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1、压水堆蒸汽发生器的结构设计及其课程设计说明书第一章 绪 论一、蒸汽发生器概述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
2、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四分之一。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。二、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：蒸汽发生器及其部件的设计,必须供给核电站在任何运行
3、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。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。蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。蒸汽发生器单个零、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。必须排除加剧腐蚀的任何可能性,特别是一回路中的腐蚀。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。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。保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。在设
4、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。另外,必须采取减少向外散热损失的措施。三、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
5、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
6、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。四、目的和要求： 1、运用核动力设备课中所学的知识,并加以巩固、充实和提高。 2、掌握蒸汽发生器设计计算的标准方法。 3、具有初步综合考虑蒸汽发生器结构设计的能力。 4、培养学生查阅资料,合理选择和分析数据的能力,提高学生的运算、绘图等
7、基本技能。 5、培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责态度。五、任务：1、完成蒸汽发生器的方案设计与论证 2、完成蒸汽发生器的热力计算 3、完成蒸汽发生器的水动力计算 4、完成蒸汽发生器的强度计算 5、完成蒸汽发生器的结构设计 6、绘制蒸汽发生器的总图 7、编写设计说明书。第二章 课程设计的具体内容一、给定条件1、 蒸汽产量：D=126kg/s；2、 蒸汽干度：x=0.99；3、 蒸汽发生器的热效率：；4、 一回路侧额定工作压力：MPa；5、 一回路侧设计压力：6、 一回路侧冷却剂入口温度；7、 一回路侧冷却剂出口温度；8、 二回路侧给水温度：9、 二回路侧额定工作压力：MPa；10、二回路侧
8、设计压力：11、传热管壁导热系数： W/m12、传热管壁许用应力： kg/mm2；13、下筒体许用应力： kg/mm2；14、上筒体许用应力： kg/mm2；15、球形下封头许用应力： kg/mm2；16、管板许用应力： kg/mm2；17、传热管最小节距：,一般取为1.351.45；18、上筒体内径3200 mm,高度4000 mm。19、下降空间： 入口阻力系数=1；出口阻力系数=1；定位装置阻力系数=1；绝对粗糙度=0.15 mm。20、流量分配管板：(1) 单元面积=533 mm2; 单元开孔面积=216 mm2。二、蒸汽发生器的热力计算 1、完成一回路冷却剂对传热管内壁的强迫对流放热
9、计算,确定值：2、完成传热管壁的导热计算,确定管壁热阻值： 3、确定污垢热阻值： 对于不锈钢：/W 对于镍基合金：/W 一般污垢层厚度为0.05mm。 4、完成传热管外壁对二回路工质的沸腾换热计算,确定值 式中：pPa；q w/m2 5、完成传热系数k值的计算： 6、确定传热面积F值：式中：Q传热量；传热温差。设计传热面积 式中：C设计储备系数,一般取C=1.1。图1一回路侧水 力计算简图三、蒸汽发生器的水动力计算：主要包括：1、一回路侧水动力计算； 2、二回路侧循环倍率的计算：1、一回路侧水动力计算：计算的具体步骤：（1） 传热管内的摩擦阻力式中：摩擦阻力系数,按有关公式或图表求取；H管子长
10、度,m；di管子内直径,m； 一回侧路冷却剂的平均密度,kg/m3； 一回侧路冷却剂的平均流速,m/s； 2、局部阻力： 式中：局部阻力系数。值主要取决于通道的结构型式,通过实验求得,属于经验数据。 一回路侧总的局部阻力：其中：由进口管至进口水室,通道截然突然扩大的局部阻力在进口水室内转弯的局部阻力由进口水室至传热管束,通道截面突然缩少的局部阻力在U型管弯头内转弯180的局部阻力由传热管束至出口水室,通道截面突然扩大的局部阻力在出口水室内转弯的局部阻力由出口水室至出口接管,通道截面突然缩小的局部阻力一回路侧的水阻力：考虑贮备系数。其值为计算阻力的10% 因此：2、 二回路侧循环倍率的计算：在设
11、计中,常用图解法来确定循环倍率值和循环速度值。即先假定几个不同的循环倍率、值。分别计算其运动压头和总阻力,在直角坐标系里做出相应的曲线,二根曲线的交点即为稳定工况时的值,同时也可求出值。PmPCRPmPCR1CR2CR3 图2 用图解法计算循环倍率的曲线1运动压头Pm的计算：式中：上升空间含汽段高度。分别表示饱和水和饱和汽的密度；表示上升空间平均截面含汽率。2水循环总阻力的计算： 总阻力 其中：和分别表示下降空间、上升空间和分离器的阻力。 一般10%由实验确定 而式中：和分别表示摩擦阻力、局部阻力、弯头区阻力和加速度阻力,可按相应的公式进行计算。四、蒸汽发生器的强度计算： 主要内容有：1、传热
12、管的强度计算；2、筒体的强度计算；3、封头的强度计算；4、管板的强度计算。1、 传热管的强度计算：计算管壁厚度 mm式中：P设设计压力 kg/cm2do管子外径 mm许用应力。负公差修正系数,一般取=1.102弯曲减薄系数式中：R弯曲半径,取最小节圆半径。2筒体的强度计算：计算筒体厚度 mm式中：Di筒体内径mm3、球型封头的强度计算：计算壁厚 mm式中：Do球型封头外径mm4、 管板的强度计算：计算壁厚 mm式中：F系数,查TEMA标准F=1.04 D水压部分直径mm五、蒸汽发生器的结构设计： 主要完成下列工作： 1、管束组件的结构设计：确定流程数,完成传热管的排列,确定管束直径及高度,最佳
13、高-径比一般取为3；确定管子的固定支撑,确定隔板的数目和结构。 2、衬筒的结构设计：确定衬筒的几何形状和尺寸。衬筒内径：式中：为装配间隙,约1020 mm。衬筒外径：式中：为衬筒壁厚,取为12 mm。3、下筒体结构设计：下筒体内径式中：B为下降流道宽度,取为88 mm。 4、管板：确定开孔数及有关几何尺寸,确定堆焊层与筒体的连接。 5、分离器组件：采用三级汽水分离方式,但不做详细设计,其相应于循环倍率为3、4、5时的流动阻力人为设定为12600Pa、14900Pa、17090Pa。 6、给水管装置：确定给水管的结构,布置及有关几何尺寸。 7、排污装置：确定排污管的结构、布置及有关几何尺寸。六、
14、绘制蒸汽发生器的总图和主要部件图： 按着国家标准和制图要求绘制蒸发器总图一张和部件图12张。第三章 课程设计计算过程一、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：=1284.45 kJ/kg 15.0MPa,290；二回路给水焓：if =944.38 kJ/kg 5.0MPa,220；二回路饱和水温：=264 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/kg5.0MPa；二回路汽化潜热： r=-=2793.6-1154.2=1639.73kj/kg 5.0MPa
