蒸汽发生器课程设计计算.docx

蒸汽发生器课程设计说明书学院：核科学与技术学院09级目录第一章 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绪论第一章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 2~5 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2.1根据热平衡确定换热量一回路进口焓值:i'=1394.21 kj/kg (15.0MPa, 310°C)；1一回路出口焓值: i''=1284.45 kj/kg (15.0MPa,290C)；1i二回路给水焓: f=944.38 kj/kg (5.0MPa,220C)；二回路饱和水温: t =264C (5.0MPa)；s二回路饱和水焓: i =1154.50kj/kg (5.0MPa)；s二回路饱和蒸汽焓值: i''=2793.6 kj/kg(5.0MPa)； s二回路汽化潜热: r=i''-i =2793.6-1154.2=1639.73kj/kg (5.0MPa)ss排污量：D 二 CD 二 0.01 x 126 二 1.26kg / s ds干度：x=0.99:换热量：Q = Drx + (D + Dd)(is — if) = 231278.98一回路水流量：二 2128.40 kg{Q耳(i'一 i”)11=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：d0=22mm；节距选取为：t=1.4*d =30.8mm ；0则最小节圆半径为：R min = 2t = 61.6mm ； 负公差修正系数：9 =1.102；弯曲减薄系数：9R4R1.082 ；min一回路侧设计压：P = 1.25P = 15*1000000/9.8*10—4kg /cm2 = 191.3265kg /cm2设,1 1传热管壁厚：S1 =Pd设1 o Q©200Q ] + 0.8P R1 设,1=1.34mm此处取S = 1.5mm1传热管内径：d = d 一 2S = 19mmi o 1单管流通面积：a =—兀 d 2 =—兀 x192 = 284mm24 i 4选取一回路侧水流速度为：u = 5.0m / s1一回路水平均比容：v = 0.001378m3 / kg （i5.0MPa, 300°C，饱和水）1Gv则一回路侧流通面积为：A = —^ = 0.5866m2u—U型管数目为：n = - = Gv—仏=^28.40*0001378 /5 = 2069根据排管最后确定U型管数目为: a a 284n=20862.3 换热面积的计算一回路侧水导热系数：九广 0.5614W/（m - C） （15.0MPa, 300C，饱和水）一回路侧水普朗特数：Pr = 0.8616 （15.0MPa, 300C，饱和水）f一回路侧水动力粘度：耳=8.833x10-5kg/m・s （15.0MPa, 300C，饱和水）1一回路侧雷诺数： ReJud===7.8 x 105 卩耳V11九—回路侧换热系数：a = 0.023-+Re o.8 Pr 0.4 = 33128.72— d f fi传热管导热系数：九=17.4W / （m・°C）（给定）w传热管壁热阻：R =-wddlIn o = 9.27 x10-5m2 - C / W 2九 dwi污垢热阻：R = 2.6x10-5m2 ・°C/W （按 i-600选定） fAt = t' -1 = 310 - 264 = 46Cmax 1 s传热温差：At = t'' -t = 290 - 264 = 26Cmin 1 sAt - At 46 - 26At = —max min = = 35Cln "At J 46ln max ln At 26min一 (d 1 1假设一个q值，进行迭代可以求得试取k = -o — + R + R +— = 5258W/'m2 - K(—a w f a 丿i 1 2则此时的热负荷为：q = k - At = 1.846x 105W / m2lna = 0.557p0.15q0.7 = 27357.7W / (m2 - °C)2s所需传热面积：F = —Q = 1252.80m2k - A tln传热裕度系数：C=l.l设计传热面积： F =C-F = 1378.08m2 设2.4 管束结构的计算F传热管总长：L = 设=19939m 总 兀—o传热管排列方式：按正方形排列最小 U 型管节圆直径： D = 4t = 0.1232 m节实际布管数：n=2086根管束直径： D = 2.34mtb弯管段高为：D = 1.17mmmax平均直径： D = 0.5 x (0.1232 + 1.17) = 0.6466m弯管总长：L界=0.5兀D - n = 4036.87m弯直管总长：L = L - L = 19939 - 4036.87 = 15902.13m直 总 弯管束直段高：H直=Ln = 3.8m管束弯段高： H = 0.5D =1.17m弯 max管束总高：Htb - H直+ H弯=4.98〃2.5 强度计算(1)衬筒内径：D = D + 25 = 2.38mwi 管束 t其中§t是装配间隙，约10~20mm，取20mm。

给定为12mm 46.72mm衬筒外径：D二D + 25二2.404m，其中5是衬筒壁厚,wo wi(2)下筒体内径：D 二 D + 2B 二 2.58mi ,下 wo其中B为下降流道宽度，取为88mm二回路侧设计压力：P 二 1.25P 二 63.7755kg /cm2设，2 s下筒体许用应力：[o]=18kg/mm2P • D下筒体计算壁厚：下筒体计算壁厚：S'= 设，牙-2000 ] —1.2P设，2设计壁厚为：S = 47mm下筒体外径为：D 二D +2S二2675mmo，下 i，下(3)上筒体许用应力：]o]=18kg/mm2上筒体内径：D = 3200mm (给定)i,上P •D上筒体计算壁厚：S'= 设， a上 =57.92mm200R ] —1.2P设，2设计壁厚取为： S = 58mm 则上筒体外径为： D = D + 2S = 3.316m上 i,上(4)球形下封头许用应力：R ] = 14.5kg /mm2球形封头外径： D = D = 2675mmosP • D计算壁厚：S'= 设，o = 83.82mm400R ] +1.6P设，1设计壁厚取为：s = 84mm⑸管板许用应力：2 ]二1800kg /mm2承压部分直径：D = D = 2581mmi计算壁厚：S'= 2 FdJ^，/]- 437.57mm设计壁厚选取为：S = 440mm堆焊层厚度：S二10mm堆（6）传热管实际平均长度：l = ^总+ 2S = 10.44m n 总最长管子长：/ =兀R + 2H + 2S = 15.86mmax max 直最短管子长：/ =兀R + 2H + 2S = 8.89mmax min 直2.6 主要管道内径的计算主管道计算流速：u' = 10m / s （选取，8~12m/s）10主管道计算内d'=..丄1 = 0.61m "V n u'' 10主管道设计内径： d = 0.62 m1i主管道设计流速：u = °G/1 = 9.72m / s10 n d 21i新蒸汽比容：v = v”x + v'(1-x) = 0.039064m3 /kg2蒸汽管计算流速：u' = 35m/s （选取，30~40m。