蒸汽发生器工艺设计

1、蒸汽发生器工艺设计说明书姓 名： 学 号：班 级:指导老师 ： 目 录第一章 绪 论2第二章 蒸汽发生器的设计与计算32.1 根据热平衡确定换热量42.2 管径的选取以及传热管数目的确定42.3 换热面积的计算52.4 管束结构的计算62.5 强度计算72.6 主要管道内径的计算82.7 一回路水阻力计算92.8 二回路水循环阻力计算112.9 运动压头计算172.10 循环倍率的确定18第三章 结论与评价19第四章 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

2、热量由冷却剂带出，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，

3、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；改进水质控制等。 第二章 蒸汽发生器的设计与计算蒸汽发生器的设计计算包括热力计算、水动力计算、强度计算、结构设计等。热力学计算主要通过传热学

4、知识计算传热管传热面积，然后与管束结构设计相结合可以得到传热管长度、管束直径等结构参数。强度计算通过压力校验等用于选取蒸汽发生器结构材料、确定结构尺寸等。蒸汽发生器中要通过强度计算得出的参数有传热管、上下筒体、球形下封头管板等的壁厚。在强度计算得出参数后要留取一定余量，以满足变工况下出现超压情况的需求。水动力计算是最后一步，因为只有结构尺寸确定，运动状态已知的情况下水力情况才得以确定。水力计算包括一回路水阻力计算、二回路水循环阻力计算、运动压头计算等。其中一回路水阻力计算相对简单主要包括单相水U型管管内摩擦阻力和局部阻力两项；二回路水循环阻力计算及运动压头计算比较复杂。因为蒸汽发生器内二回路侧

5、流体的水力特性取决于流体工质的性质和状态、流道的结构和几何形态，以及工质的流动形式。而且计算过程误差较大，往往需要在试验中进一步修正。二回路水循环阻力包括下降空间阻力、上升空间阻力、汽水分离器阻力等。而上升空间阻力又包括摩擦阻力、局部阻力、弯管区阻力、加速阻力、流量分配孔阻力五项。设计中常用图解法来确定循环倍率，即先假设几个不同的循环倍率分别计算其运动压头和总阻力，在直角坐标系作出相应曲线，两根曲线交点即为稳定工况的循环倍率值。循环倍率值一般取25为宜，其值过小会导致传热恶化，腐蚀加剧等；而过大则会增大汽水分离器负荷，使蒸汽干度降低，危机汽轮机安全。计算过程中水力计算是在结构选型和热力计算之后

6、进行，但是结构设计和热力计算又需要水力计算数据，因此三者往往要反复交替进行，以使设计逐步完善。2.1根据热平衡确定换热量一回路进口焓值：=1394.21 kj/kg (15.0MPa，310）；一回路出口焓值：=1284.17 kj/kg （15.0MPa，290）；=944.38kj/kg （15.0MPa，300）；二回路饱和水温：=263.98 （5.0MPa）；二回路饱和水焓：=1154.50kj/kg （5.0MPa）；二回路饱和蒸汽焓值：=2793.6 kj/kg（5.0MPa）；二回路汽化潜热： r=-=2793.6-1154.2=1639.73kj/kg （5.0MPa）；排污

7、量：；干度：；换热量：；一回路水流量： ；2.2 管径的选取以及传热管数目的确定选取传热管的外径为：节距选取为：管束直径：则最小节圆半径为：； 负公差修正系数：=1.102；弯曲减薄系数：；一回路侧设计压：；传热管壁厚： ，此处取；传热管内径：；单管流通面积：选取一回路侧水流速度为：一回路水平均比容：（15.0MPa，300，饱和水）则一回路侧流通面积为：U型管数目为：根据排管最后确定U型管数目为：.2.3 换热面积的计算一回路侧水导热系数： （15.0MPa，300，饱和水）一回路侧水普朗特数： （15.5MPa，305，饱和水）一回路侧水动力粘度： （15.0MPa，300，饱和水）一回路

8、侧雷诺数：一回路侧换热系数：传热管导热系数： （给定）传热管壁热阻：污垢热阻： （按I-600选定）传热温差： 假设一个q值，进行迭代可以求得试取值，则此时的热负荷为：所需的传热面积：，传热裕度系数：C=1.1设计传热面积：。2.4 管束结构的计算传热管总长：，传热管排列方式：按正方形排列节距：，最小U型管节圆直径：，实际布管数：根,管束直径：，弯管段高为：,平均直径：,弯管总长：,直管总长：,管束直段高：,管束弯段高：,管束总高：,2.5 强度计算其中t是装配间隙，约1020mm，取20mm。，其中是衬筒壁厚，给定为12mm。其中B为下降流道宽度，取为88mm。下筒体许用应力：=18kg/m

9、m2下筒体计算壁厚：（3）上筒体许用应力：=18kg/mm2 （给定）设计壁厚取为：（4）球形下封头许用应力：设计壁厚取为：（5）管板许用应力：设计壁厚选取为：堆焊层厚度： 2.6 主要管道内径的计算主管道计算流速： （选取，812m/s)20蒸汽管计算流速： （选取，3040m/s）蒸汽管设计内径：二回路给水比容：给水管计算流速： （选取，25m/s）给水管设计内径：2.7 一回路水阻力计算(1)U型管内摩擦阻力计算考虑堵管后流速摩擦阻力系数：平均壁温：在此壁温下的动力粘度：温度修正系数：(2)局部阻力计算下封头内径：进口管内径： （与主管道相同）进口管截面积：突扩阻力系数：一回路侧水入口处

10、比容： （15.0MPa，310）水室转弯45°阻力系数： （查表，线性插值）考虑堵管后截面积：系数：查图得传热管入口阻力系数：传热管入口阻力：U型管转180°阻力系数：U型管转180°阻力：传热管出口阻力系数：出口处水比容（15.5MPa，290）：传热管出口阻力：出口管内流速：水室转弯45°阻力系数： （查表，线性插值）水室转弯阻力：出口管突缩阻力系数：出口管突缩阻力：总阻力：设计阻力：2.8 二回路水循环阻力计算 (1)下降空间阻力下降空间水比容：入口阻力系数：出口阻力系数：定位装置阻力系数：下降空间高度：衬筒外径：下筒体内径：下降空间当量直径：绝

11、对粗糙度：摩擦系数：下降空间截面积：下降空间水流速：下降空间阻力：(2)上升空间阻力a) 摩擦阻力饱和水比容：饱和蒸汽比容：饱和蒸汽密度：衬筒内径：传热管外径：支撑板定位拉杆数量：上升空间流通面积：上升空间当量直径： 循环速度：出口水相折算速度：液相平均折算速度：出口汽相折算速度：汽相平均折算速度：液相动力粘度：汽相动力粘度：液相雷诺数：汽相雷诺数：判别流型：都为紊流。管束直段高：液相摩阻系数：汽相摩阻系数：按折算速度计算的液相摩擦阻力：按折算速度计算的汽相摩擦阻力：参量X：液相摩擦阻力：汽相摩擦阻力：摩擦阻力：b）局部阻力：支撑板数目：N=6上升流道单元面积：支撑板单元开孔面积：面积比：0.

12、29局部阻力系数：按折算速度计算的液相局部阻力： 按折算速度计算的汽相局部阻力：参量X：二回路工作压力：临界压力：参数参数K：液相局部阻力：汽相局部阻力：局部阻力：c）弯管区阻力管束弯头最大节圆直径：弯管区重心至圆心距离：计算冲刷排数：系数：系数：液相雷诺数：汽相雷诺数：液相摩擦阻力系数：汽相摩擦阻力系数： 液相阻力：汽相阻力： 参量X：液相阻力：汽相阻力：弯管区阻力： d）加速阻力管束出口质量含汽率：管束出口体积含汽率：系数：管束出口截面含汽率：质量流速：加速阻力：e）流量分配孔板阻力：阻力系数：孔板局部阻力：上升空间阻力：f）汽水分离器阻力：g）循环总阻力：2.9 运动压头计算（1）预热段

13、高度计算：二回路给水焓：二回路饱和水焓：液面高度：下降空间下端压力：压力下的饱和水焓：预热段高度：（2） 运动压头计算蒸发段高：管束上方区段高度：蒸发段平均质量含汽率：蒸发段平均体积含汽率：蒸发段平均截面含汽率：管束上方区段平均截面含汽率：蒸发段运动压头： 管束上方区段压头：运动压头：2.10 循环倍率的确定将循环倍率、循环运动压头和循环运动压头对应数值列出表并做曲线，得以下结果：循环倍率345总阻力 运动压头由上图可近似确定循环倍率为4.7，满足2到5之间的要求。第三章 结论与评价本次课程设计的主要任务是：掌握掌握蒸汽发生器设计计算的标准方法；具有初步综合考虑蒸汽发生器结构设计的能力，依据课

14、程设计指导书，并参考核动力设备、两相流，基本上完成了课程设计的任务与要求，但设计中有些地方存在不足，如设计的传热管壁厚较厚，蒸汽发生器的传热面积是由大量小直径薄壁无缝U形管组成，通常选用传热管的外径为，壁厚小于，本课程设计为，水力计算没有循环迭代，计算结果不太精准。通过此次课程设计，所学习的核动力设备得到了巩固、充实和提高。增加了对热气发生器结构、热力计算、水力计算的认识与理解。加大一回路冷却剂流速，可提高换热效率，减少换热管数目，缩小筒体和减薄管板，但必须考虑允许的流动压降和侵蚀速率。对于不锈钢管，从防止侵蚀的观点出发，管内流速可允许为，但是为了降低泵耗功，通常限制管内流速为。一般传热管内水

15、的流速在左右。本课程设计流速选择为。进行管束排布时，直接将圆形面积转化为正方形面积（换热管认为是栅元结构，每一个换热管为一个栅元），进而计算管束直径，这样计算会导致实际排管数目少于计算管束数目，原因在于实际排管中，处于中心的两排管有一定的间距（间距为），排管时应考虑此因素，在此次设计中，估算实际排管管束直径为75根换热管左右，基于此在原计算换热管数目上加上六排管数，再计算，结果较为理想。影响管壁导热热阻的主要因素是:传热管材料和管壁厚度，而管壁厚度又与工作压力、传热管材料和几何尺寸有关。目前，传热管壁厚一般为，传热管表面积占一回路系统承压边界面积的近80。因而蒸汽发生器的传热管是整个一回路压力边界中最薄弱的部分。在计算传热温差时还应注意的大小是否满足要求，因为此温差的大小会直接影响到蒸发段的传热面积和二回