核动力装置循环热力分析A-核动力装置.pptx

船舶核动力装置Marine Nuclear Power Plants核科学与技术学院核科学与技术学院（V2009.04.16）MNPP-C06-L1419-Apr-24核动力装置核动力装置26 核动力装置循环热力分析核动力装置循环热力分析6.1 核动力装置基本热力循环核动力装置基本热力循环6.2 热力循环分析热力循环分析6.3 核动力装置平衡计算核动力装置平衡计算6.4 分析方法分析方法6.5 核动力装置的核动力装置的 分析分析6.6 核动力装置热力线图分析核动力装置热力线图分析19-Apr-24核动力装置核动力装置36.1 核动力装置基本热力循环核动力装置基本热力循环l研究目的研究目的 从热力学的角度研究核动力装置能量应用的过程，找出能从热力学的角度研究核动力装置能量应用的过程，找出能量损失原因，指出提高核动力装置经济性的途径。量损失原因，指出提高核动力装置经济性的途径。l依据依据 工程热力学第一、第二定律，核动力装置中各系统和设备工程热力学第一、第二定律，核动力装置中各系统和设备之间能量转换、传输的机理以及各系统和设备之间的热力之间能量转换、传输的机理以及各系统和设备之间的热力学联系学联系l分析方法分析方法 热平衡分析法、热平衡分析法、分析法分析法19-Apr-24核动力装置核动力装置4 朗肯（朗肯（Rankine）循环及装置效率）循环及装置效率1 理想朗肯循环理想朗肯循环2 实际朗肯循环实际朗肯循环3 核动力循环热效率核动力循环热效率19-Apr-24核动力装置核动力装置51 理想的朗肯循环理想的朗肯循环l过程过程1-2：定温吸热过程：定温吸热过程l过程过程2-3：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程l过程过程3-4：定温放热过程：定温放热过程l过程过程4-1：绝热压缩过程：绝热压缩过程l由热力学第二定律可知，由热力学第二定律可知，在相同界限的温度之间，在相同界限的温度之间，卡诺循环的热效率最高。卡诺循环的热效率最高。图图6-1 饱和蒸汽的卡诺循环饱和蒸汽的卡诺循环19-Apr-24核动力装置核动力装置6饱和蒸汽卡诺循环实现的困难饱和蒸汽卡诺循环实现的困难l受热力系统的限制，吸热温度受热力系统的限制，吸热温度T1不可能很高；不可能很高；l饱饱和和蒸蒸汽汽在在汽汽轮轮机机内内膨膨胀胀作作功功时时，随随着着蒸蒸汽汽压压力力降降低低，湿湿度度相相应应增增大大，如如果果汽汽轮轮机机排排汽汽点点温温度度很很低低，则则相相应应的的蒸蒸汽汽湿度很大，严重影响汽轮机运行的经济性和安全性；湿度很大，严重影响汽轮机运行的经济性和安全性；l受受循循环环冷冷却却水水温温度度的的限限制制，定定温温放放热热过过程程的的温温度度T2不不可可能能太太低低。即即使使实实现现了了以以饱饱和和蒸蒸汽汽为为工工质质的的卡卡诺诺循循环环，由由于于热热源与冷源之间的温差源与冷源之间的温差T1T2不大，其理论热效率也不高；不大，其理论热效率也不高；l对对湿湿度度很很大大的的低低温温低低压压的的乏乏汽汽进进行行绝绝热热压压缩缩时时，因因其其比比容容甚大，势必耗功过大。甚大，势必耗功过大。19-Apr-24核动力装置核动力装置7图图6-2 饱和蒸汽的朗肯循环饱和蒸汽的朗肯循环过程过程1-2-3：定压吸热过程：定压吸热过程过程过程3-4：绝热膨胀过程：绝热膨胀过程过程过程4-5：定压放热过程：定压放热过程过程过程5-1：绝热压缩过程：绝热压缩过程19-Apr-24核动力装置核动力装置8朗肯循环与蒸汽卡诺循环的区别朗肯循环与蒸汽卡诺循环的区别l乏乏汽汽的的凝凝结结是是完完全全的的，完完全全凝凝结结使使循循环环中中多多了了一一段段不不饱饱和和水水的的加加热热过过程程4-5，减减小小了了循循环环的的平平均均温温差差，使使热热效效率率降降低低，但但压压缩缩水水较较压压缩缩汽汽水水混混合合物物方方便便得得多多，因因而而有有利利于于简简化化设设备；备；l水水的的加加热热不不在在定定温温下下进进行行，如如果果采采用用过过热热蒸蒸汽汽，在在过过热热区区加加热热也也不不是是定定温温条条件件，因因此此，朗朗肯肯循循环环的的热热效效率率低低于于相相同同温限间工作的卡诺循环。温限间工作的卡诺循环。l朗肯循环是各种复杂的蒸汽动力装置的基本循环。朗肯循环是各种复杂的蒸汽动力装置的基本循环。19-Apr-24核动力装置核动力装置9朗肯循环效率朗肯循环效率图图6-3 理想朗肯循环理想朗肯循环19-Apr-24核动力装置核动力装置102 实际的朗肯循环实际的朗肯循环l实际装置中各个过程是不实际装置中各个过程是不可逆的可逆的l工质流动过程存在能量损工质流动过程存在能量损失，如蒸汽从蒸汽发生器失，如蒸汽从蒸汽发生器出口送至主汽轮机入口，出口送至主汽轮机入口，有摩擦和散热有摩擦和散热l蒸汽在汽轮机内的膨胀过蒸汽在汽轮机内的膨胀过程存在能量损失，实际过程存在能量损失，实际过程为程为3-4a图图6-4 实际朗肯循环实际朗肯循环19-Apr-24核动力装置核动力装置11（1）汽轮机内部膨胀过程的能量损失）汽轮机内部膨胀过程的能量损失l蒸汽在汽轮机通流部分流蒸汽在汽轮机通流部分流动、膨胀，存在着摩擦、动、膨胀，存在着摩擦、泄漏、余速等各种损失泄漏、余速等各种损失l使蒸汽在汽轮机内部的焓使蒸汽在汽轮机内部的焓降减小降减小19-Apr-24核动力装置核动力装置12汽轮机相对内效率汽轮机相对内效率l用汽轮机相对内效率表征蒸汽在汽轮机内部膨胀过程的能用汽轮机相对内效率表征蒸汽在汽轮机内部膨胀过程的能量损失量损失19-Apr-24核动力装置核动力装置13（2）管道流动过程的能量损失）管道流动过程的能量损失l 主蒸汽系统主蒸汽系统 蒸汽发生蒸汽发生器出口至汽轮机入口，由器出口至汽轮机入口，由于摩擦和散热，使蒸汽参于摩擦和散热，使蒸汽参数降低数降低l汽轮机排汽口至冷凝器入汽轮机排汽口至冷凝器入口，由于摩擦使排汽参数口，由于摩擦使排汽参数升高升高l降低了蒸汽的做功能力，降低了蒸汽的做功能力，使输出功率减少使输出功率减少19-Apr-24核动力装置核动力装置14管道损失系数管道损失系数l用管道损失系数表征蒸汽在进入汽轮机以及从汽轮机流出用管道损失系数表征蒸汽在进入汽轮机以及从汽轮机流出过程的能量损失过程的能量损失l管道损失系数的取值范围一般为管道损失系数的取值范围一般为0.950.9819-Apr-24核动力装置核动力装置153 核动力装置的效率核动力装置的效率l核动力装置中的能量转换和传递过程：核动力装置中的能量转换和传递过程：核裂变能核裂变能热能热能机械能机械能电能电能l热能转换为机械能是通过朗肯循环实现的；热能转换为机械能是通过朗肯循环实现的；l热热量量传传递递过过程程中中存存在在着着泄泄漏漏、流流动动摩摩擦擦、散散热热等等因因素素，导导致能量损失；致能量损失；l机械能在传递过程中由于摩擦等原因也存在着能量损失；机械能在传递过程中由于摩擦等原因也存在着能量损失；l核核动动力力装装置置效效率率用用于于衡衡量量反反应应堆堆的的热热功功率率有有多多少少转转换换为为送送到推进器上的机械能，即能量利用的有效程度到推进器上的机械能，即能量利用的有效程度19-Apr-24核动力装置核动力装置16（1）热量传递过程）热量传递过程1QRQsl一回路能量利用系数一回路能量利用系数19-Apr-24核动力装置核动力装置17（1）热量传递过程）热量传递过程2QsQ1l二回路能量利用系数二回路能量利用系数19-Apr-24核动力装置核动力装置18（2）热功转换过程）热功转换过程q1wtl汽轮机的内功率汽轮机的内功率19-Apr-24核动力装置核动力装置19（3）机械能传递过程）机械能传递过程图图6-5 汽轮机功率传递过程汽轮机功率传递过程19-Apr-24核动力装置核动力装置20核动力装置的效率核动力装置的效率l核潜艇：核潜艇：0.160.21l核动力水面舰艇：核动力水面舰艇：0.200.26l小型核电站：小型核电站：0.250.28l大型核电站：大型核电站：0.300.3519-Apr-24核动力装置核动力装置216.2 热力循环分析热力循环分析6.2.1 影响热力循环效率的主要因素影响热力循环效率的主要因素6.2.2 再热循环再热循环6.2.3 回热循环回热循环6.2.4 核动力装置热力线图核动力装置热力线图19-Apr-24核动力装置核动力装置226.2.1 影响热力循环效率的主要因素影响热力循环效率的主要因素l蒸汽初参数提高，则热蒸汽初参数提高，则热力循环的平均吸热温度力循环的平均吸热温度提高，可以提高循环热提高，可以提高循环热效率效率1 蒸汽初参数的影响蒸汽初参数的影响19-Apr-24核动力装置核动力装置23提高蒸汽初参数的不利影响提高蒸汽初参数的不利影响l汽轮机出口蒸汽湿度增加。如果汽轮机排汽湿度过大，将汽轮机出口蒸汽湿度增加。如果汽轮机排汽湿度过大，将对汽轮机最末几级叶片产生冲蚀，影响汽轮机的运行安全，对汽轮机最末几级叶片产生冲蚀，影响汽轮机的运行安全，同时还会降低汽轮机的内效率。在工程中，一般要求汽轮同时还会降低汽轮机的内效率。在工程中，一般要求汽轮机乏汽湿度不高于机乏汽湿度不高于12%。l蒸汽发生器运行压力提高，要求给水泵扬程增加，既增大蒸汽发生器运行压力提高，要求给水泵扬程增加，既增大了给水泵叶轮的轴向推力，对于单位质量流量的工质而言，了给水泵叶轮的轴向推力，对于单位质量流量的工质而言，还使给水泵消耗的功率增加。还使给水泵消耗的功率增加。l对蒸汽发生器、汽轮机、蒸汽管道及阀门的强度、耐温性对蒸汽发生器、汽轮机、蒸汽管道及阀门的强度、耐温性能要求提高，设备投资增大。能要求提高，设备投资增大。19-Apr-24核动力装置核动力装置24图图6-7 蒸汽发生器一、二次侧工质温度分布蒸汽发生器一、二次侧工质温度分布19-Apr-24核动力装置核动力装置25一、二回路参数的相互制约一、二回路参数的相互制约19-Apr-24核动力装置核动力装置26提高蒸汽初参数的主要限制因素提高蒸汽初参数的主要限制因素1l提高一次侧冷却剂温度，在蒸汽发生器结构参数和传热条提高一次侧冷却剂温度，在蒸汽发生器结构参数和传热条件不变的情况下，使二次侧蒸汽参数相应提高。件不变的情况下，使二次侧蒸汽参数相应提高。l堆芯燃料元件包壳广泛采用锆堆芯燃料元件包壳广泛采用锆-4合金制造，与高温水接触合金制造，与高温水接触会发生金属会发生金属-水化学反应并放出反应热：水化学反应并放出反应热：Zr+2H2O ZrO2+2H2+热热l产产生生的的氢氢和和热热量量将将使使包包壳壳脆脆化化，最最终终导导致致元元件件破破裂裂或或熔熔化化。因因此此，在在反反应应堆堆热热工工设设计计中中，通通常常将将堆堆芯芯燃燃料料元元件件包包壳壳与与冷却剂相接触的外表面最高温度限制在冷却剂相接触的外表面最高温度限制在350以下。以下。l通过提高一次侧冷却剂温度来提高蒸汽初参数，潜力有限通过提高一次侧冷却剂温度来提高蒸汽初参数，潜力有限19-Apr-24核动力装置核动力装置27提高蒸汽初参数的主要限制因素提高蒸汽初参数的主要限制因素2l减小蒸汽发生器一、二次侧的平均换热温差减小蒸汽发生器一、二次侧的平均换热温差tm，在一次，在一次侧冷却剂参数不变的情况下，提高二次侧蒸汽参数。侧冷却剂参数不变的情况下，提高二次侧蒸汽参数。l可以采用强化换热措施，在蒸汽发生器有效传热面积可以采用强化换热措施，在蒸汽发生器有效传热面积 F 保保持不变时，减小平均换热温差持不变时，减小平均换热温差tm；也可以通过增大；也可以通过增大 F来来减小减小tm，而这都需要增加设备投资费用。，而这都需要增加设备投资费用。l恰当地平衡一、二回路参数可使运行成本最低，这里存在恰当地平衡一、二回路参数可使运行成本最低，这里存在最佳值的选择问题，此时，增加循环热效率所带来的得益最佳值的选择问题，此时，增加循环热效率所带来的得益正好为所增加的投资及装置运行费用所平衡。正好为所增加的投资及装置运行费用所平衡。19-Apr-24核动力装置核动力装置282 蒸汽终参数的影响蒸汽终参数的影响l蒸汽终参数降低，则热蒸汽终参数降低，则热力循环的平均放热温度力循环的平均放热温度减小，可以提高循环热减小，可以提高循环热效率效率19-Apr-24核动力装置核动力装置29降低蒸汽终参数的不利影响降低蒸汽终参数的不利影响l会增加汽轮机排汽湿度，不利于汽轮机安全、经济运行；会增加汽轮机排汽湿度，不利于汽轮机安全、经济运行；l过多地降低蒸汽终压，将使蒸汽在汽轮机喷嘴出口处斜切过多地降低蒸汽终压，将使蒸汽在汽轮机喷嘴出口处斜切口中膨胀，而在斜切口中的膨胀能力用尽时，蒸汽将在级口中膨胀，而在斜切口中的膨胀能力用尽时，蒸汽将在级外膨胀，有用焓降不再变化；外膨胀，有用焓降不再变化；l凝汽器出口水温降低，需要增大第一级给水回热器中的加凝汽器出口水温降低，需要增大第一级给水回热器中的加热蒸汽量，使得通过汽轮机低压缸最后几级的蒸汽流量减热蒸汽量，使得通过汽轮机低压缸最后几级的蒸汽流量减少，汽轮机发出的功率下降。少，汽轮机发出的功率下降。19-Apr-24核动力装置核动力装置30图图6-9 冷凝器传热过程的温度变化冷凝器传热过程的温度变化19-Apr-24核动力装置核动力装置31降低蒸汽终参数的主要限制因素降低蒸汽终参数的主要限制因素1l核动力装置中循环冷却水起到冷源的作用。汽轮机排汽在核动力装置中循环冷却水起到冷源的作用。汽轮机排汽在凝汽器中凝结成水，其冷凝温度一定要大于循环冷却水温凝汽器中凝结成水，其冷凝温度一定要大于循环冷却水温度，以保证有足够大的传热温差，因此，循环冷却水的温度，以保证有足够大的传热温差，因此，循环冷却水的温度是蒸汽循环中排汽温度的理论极限；度是蒸汽循环中排汽温度的理论极限；l核动力装置的在运行区域不同，循环冷却水的温度也有所核动力装置的在运行区域不同，循环冷却水的温度也有所不同，如我国北方地方取为不同，如我国北方地方取为18，而南方地区取为，而南方地区取为24；l汽轮机的排汽压力一般取为汽轮机的排汽压力一般取为4.45.4kPa，对应的冷凝温度，对应的冷凝温度为为30左右。左右。19-Apr-24核动力装置核动力装置32降低蒸汽终参数的主要限制因素降低蒸汽终参数的主要限制因素2l循环冷却水的进出口温升循环冷却水的进出口温升tw 及凝结蒸汽与循环冷却水出及凝结蒸汽与循环冷却水出口温度之间的端差口温度之间的端差t 构成了排汽温度的技术极限；构成了排汽温度的技术极限；l若减小循环冷却水温升若减小循环冷却水温升tw，要求增大循环冷却水流量及，要求增大循环冷却水流量及相应的循环泵功率，从而使运行费用增加；另一方面，相应的循环泵功率，从而使运行费用增加；另一方面，tw 减小可以使凝汽器的传热面积减小，又会降低设备投减小可以使凝汽器的传热面积减小，又会降低设备投资费用；资费用；l为了保证凝汽器中传热过程的顺利进行，要求端差为了保证凝汽器中传热过程的顺利进行，要求端差t 取足取足够大的值，因此，够大的值，因此，t 的减小是极其有限的。的减小是极其有限的。19-Apr-24核动力装置核动力装置33思考题思考题1.饱和蒸汽朗肯循环包括哪几个过程？循环效率如何表示？饱和蒸汽朗肯循环包括哪几个过程？循环效率如何表示？2.汽轮机相对内效率的物理意义是什么汽轮机相对内效率的物理意义是什么?3.管道摩擦系数的物理意义是什么管道摩擦系数的物理意义是什么?4.影响核动力装置效率的主要因素有哪些？影响核动力装置效率的主要因素有哪些？5.提高蒸汽初参数对装置有何影响？限制因素有哪些？提高蒸汽初参数对装置有何影响？限制因素有哪些？6.降低蒸汽终参数对装置有何影响？限制因素有哪些？降低蒸汽终参数对装置有何影响？限制因素有哪些？