1、2 蒸汽发生器设计说明书 时间： 2012 年 12 月 2 日 2 目 录 第一章 绪 论 . 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 . 2.2 管径的选取以及传热管数目的确定 . 2.3 换热面积的计算 . 2.4 管束结构的计算 . 2.5 强度计算 . 2.6 主要管道内径的计算 . 2.7 一回路水阻力计算 . 2.8 二回路水循环阻力计算 . 2.9 运动压头计算 . 2.10 循环倍率的确定 . 第三章 结论与评价 . 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
2、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
3、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；改进水质控制等。 2 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
4、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
5、；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，
6、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： 1i =1394.21 kj/kg (15.0MPa， 310）； 一回路出口焓值： 1i =1284.45 kj/kg （ 15.0MPa， 290）； 二回路给水焓： fi =944.38 kj/kg (5.0MPa， 220）； 二回路饱和水温： st =263.94 （ 5.0MPa）； 二回路饱和水焓： si =1154.50kj/kg （ 5.0MPa）； 二回路
7、饱和蒸汽焓值： si =2794.23kj/kg（ 5.0MPa）； 2 二回路汽化潜热： r= si - si =2794.23-1154.50=1639.73kj/kg （ 5.0MPa）； 排污量： sDCD sd /kg26.1126*01.0 ； 干度： X=0.99； 换热量：79.231 279)(Q fsd iiDDDrX； 一回路水流量： sgiiQG /k43.212 8)(* 111 ； =0.99 为蒸汽发生器的热效率。 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： do=22mm； 节距选取为： t=1.4 do=30.8mm； 则最小节圆半径为： 错
8、误 !未找到引用源。 ； 负公差修正系数： =1.102； 弯曲减薄系数：min1 1. 0 8 24 oR dR ； 传热管壁厚： ,11 1 ,1 1 . 3 42 0 0 0 . 8设 设 o RPdS m mP， 此处取 1 1.5S mm ； 传热管内径： 12 1 9 iod d S m m； 单管流通面积： 22 53.2 8 341a mmdi ; 选取一回路侧水流速度为： smu /5.51 ; 一回路水平均比容： kgm /0 0 1 3 7 8 3.0v 31 （ 15.0MPa， 300，不饱和水） 则一回路侧流通面积为： 21 1 5534.0 muvGA U 型管数
9、目为： 188210*53.283 5534.06 aAn根据排管最后确定 U 型管数目为： 1886 2.3 换热面积的计算 一回路侧水导热系数： 1 0 .5 6 1 4 / ( ） Wm （ 15.0MPa， 300，不饱和水） 一回路侧水普朗特数： Pr 0.8616f （ 15.0MPa， 300，不饱和水） 2 一回路侧水动力粘度： -51 8 .8 3 3 1 0 k g /m s （ 15.0MPa， 300，不饱和水） 一回路侧 雷诺数 ： 5111 105 8 3 5.8Re vdu if 一回路侧换热系数： 2 9 5.3 5 7 5 4PrRe0 2 3.0 4.08.
10、011 ffid传热管导热系数： 17.4 / ( )w Wm （给定） 传热管壁热阻： 52l n 9 .2 7 1 0 /2 oow widdR m Wd污垢热阻： 522 .6 1 0 / fR m W （按 I-600选定） 传热温差： CtttttCtttCtttss12.35ln06.2606.46m i nm a xm i nm a xln1m i n1m a x在计算传热系数 k、热负荷 q 和二回路侧放热系数 2 时假设 k 值，进行了循环迭代。 其中： Intkq * 7.015.02 557.0 qp fwii RRddk 20 11*1 得： 2222 W / m;W
11、/ m;m2 7 6 6 2 . 7 5 W / qCkC 。 所需的传热面积： 2ln 89.1 2 3 2 mtkQF 传热裕度系数： C=1.1 设计传热面积： 218.1356CF mF 设 2.4 管束结构的计算 传热管总长 : m07.1 9 6 2 2dFL 0 设总2 传热管排列方式：按正方形排列 ; 最小 U 型管节圆直径： m1232.0t4D 节 实际布管数： n=1886根 管束直径： m3408.2Dtb 弯管段高为： m1 7 0 4.1RH m ax 弯 平均直径： m232.1DD21Dtb 节弯管总长： m83.3 6 4 9nD5.0 弯L 直管总长： m2
12、4.1 5 9 7 2LLL 弯总直 管束直段高： m2344.4n2LH 直直管束总高： m4 0 4 8.5HHH tb 弯直 2.5 强度计算 （ 1）衬筒内径： mD ttbwi 3708.22D 其 中 t 是装配间隙，约 1020mm，取 15mm。 衬筒外径： mD wiw 3 9 4 8.22D o ，其中是衬筒壁厚，给定为 12mm。 （ 2）下筒体内径： mBD woi 5 7 0 8.22D ，下 ，其中 B 为下降流道宽度，取为 88mm。 下筒体许用应力： =18kg/mm2 下筒体计算壁厚： m6.462.1200 D 2,2 设，下设， PPS i， mm48S
13、设计壁厚为： 下筒体外径为： m6 6 6 8.2S2D , 下下 io D （ 3）上筒体许用应力： =18kg/mm2 上筒体内径： mmDi 3200, 下 （给定） 2 上筒体计算壁厚： mm9.572.1200 D 2,2 设，上设， PPS i设计壁厚取为： mm59S 则上筒体外径为： m318.3S2DD i, ，上上o （ 4）球形下封头许用应力： =14.5kg/mm2 球形封头外径： m6668.2D ,0 下oD 计算壁厚： mm6.836.14 0 0 DS 101 设，设， PP， 设计壁厚取为： mm85S （ 5）管板许用应力： =1800kg/mm2 承压部分
14、直径： mDD i 4968.2 计算管板厚： mm3.4 2 321 1 设，PFDS ， 设计壁厚选取为： 440S mm 堆焊层厚度： 10堆 S mm （ 6）传热管实际平均 长度： mSnll 2 8 4.112 总 最长管子长： mHRl 0 2 6.13S22m a xm a x 直 最短管子长： m542.9S22m i nm i n 直HRl 2.6 主要管道内径的计算 主管道计算流速： sm/10u10 （选取， 812m/s) 主管道计算内径： muvGdi 6 1 1 6.04 10111 1 0 .6 2主 管 道 设 计 内 径 ： idm 2 1110 214 9
15、 .7 2 /主 管 道 设 计 流 速 ： iGvu m sd 32 ( 1 ) 0 . 0 3 9 0 6 4 /新 蒸 汽 比 容 ： v v x v x m k g 蒸汽管计算流速： 2 35 /u m s （选取， 3040m/s） 222 24 0.4231蒸 汽 管 计 算 内 径 ： i Gvdmu 蒸汽管设计内径： 2 0.43idm 222 224 3 3 . 8 9 /蒸 汽 管 设 计 流 速 ： iGvu m sd 二回路给 水比容： kgm /0 0 1 1 8 6 8.0v 33 给水管计算流速： 3 4/u m s （选取， 25m/s） 333 34 0.21
16、9给 水 管 计 算 内 径 ： i Gvdmu 给水管设计内径： 3 0.22idm 333 234 3 . 9 7 /给 水 管 设 计 流 速 ： iGvu m sd 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 s/m775.5u05.1u 11 一回路侧水雷诺数： 28.9 0 1 2 6 7Re111 vdu i 摩擦阻力系数： 0 1 0 2 6 9.0R3 1 6 4.0 25.0 e ； 2 平均壁温： Cttt sa 97.2815.0 ； 在此壁温下的动力粘度： 51 9 .5 4 4 1 0 P a s 温度修正系数： 9892.014.011
17、 ； 摩擦阻力 ： PavuHP f 24.55981de 121 直(2)局部阻力计算 下封头内径： mDi 4968.2 水室截面积： 22 4 4 8 1.28 mDFic 进口管内径： 1 0.62idm （与主管道相同） 进口管截面积： 2 2 211 0 . 6 2 0 0 . 3 0 244 iA d m突扩阻力系数： 7 7 0 4.01 211 cFA一回路侧水入口处比容： kgmi /001421.0v 31 （ 15.0MPa， 310） 111 214 9 .7 2 /入 口 管 内 流 速 ： iiiGvu m sd 从入口管到水室阻力 Pa49.2 5 5 9 42 12111 iiuP 水室转弯 45阻力系数： 875.02 （查表，线性插值） 水室弯转 45 阻力： PauP ii 14.2 9 0 6 62 12122 考虑堵管后截面积： 25093.005.1 mAA
