核动力设备及装置总复习

1、总复习总复习水水压水堆核电站工作过程 Pressurized Water Reactor (PWR)压力容器稳压器主泵主管道蒸汽发生器汽轮机发电机冷凝器输配电二回路二回路一回路一回路蒸汽第二章 蒸汽发生器原理及结构设计作用热量传递产生蒸汽一、二回路枢纽地位分类工质流动方式工质流动方式自然循环蒸汽发生器、直流蒸汽发生器安放形式安放形式卧式蒸汽发生器、立式蒸汽发生器传热管形状传热管形状U形管、直管、螺旋管、其他形状蒸汽发生器U型传热管U-type tube bundle 汽水分离器steam separator 给水入口feedwater intake 环形下降通道干燥器dryer 立式蒸汽发生器

2、结构一次侧冷却剂流程一次侧冷却剂流程二次侧工质流程二次侧工质流程立式U形管自然循环蒸汽发生器水容积大，蓄热量大；缓冲性好，对自动控制要求低；可炉水处理和排污，对传热管和二回路水要求低需汽水分离，结构复杂汽机高低压缸间需汽水分离再热器静态特性较差湿饱和蒸汽；水循环不湿饱和蒸汽；水循环不需外部动力需外部动力卧式蒸汽发生器卧式优缺点安全可靠性好安全可靠性好 立式联箱，水平U形管根部汽水流动通畅，不会造成泥渣沉积和腐蚀介质的浓缩，使传热管根部避免腐蚀破裂；蒸发面负荷较小，用简单简单的汽水分离装置汽水分离装置即可保证蒸汽品质；采用奥氏体不锈钢传热管，价格比较低廉价格比较低廉。体积大，质量大，金属耗量大；

3、单台极限功率负荷受到限制，一般不超过200-300MW；在安全壳内布置不方便；须严格控制二回路侧水质指标，特别是氯离子指标直流蒸汽发生器强迫流动产生微过热蒸汽无内部水循环，给水一次性流过受热面特点管外直流蒸汽发生器管外直流蒸汽发生器二回路工质在传热管外一回路工质在传热管内主要用于核电厂主要用于核电厂 管内直流蒸汽发生器管内直流蒸汽发生器二回路工质在传热管内一回路工质在传热管外主要用于舰船核动力装置主要用于舰船核动力装置分类直流式优缺点没有汽水分离设备，结构简单，尺寸紧凑；静态性能好，蒸汽压力稳定；运行的机动性好，升降功率速度快产生过热蒸汽，提高了装置的热效率功率重量比重高（约1.5MW/t，自

4、然循环约0.94MW/t）单台电功率可达60-65万kW无法进行锅内水处理和排污，对给水的品质和传热管管材的性能要求较高；水容积小，蓄热能力小，对给水自动控制要求高。可能发生各种类型的两相流动不稳定性问题必须解决好管束和筒体间热膨胀差的补偿问题第三章 蒸汽发生器传热管的腐蚀与防护传热管破损的种类及其发生机理应力腐蚀应力腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀耗蚀耗蚀凹痕凹痕微振磨损微振磨损点蚀（或缝隙腐蚀）点蚀（或缝隙腐蚀）破损种类定义定义原因特点发生部位影响因素压水堆蒸汽发生器传热管典型故障防止传热管破损的主要措施传热管材料结构设计水质控制影响因素影响因素第四章 蒸汽发生器的热计算传热面积：传热面积：换热量：换

5、热量：4.1计算公式计算公式传热温差：传热温差： 一般都是按对数平均温差计算传热系数传热系数：按传热管外侧表面为基准的计算公式一回路侧流量：一回路侧流量：()()dlfQD rDDii4.2蒸汽发生器的传热过程一回路冷却剂对管壁的强迫对流换热管壁和污垢层的导热传热面管壁对二回路工质的沸腾换热一回路冷却剂对管壁的强迫对流换热主要取决于流速一般传热管内水的流速在5m/s左右管壁和污垢层的导热管壁的导热热阻 l降低换热系数l列出专项，采用经验数据l计算k时不考虑污垢热阻，确定换热面积时引入一个安全系数。确定方法污垢热阻常用方法污垢热阻主要产生在二次侧，一次侧污垢热阻可以忽略不计1.大容积沸腾换热C点

6、对应的热流密度称为临界热负荷（CHF）第一类传热恶化第一类传热恶化：由换热偏离核态沸腾（DNB）而造成的传热恶化对金属材料损害大（管壁烧红甚至烧毁）压水堆自然循环蒸汽发生器蒸发段的平均热负荷远低于临界热负荷，不会出现第一类沸腾传热恶化二回路侧的沸腾换热二回路侧的沸腾换热直流蒸汽发生器的热力计算需分段进行，以沸腾起始点沸腾起始点和蒸干点蒸干点为分区点： 过冷水区 沸腾区 过热蒸汽区2.管内流动沸腾换热 第二类传热恶化第二类传热恶化-由于液膜蒸干而引起的传热恶化 压水堆直流蒸汽发生器中不可避免 热负荷较低，蒸汽流速快，又有液滴冷却壁面，因而不会对壁面造成严重破坏 沸腾起始点： 分别按热平衡和单相对

7、流换热公式确定沸腾起始点的流体平均温度与对流换热系数，通过试算最后确定沸腾起始点的位置。蒸干点蒸干点：通过计算界限含气率界限含气率-流道中蒸干点处的含气率来确定第五章自然循环蒸汽发生器的水力计算 一次侧单相流动压降计算圆管内等温流体摩擦阻力Pf局部阻力Pl汽液两相流动阻力计算质量含气率x截面含气率体积含气率折算速度循环速度u0循环倍率两相流动特性参数两相流动特性参数汽液两相流动摩擦阻力计算汽液两相流动局部阻力计算汽液两相流动局部阻力计算公式适用条件汽液两相流动加速度阻力计算汽液两相流动加速度阻力计算汽液两相流动重位压降计算汽液两相流动重位压降计算循环运动压头有效压头循环倍率和循环速度影响因素

8、如何确定沸腾欠热焓公式推导改善水循环措施改善水循环措施传热管排列采用正方形布置传热管排列采用正方形布置减少支撑板数目减少支撑板数目降低支撑板阻力降低支撑板阻力改善汽水分离器改善汽水分离器以纵向流动为主的结构形式以纵向流动为主的结构形式增加开孔面积增加开孔面积栅格支撑，增大流通面积栅格支撑，增大流通面积第六章自然循环蒸汽发生器的运行特性蒸汽发生器的静态特性： 由蒸汽发生器负荷变化而引起一回路冷却剂的平均温度和二回路工质压力变化的规律蒸汽发生器的负荷调节改变传热系数k调节2 辅助调节方法 改变传热温差tln 主要调节方法蒸汽发生器的静态特性与tav和ts之差的大小有密切关系。限制某一参数的预定方案

9、，称为装置运行方案 3. 组合运行方案低功率区tav恒定 高功率区ps恒定低功率区ps 恒定 高功率区tav恒定对带基本负荷核电厂有利现已很少采用蒸汽发生器的水循环特性在功率较低时，随着功率的增加，更多的热量经u形管传导出来，发生沸腾换热的传热面范围越来越大，使上升空间水的密度降低，从而导致驱动压头相对于功率有一个明显的增加。与此同时，蒸汽发生器二次侧流体的流动阻力也因流速的增加而不断增大。运动压头和流动阻力都是随功率的增加而以抛物线形增加，但两者对流动的作用一个为动力 一个为阻力。两者综合作用结果使循环水流量在低功率区时随功率的增加而增大，在40%-80%功率之间，循环水流量不变运行中影响再

10、循环流量的因素是流入汽水分离器的蒸汽夹带的水滴开始时再循环流量随功率增加而增加直到功率达到约40%。功率超过40%时，由于深度饱和沸腾使摩擦阻力以抛物线形急剧增加，从而减小了汽水混合物的质量流速，再循环流量逐渐减小蒸汽发生器的蒸汽品质控制蒸汽的带盐机理蒸汽的带盐机理带盐形式：机械携带带盐形式：机械携带 + 选择性携带选择性携带 （水滴状带盐）（水滴状带盐） （分子状带盐）（分子状带盐）与蒸汽湿度和炉水含盐量成正比蒸汽压力越高含盐量越高蒸汽发生器为中低压参数设备，以蒸汽带盐为主。以后提到蒸汽品质，主要是指蒸汽湿度。汽水分离设备： 粗分离器 + 细分离器旋风式分离器立式旋叶式分离器蒸汽品质影响因素

11、蒸发负荷蒸汽空间高度炉水含盐量波形板分离器放置方式：水平式+立式结构形式：带钩式+不带钩式为了保证蒸汽发生器的蒸汽品质，一般需要进行二次分离：第一次粗分离将蒸汽中较大的水滴分离出来；第二级细分离将蒸汽中剩余的较小水滴分离出来。在第一级和第二级分离之间应留有一定的空间作为重力分离，使第一次分离时没有被分离出来的大水滴进一步分离，同时这部分空间还起到均匀气流的作用。经过第二次分离后的蒸汽应达到最终要求的干度。 第一次分离一般采用一级粗分离器来完成，有时也采用二级分离器，并将这二级分离器连为一体，分离的水量约占蒸汽中总水量的80-90。第二次分离一般采用一级细分离器来完成，通常采用波形板分离器、丝网

12、分离器或带钩波形板分离器等。第七章 压力安全系统功功 能能启堆时提供部分热源，并控制系统压力正常停堆时，控制压力程序降低临时停堆时维持一回路压力储有一定水量，用与补偿泄漏去除冷却剂系统裂变气体和有害气体7.2主要类型与工作原理气罐式稳压器优点： 结构简单、辅助设备少、维护管理方便、压力调节程序方法简便易行缺点： 容积大、瞬态体积品质低、空气易溶于水 一般用于生产堆、研究堆、高温高压试验台架适合于大型核动力装置系统，电厂核系统和大型舰船核动力装置中电加热式稳压器电加热式稳压器特性作用补偿一回路冷却水温度变化引起的回路水容积的变化调节和控制一回路系统冷却剂的工作压力结构直立式电加热稳压器 结构呈圆

13、柱形筒体容器顶部设置有抑制压力升高的喷雾器（喷淋）sprayer底部设有升高压力的电加热元件heater elements工作状态正常运行时，稳压器内一半容积为水，另一半为保持一定压力的蒸汽开启电加热元件可使热水汽化，从而提高压力上部喷雾冷水，可使蒸汽凝结降低压力电加热式工作原理：相平衡和蒸汽的可压缩性+喷雾器 +电加热器电热式除气功能：原理同热力除氧 热力除气氧气 、氢气和惰性气体稳压器设计注意事项主要设备部件的结构稳压器的事故分析原因喷雾器长期未清洗，流道堵塞工作人员误操作，未能及时打开喷雾器，使压力迅速上升，直接引起蒸汽卸压安全措施周期性检查喷雾器，定期试验，检查是否流道堵塞或磨损定期检

14、查喷雾阀远距离操作是否有效，以免长期不工作而卡死喷雾效应原因安全措施定期测量元件的绝缘电阻及功率定期检查元件接线端的密封性发现烧毁或性能损坏的元件，要及时切断或更换2.电加热器元件破裂氧化镁粉干燥不充分水分蒸发形成气泡电阻丝局部散热不均元件通电气泡与氧化镁粉导热性不同气泡膨胀影响电阻丝寿命电阻丝熔断元件内压力高元件管破裂放射性水喷入安全壳，使稳压器卸压原因安全措施在安全阀和卸压阀排放管上安装温度计定期进行安全阀人为启跳试验安全阀启跳2-3次后，必须隔离检修3.卸压阀或安全阀故障高温温度场卸压阀电磁驱动部件线圈过热部分温度过高线圈卡死或控制失灵卸压阀失去保护作 用 系统超压增加安全阀动作次数第八

15、章稳压器的容积和电加热功率计算压水堆一回路系统冷却剂体积波动的原因稳态功率水平不同引起的冷却剂体积波动过渡过程引起的冷却剂体积波动控制与测量误差引起的冷却剂体积波动概念： 控制死区稳压器容积的划分与计算稳压器内部的容积: 蒸汽空间体积和水空间体积两大部分。水空间体积:回路水的变化体积稳压器自身结构所必须具有的水体积稳压器内自身蒸发体积共8块。最小蒸汽空间体积4.总电加热功率的确定电功率消耗最大的工况是启动工况和功率发生负瞬变化工况，这两种工况相继发生。总功率应取其最大值，并考虑一定的备用量。选择原则：若则则若 冷凝器的主要任务凝汽设备包括冷凝器、冷却水 泵、凝结水泵及抽气器(又称空气 泵)，其

16、中冷凝器是凝汽设备中最主要的组成部分。冷凝器的主要作用：在汽轮机的排气口建立并保 持真空，增大蒸汽的可用焓降，提高装置的循环热效率；接受动力装置的排气(主要是汽轮机的全部乏汽)，并将其全部冷凝成水，为蒸汽发生器或锅炉提供洁净的给水；对凝结水进行除氧，减轻系统和设备的腐蚀第十章第十章 冷凝器及其典型结构冷凝器及其典型结构真空度真空度高真空形成原因高真空形成原因真空的保持真空的保持端差端差冷凝器真空的选择实际的装置不是真空度越高越好。运行机组主要靠增大冷却水流量来提高真空度，而循环冷却水泵耗电量占机组发电量的1%-4%，过分增大冷却水流量，会使汽轮机真空度提高而多发的电反而少于冷却水泵多耗的电，得

17、不偿失曲线1是背压降低时机组电功率增量变化曲线；曲线2是背压降 低时冷却水泵所耗功率增量的变化曲线。实际上运行的冷却水泵可能有几台，冷却水流量也许不能 连续调节，故应通过试验才能定出不同负荷下的最佳真空度。混合式冷凝器 表面式冷凝器表面式冷凝器汽轮机的排气在冷却管的外表面上进行凝结，与管内的冷却水彼此互不接触，冷凝器的外壳通常呈圆柱形、椭圆柱形或矩形外壳两端连接着端盖，并在两侧形成水室，端盖和外壳之间装有管板，冷却管即装在管板上10.4 冷凝器的典型结构秦山核电站冷凝器典型结构结论冷却水入口温度tf1越高，温差t越大。当冷却水入口温度超过某一临界值时， ts为正，于是双压冷凝器压力低于单压，热

18、效率高在多压冷凝器内，沿冷却管长度方向吸热均匀，但在单压冷凝器中，沿管束长度方向上蒸汽负荷是不均匀的在相同条件下，多压冷凝器具有更大传热温差，换热能力更强，从而提高了装置的循环热效率第十一章 冷凝器的主要部件结构冷凝器壳体就是冷凝器的外壳，用于接收汽轮机的排气和其他各种辅助排气、疏水和补水等，包容全部冷却管束以实现真空条件下的蒸汽凝结、收集，并转送凝结水水室是冷凝器管侧的重要组成部分，是冷凝器壳体两端用于冷却水进出冷却管束的空间。管板是冷凝器的核心部件，其形状主要随冷却管束的形状而定。支撑隔板，用于支撑冷却管，防止冷却管产生过大的静挠度，提高冷却管的固有振动频率，预防冷却管振动破坏。冷却管是表

19、面式冷凝器最重要的零件,蒸汽与冷却水间的热量交换需要通过冷却管来传递。冷却管的材料适合用做冷凝器冷却管的材料主要有黄铜管、铜镍合金管、不锈钢管和钛管。实际采用哪种材料主要与冷却水的性质有关，同时还应当满足：为了满足冷却管在管板上胀接的需要，冷却管材料要比管板材料软；管板和冷却管两种材料在冷却水导电介质中的电极电位接近。当用淡水冷却时，冷凝器可选用黄铜管；当用腐蚀性较强的海水冷却时，冷凝器可铜镍合金管、不锈钢管和钛管冷却管的腐蚀与防护磨损腐蚀是冷却管最常见、最普遍的一种腐蚀类型，通常是在腐蚀介质与金属表面之间相对速度达到紊流程度时发生。常见的磨损腐蚀主要有进口冲击腐蚀、外来物进口冲击腐蚀、外来物

20、堵塞引起的冲击腐蚀和堵塞引起的冲击腐蚀和砂蚀砂蚀。进口冲击腐蚀在冷却管冷却水进口端的一小段上，由于冷却水流通截面的突然改变，引起强烈的紊流、涡流不稳定流动，以至该段冷却管内表面剪切应力大大增加，使保护膜发生剥离、脱落，由此引起的腐蚀外来物堵塞引起的冲击腐蚀砂蚀腐蚀防护形成各种磨损腐蚀的前因都是保护膜的破坏，因此降低冷却水流速，或采用表面镀膜技术，都可以有效地阻止磨损腐蚀的发生。当冷却水流速过低时，流动性差的物质会沉积在冷却管内壁而形成沉积腐蚀。为防止这种腐蚀的发生，冷却水流速一般要求不低于1m/s。对冷却水加强过滤冷却水加强过滤，防止异物进入；对冷却水进对冷却水进行加氯处理行加氯处理，防止海生

21、物繁殖以及定期清洗定期清洗等都是防止沉积腐蚀的有效措施冷却管的固定及其应力补偿胀接、焊接或胀、焊结合和双管板结构等固定方式。胀接方法：胀接方法：机械胀接、爆炸胀接、液压胀接、电液脉冲胀接、橡胶胀接等冷却管热应力补偿冷却管热应力的产生 冷凝器工作时的温度与安装时的温度不同，壳体与冷凝管的材料也不同，致使工作时产生温差热膨胀，冷凝管受到轴向热应力，这种热应力有反复作用的性质。冷却管热应力的危害在幅值并不很大的热应力反复作用下，使冷却管与管板间的连接密封性遭到破坏直接造成冷却管的应力破坏显著地改变冷却管的固有频率，从而可能降低避振裕量。应力补偿常用的方法在结构上补偿这部分热膨胀差 在冷凝器壳体上加装

22、波形膨胀节结构和端部加装挠性补偿板结构冷却管束的布置三角形排列特点： 冷却管密集程度大。一般应用在希望蒸汽空气混合物有较高流速的地方。在同样的排列形式下，气流方向与菱形的短对角线方向一致时，蒸汽流速和阻力较大。三角形排列被广泛地用于主凝结区下部及空气冷却区。正方形排列特点需要较大的管板面积，在管节距相等的条件下，正方形排列比正三角形排列流通面积增加约15。由于这种排列较稀疏，因而气阻较小，主要用在冷凝器进口。 辐向排列特点辐向排列特点排列也较稀疏，气阻较小。被广泛地采用，特别在气流向心式冷凝器及气流向侧式冷凝器的排气进口处用得最多。冷凝器的真空除氧不凝性气体对回路系统及其设备有腐蚀危害作用，氧

23、腐蚀性最强，是各种类型腐蚀的根源。回热式冷凝器减少空气在凝结水中的溶解度除氧除氧装置喷淋式除氧和鼓泡除氧第十二章 冷凝器的热力特性蒸汽对管壁的凝结换热管壁的导热冷却水对管壁的强迫对流换热竖直壁面上层流膜状凝结换热平均换热系数的理论计算公式冷凝器中传热的强化冷凝器中传热的强化减小冷却水侧热阻减小冷却水侧热阻减小污垢热阻减小污垢热阻减小蒸汽侧热阻减小蒸汽侧热阻 保证管内具有足够高的冷却水保证管内具有足够高的冷却水流速流速 从经济性方面考虑，无论采用从经济性方面考虑，无论采用什么管材，其管内流速都不会什么管材，其管内流速都不会超过超过35ms。 冷却管采用错排或辐向排列冷却管采用错排或辐向排列 保证

24、有一定的蒸汽流速保证有一定的蒸汽流速 合理设置凝结水挡板合理设置凝结水挡板 保证冷凝器有良好的密封性及保证冷凝器有良好的密封性及抽气器正常工作抽气器正常工作 在主凝结区管束内部留出一些在主凝结区管束内部留出一些蒸汽通道，选取合适的冷却管蒸汽通道，选取合适的冷却管长与管板直径之比，保证局部长与管板直径之比，保证局部热负荷的分配比较均匀热负荷的分配比较均匀 在冷却水中加入化学药剂在冷却水中加入化学药剂 采用胶球清洗或热烘法采用胶球清洗或热烘法 对冷凝器进行反冲洗对冷凝器进行反冲洗研制和开发高效换研制和开发高效换热表面热表面 珠状凝结现无工程应用珠状凝结现无工程应用 膜状凝结：多种高效冷却管膜状凝结：多种高效冷却管 二维低肋管、三维低肋管、螺纹二维低肋管、三维低肋管、螺纹槽管、横纹槽管、波纹管等槽管、横纹槽管、波纹管等冷凝器换热量Q和冷却水出口温度tf2计算公式冷凝器的工程热力计算冷凝器的工程热力计算n美国传热学会美国传热学会(HEl)标准标准冷凝器的水阻力计算由三部分组成：由三部分组成：冷却水在冷凝器冷却管中的沿程摩擦阻力冷却水从水室空间流入冷却管和从冷却管流入水室空间时产生的局部阻力(简称管端阻力)；冷却水从进水接管流入水室空间和从水室空间流入出水接管时产生的局部阻力。H