tcd为33。忽略凝结水的过冷度，则冷凝器的运行压力等于凝结水温度对应的饱和压力，即Pcd等于5KPa。（3）蒸汽中间再热参数的选择高压缸的排汽进人汽水分离器，经过分离器除湿后，再依次进人第一级再热器和第 二级再热器加热，在汽水分离器再热器中的总压降为高压缸排汽压力的3%。蒸汽再热器使用高压缸抽汽和蒸汽发生器新蒸汽加热，汽水分离再热器出口的热再热蒸汽（过热蒸汽）要比用于加热的新蒸汽温度要低14，即266.86，并假设再热蒸汽在第一级再热器和第二级再热器中的焓升相同。（4）给水回热参数的选择a.给水的焓升分配多级回热分配采用了汽轮机设计时普遍使用的平均分配法，即每一级给水加热器内给水的焓升相等。采用平均分配法时，每一级加热器的理论给水焓升为式中，蒸汽发生器运行压力对应的饱和水比焓，KJ/Kg 冷凝器出口凝结水比焓，KJ/Kg Z给水回热级数则蒸汽发生器的最佳给水比焓为按照蒸汽发生器进口给水压力和最佳给水比焓查水和水蒸汽表，可以确定最佳给水温度。最佳给水温度可使回热循环汽轮机绝对内效率达到最大值，但是实际给水温度往往低于理论上的最佳给水温度，取=0.85 。根据给水压力和实际给水温度查水和水蒸汽表，可以确定实际给 水比焓，以此为依据，再次通过等焓升分配的方法确定每一级加热器内给水的实际焓升，即当除氧器的工作压力选定以后，其对应的饱和水比焓即为除氧器出口水比焓，再分别对高压给水加热器和低压给水加热器进行第二次焓升分配。对于高压给水加热器，每一级的给水焓升为式中，除氧器出口饱和水焓，kJ/kg;高压给水加热器的级数。对于低压给水加热器（包括除氧器），每一级的给水焓升为式中，低压给水加热器的级数。b.给水回热系统的中的压力选择除氧器使用高压缸的排汽加热，还接收来自第6级高压给水加热器的疏水，因而除氧器的运行压力应该略低于高压缸的排汽压力，取等于0.713MPa，且除氧器出口水温等于除氧器运行压力对应的饱和温度。凝水泵将冷凝器热井中的凝结水抽出，经过四级低压给水加热器输送到除氧器中，因而凝水泵的出口压力应该为式中，除氧器运行压力，MPa;凝水泵出口至除氧器的阻力压降，MPa。取凝水泵出口压力为除氧器运行压力的3倍。给水泵将除氧器中的除氧水抽出，经过两级高压给水加热器输送到蒸汽发生器中，因而给水泵的出口压力应该式中，蒸汽发生器进口给水压力，MPa;给水泵出口至蒸汽发生器进口的阻力压降，MPa。取给水泵出口压力为蒸汽发生器进口给水压力的1.2倍。c.抽汽参数的选择高压、低压给水加热器均为表面式加热器，加热蒸汽分别来自主汽轮机高压缸、低压缸的抽汽。给水加热器蒸汽侧出口疏水温度（饱和温度）与给水侧出口温度之差称为上端差（出口端差），蒸汽侧蒸汽温度与给水侧进口温度之差称为下端差（进口端差）。对于每一级给水加热器，根据给水温度、上端差即可确定加热用的疏水温度。由于抽汽一般是饱和蒸汽，由疏水温度求出疏水压力，再考虑回热抽气压损4%就可以确定抽气压力。3.热力系统平衡计算3.1热平衡计算方法利用附表二给定的个参数进行热平衡计算。设蒸汽发生器的蒸汽产量为1，低压缸进口的蒸汽份额为a，冷凝器凝水份额为b，高压缸排汽流入除氧器的份额为c，流经给水泵、高压给水加热器的给水量也为1.0105。3.1.1汽动给水泵耗汽份额gs,f w p汽动给水泵做功使给水压力增加，新蒸汽进口焓h f h=2774.98kJ/kg,理想出口焓值h气动泵出口*=2422.61 k J/kg，给水量为1，扬程H=7.087MPa，给水密度=901.8112kg/m3,给水泵效率f w p，p=0.58，给水泵汽轮机内效率fwp，ti=0.78，给水泵汽轮机机械效率f w p，t m=0.90，给水泵汽轮机减速器效率f w p，t g=0.98。gs,f w p(hfh- h气动泵出口*)fwp，pfwp，tifwp，tmfwp，tg=1000H/求得：gs,fwp=0.0559b=a+gs,fwp=a+0.05593.1.2再热器耗汽份额gs,rh1、gs,rh2分离器出来的流经再热器份额为a的蒸汽被加热，使蒸汽焓值增加，在每级再热器的焓增相等，h再热= 113.28 kJ/kg，第一级再热器是抽高压缸抽汽，P=2.6MPa，hzes，1= 2642.45 kJ/kg，疏水为该压力下对应的饱和水，h再热疏水，1= 971.73 kJ/kg，二级再热蒸汽为新蒸汽，hzes，2= 2775.04kJ/kg，h再热疏水，2= 1227.06kJ/kg，加热器的效率h=0.98。由能量平衡可列方程：第一级再热：gs,rh1(hzes，1-h再热疏水,1) h =ah再热求得：gs,rh1= 0.0692a第二级再热：gs,rh2(hzes，2-h再热疏水,2) h =ah再热求得：gs,rh2= 0.0747a3.1.3高压给水加热器耗汽份额ghes,1、ghes,2流经两级高压给水加热器的给水量为1，每流经一级加热器给水的焓增相等，h回热=112.42kJ/kg，高压给水加热器的蒸汽从高压缸抽汽，份额为gs,rh1、gs,rh2，第一级高压再热器抽汽焓值h抽汽，1= 2543.69kJ/kg，疏水焓值h疏水，1=823.3kJ/kg，第二级高压再热器抽汽焓值h抽汽,2=2615.91kJ/kg，疏水焓值h疏水，2= 937.27kJ/kg ，加热器的效率h=0.98。由能量平衡可列方程：第二级低压加热：ghes,2(h抽汽,2-h疏水,2) h+ gs,rh2(h再热疏水，2-h疏水,2) h =h回热求得：ghes,2= 0.0670-0.0129第一级低压加热：ghes,1(h抽汽,1-h疏水,1) h+ gs,rh1(h再热疏水，1-h疏水,1) h +(gs,rh2+ghes,2)(h疏水，2-h疏水,1) h =h回热求得：ghes,1= 0.0622-0.0101a3.1.4分离器分离的饱和水份额gs,dea高压缸排出的蒸汽，一部分（份额为c）直接排到除氧器，加热除氧器的给水，其余部分经过分离器，干度由86.04%升到99.5%，分离的饱和水gs,dea排到除氧器，分离的蒸汽a经再热器加热流入低压缸做功。由质量守恒：（a+gs,dea）*86.04%=a*99.5%求得：gs,dea= 0.1564a3.1.5除氧器热力计算流进除氧器的工质有：再热、回热疏水gs,rh1+gs,rh2+ghes,1+ghes,2，分离器疏水gs,dea、给水b（=a+gs,fwp），高压缸排汽c，流出除氧器的工质是份额为1的饱和给水，h给水= 700.39 kJ/kg。除氧器为混合换热器，换热效率为100%。进出稳压器的各股工质的流量和焓值将下表：流量L焓值h（kJ/kg）疏水gs,rh1+gs,rh2+ghes,1+ghes,20.1292+0.1209a823.30高压缸排汽cc2485.79流进给水b（=a+gs,fwp）a+0.0559587.97分离器疏水gs,dea0.1564a731.03排污净化蒸汽0.01051241.17流出除氧器给水10105700.39由质量守恒：L流入=(0.1292+0.1209a)+c+(a+0.0559)+0.1564a+0.0105=1.0105由能量平衡:（L流入h流入）=823.30*(0.1292+0.1209a)+2485.79*c+528.436*(a+0.0559)+ 731.03*0.1564a+1241.17*0.0105=700.39*10105=707.744由以上两个方程解得：a=0.6195c=0.0236由a=0.6195可得b=a+gs,fwp=a+0.0559=0.6754gs,rh1= 00692a= 0.0429gs,rh2= 0.0747a= 0.0463ghes,1= 0.0622-0.0101a=0.0559ghes,2= 0.0670-0.0129a= 0.0590gs,dea= 0.1564a=0.09693.1.6低压给水加热器耗汽份额gles,1、gles,2、gles,3、gles,4流经各低压给水加热器的给水量为b，每流经一级加热器给水的焓增相等，hfw=97.543kJ/kg，低压给水加热器的蒸汽份额为gles,i（i=1、2、3、4），抽汽焓值h抽汽为汽轮机抽汽压力下对应的湿蒸汽的焓值，疏水焓值h疏水为给水加热器蒸汽侧温度对应饱和水的焓值，具体值见下表，加热器的效率h=0.98。回热级数抽汽量gles,i抽汽焓值h抽汽（kJ/kg）疏水焓值h疏水（kJ/kg）第一级gles,12447.57257.22第二级gles,22583.62369.86第三级gles,32696.72482.55第四级gles,42733.42595.34由能量平衡可列方程：第四级低压加热：gles,4(h抽汽,4-h疏水,4) h=bhfw求得：gles,4= 0.0537b=0.0363第三级低压加热：gles,3(h抽汽,3-h疏水,3) h+ gles,4(h疏水，4-h疏水,3) h =bhfw求得：gles,3= 0.0491b=0.0332第二级低压加热：gles,2(h抽汽,2-h疏水,2) h+(gles,3+gles,4)(h疏水，3-h疏水,2) h =bhfw求得：gles,2= 0.0465b=0.0314第一级低压加热：gles,1(h抽汽,1-h疏水,1) h+( gles,2+gles,3+gles,4)(h疏水，2-h疏水,1) h =bhfw求得：gles,1= 0.0447b=0.03023.1.7高压缸比功率n高高压缸进口蒸汽焓值h初始=2774.98kJ/kg，一级再热器抽汽gs,rh1、两级高压抽汽ghes,1、ghes,2抽汽焓值见下表,汽轮机组机械效率m=0.98，发电机功率ge,0.99高压缸出口蒸汽抽汽gs,rh1抽汽ghes,1抽汽ghes,2焓值h（kJ/kg）2485.792642.442543.772615.89份额L0.740.04290.05590.0590蒸汽在高压缸内膨胀做功n高=m*ge*L*（h初始-h流入）=0.98*0.990.74*(2774.98-2485.79)+ 0.0429*(2774.98-2642.44)+0.0465*(2774.98-2543.77)+ 0.0453*(2774.98-2615.89)=234.786kw/kg3.1.8低压缸比功率n低低压缸进口蒸汽焓值h初始= 2986.05 kJ/kg，四级低压抽汽gles,1、gles,2、gles,3、gles,4，抽汽焓值见下表,汽轮机组机械效率m=0.98，发电机功率ge=0.99低压缸出口蒸汽抽汽gles,1抽汽gles,2抽汽gles,3抽汽gles,4焓值h（kJ/kg）2304.372447.572583.622696.722733.42份额L0.48840.03020.03140.03320.0363蒸汽在低压缸内膨胀做功n低=m*ge*L*（h初始-h流入）=0.98*0.990.4884 *(2986.05 -2304.37)+ 0.0273*(2986.05 -2447.57)+ 0.0282*(2986.05 -2583.62)+ 0.0292*(2986.05 -2696.72)+ 0.0302*（2986.05 -2733.42）=369.265kw/kg3.1.9电厂效率e，npp汽轮机总比功n= n高+ n低=604.051kw/kg蒸汽发生器蒸汽产量DS = Ne/n= / 604.051= 1655.489 kg/s蒸汽发生器给水焓hfw=924.69 kJ/kg，排污水焓值hs= 1241.17kJ/kg，新蒸汽焓值hfh= 2774.98 kJ/kg，一回路效率1=0.995，排污率d=0.0105由能量蒸汽发生器平衡方程：Ds(hfh-hfw)- d ( hs-hfw)=QR1求得堆芯产热:QR=.552kw电厂效率：e，npp=Ne/QR =32.71%3.2热平衡计算模型3.3热平衡计算流程3.4计算结果及分析电厂的效率e，npp=32.71%，高压缸做功占整个机组做功的38.84%，低压缸做功占61.16%。该设计的电厂效率比较好，目前大型压水堆的效率3035%。高、低压缸的排汽湿度对汽轮机做功的影响挺大，高压缸湿度增大一点的话，高压缸做功的比例将增大。采取回热提高了电厂的效率，而且回热级数越高效率提到的越大，但是回热级数增加后每一级的效益投资比减小了，出于综合考虑选择了7级回热。采用分离再热器可以提高汽轮机末级干度，保证了汽轮机的安全性。假如将低压给水加热器的疏水，汇流到疏水箱再通过疏水泵打到给水管道可以小幅度的提高电厂效率。给水的温度为215.59，参考资料3给的参考值200240差不多。该温度应该了电厂的效率，将给水温度提高可以适当的提高电厂的效率。排污水的流量达到了17.38kg/s,是一个不可忽略的值，实际电厂中也不可能将污水直接排放，而是会通过一系列的处理净化，将大部分排污水回收利用。在我的设计中将排污水排到排污罐后压力下降，排污水蒸发成水蒸气，污垢不能蒸发成气态，从而实现了污水的净化。净化后的水蒸气排到除氧器，加热从低压给水加热器的给水。在处理过程存在没考虑排污蒸汽的流量和焓值减少的问题，从而使电厂效率偏高。设计过程中查询水蒸气性质表部分主要是查询了基于IAPWS-IF97多个小程序，这些程序都是通过拟合公式计算水蒸气的参数，所求的参数可能与实际情况有偏差，而且不同的程序查询的结果有一定偏差。这也是影响设计精度的一个原因。4结论本次设计中的参数选择接近于压水堆核电厂的真实参数，所设计的压水堆核电厂二回路的热效率为32.71%，与在役核电厂的效率相接近，可以说本设计符合实际生产的需要，因此本设计是个较为成功的设计。附录附表1 已知参数和给定参数序号项目符号单位数值1核电厂输出电功率10002一回路能量利用系数0.993蒸汽发生器出口蒸汽干度99.754蒸汽发生器排污率1.055高压缸内效率82.076低压缸内效率83.597汽轮机组机械效率0.988发电机效率0.999新蒸汽压损=510再热蒸汽压损=211回热抽汽压损=412低压缸排气压损513高压给水加热器出口端差314低压给水加热器出口端差215加热器效率0.9816给水泵效率0.5817给水泵汽轮机内功率0.7818给水泵汽轮机机械效率0.9019给水泵汽轮机减速器效率0.9820循环冷却水进口温度24附表2 确定的主要热力参数汇总表序号项目符号单位计算公式或来源数值1反应堆冷却剂系统的运行压力选定，151615.42冷却剂压力对应的饱和温度查水和水蒸汽表确定344.273反应堆出口冷却剂过冷度选定，1520184反应堆冷却剂出口温度 = -326.275反应堆进出口冷却剂温升选定，304036.276反应对进口冷却剂温度 = -2907蒸汽发生器饱和蒸汽压力选定，5.07.06.58蒸汽发生器饱和蒸汽温度对应的饱和温度280.869一、二次侧对数平均温差22.610冷却剂中循环冷却水温升选定，68611冷凝器传热端差选定，310312冷凝器凝结水饱和温度 =+ +3313冷凝器的运行压力对应的饱和压力514高压缸进口蒸汽压力 =-6.17515高压缸进口蒸汽干度选定99.5116高压缸排气压力选定0.84517高压缸排气干度选定86.0418汽水分离器进口蒸汽压力选定0.84519汽水分离器进口蒸汽干度选定86.04第一级再热器20再热蒸汽进口压力选定0.828121再热蒸汽进口干度选定99.522加热蒸汽进口压力选定2.623加热蒸汽进口干度选定91.26第二级再热器24再热蒸汽进口压力选定0.823925再热蒸汽进口温度选定215.0526再热蒸汽出口压力选定0.819727再热蒸汽出口温度选定266.8628加热蒸汽进口压力选定6.2429加热蒸汽进口干度选定99.56低压缸30进口蒸汽压力选定0.819731进口蒸汽干度选定266.8632排气压力选定0.005333排气干度选定89.3334回热级数选定735低压给水加热器级数选择436高压给水加热器级数选择237第一次给水回热分配112.42第二次给水回热分配 38高压加热器给水焓升112.1539除氧器及低压加热器给水焓升112.4240低压加热器给水参数第1级进口给水比焓=138.29第2级进口给水比焓=250.71第3级进口给水比焓= 363.13第4级进口给水比焓= 475.55第1级出口给水比焓= +250.71第2级出口给水比焓=+363.13第3级出口给水比焓=+475.55第4级出口给水比焓= +587.97第1级进口给水温度按（,）查水蒸汽表32.52第2级进口给水温度按（,）查水蒸汽表59.45第3级进口给水温度按（,）查水蒸汽表86.31第4级进口给水温度按（,）查水蒸汽表113.00第1级出口给水温度按（,）查水蒸汽表59.45第2级出口给水温度按（,）查水蒸汽表86.3