核动力装置循环热力分析D-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（V2009.04.04）MNPP-C06-L174/22/2024核动力装置核动力装置26.5 核动力装置核动力装置 分析分析l根据核电厂中主要系统和设备的工作特点，可以大致分为根据核电厂中主要系统和设备的工作特点，可以大致分为以下几大类：以下几大类：1.反应堆；反应堆；2.泵类（主泵、凝水泵、给水泵等）；泵类（主泵、凝水泵、给水泵等）；3.换热设备（蒸汽发生器、蒸汽再生器、给水加热器、凝汽换热设备（蒸汽发生器、蒸汽再生器、给水加热器、凝汽器等）；器等）；4.主汽轮发电机组；主汽轮发电机组；5.其它设备（汽水分离器、主蒸汽管道等）。其它设备（汽水分离器、主蒸汽管道等）。4/22/2024核动力装置核动力装置3 损失损失l核能转变为热能的损失核能转变为热能的损失l反应堆中的换热损失反应堆中的换热损失l蒸汽发生器中的换热损失蒸汽发生器中的换热损失l给水回热系统的换热损失给水回热系统的换热损失l辅助设备工作引起的损失辅助设备工作引起的损失l主冷凝器中的换热损失主冷凝器中的换热损失l主汽轮机中的损失主汽轮机中的损失 4/22/2024核动力装置核动力装置41.反应堆内的反应堆内的 损失损失l反应堆在运行过程中，堆芯核燃料发生裂变反应，放出大反应堆在运行过程中，堆芯核燃料发生裂变反应，放出大量热能；同时，冷却剂流过堆芯，将堆芯释热带出堆外。量热能；同时，冷却剂流过堆芯，将堆芯释热带出堆外。l因此，反应堆内具有核裂变能转换为热能以及核燃料释热因此，反应堆内具有核裂变能转换为热能以及核燃料释热传递给冷却剂两个热力过程。传递给冷却剂两个热力过程。堆内核能转换为热能过程堆内核能转换为热能过程堆内核燃料释热传递给冷却剂过程堆内核燃料释热传递给冷却剂过程4/22/2024核动力装置核动力装置5l从从热热力力学学的的观观点点来来看看，核核能能都都是是，如如果果忽忽略略核核裂裂变变过过程程中中的的能能量量损损失失，则则核核能能从从数数值值上上应应等等于于反反应应堆堆热热功功率率，即即l核核裂裂变变过过程程中中，堆堆芯芯核核燃燃料料释释热热所所具具有有的的取取决决于于释释热热时时的核燃料温度。即的核燃料温度。即l堆内核能转化为热能过程中，堆内核能转化为热能过程中，损失为损失为 堆内核能转换为热能过程的堆内核能转换为热能过程的 损失损失4/22/2024核动力装置核动力装置6图图6-22 堆芯功率分布假设堆芯功率分布假设设设堆堆芯芯为为无无反反射射层层、均均匀匀装装载载的的圆圆柱柱体体，且且释释热热沿沿堆堆芯芯高高度的轴向分布遵循正弦规律度的轴向分布遵循正弦规律4/22/2024核动力装置核动力装置7堆芯功率、温度分布规律堆芯功率、温度分布规律4/22/2024核动力装置核动力装置8堆内核燃料释热传递给冷却剂过程的堆内核燃料释热传递给冷却剂过程的 损失损失l冷却剂流经堆芯吸收的热量所具有的冷却剂流经堆芯吸收的热量所具有的 为为l堆芯换热过程的堆芯换热过程的 损失为损失为4/22/2024核动力装置核动力装置9反应堆内反应堆内 损失原因分析损失原因分析l堆内核能转换为热能过程堆内核能转换为热能过程 核能全部是核能全部是 ，热能只有部分，热能只有部分 ，从核能转换为热能，从核能转换为热能，能量形式变化，能质下降能量形式变化，能质下降l堆内核燃料释热传递给冷却剂过程堆内核燃料释热传递给冷却剂过程 堆芯核燃料释热温度远高于冷却剂吸热温度，即传热过程堆芯核燃料释热温度远高于冷却剂吸热温度，即传热过程存在较大的温差，从而造成了存在较大的温差，从而造成了 损失损失4/22/2024核动力装置核动力装置106.5.2蒸汽发生器的损失蒸汽发生器的损失l冷却剂将反应堆产生的热能带出，在蒸汽发生器中将热能冷却剂将反应堆产生的热能带出，在蒸汽发生器中将热能传给二回路工质。在蒸汽发生器的换热过程中，由于冷却传给二回路工质。在蒸汽发生器的换热过程中，由于冷却剂和二回路工质之间存在着传热温差，因而剂和二回路工质之间存在着传热温差，因而 产生损失。产生损失。4/22/2024核动力装置核动力装置11l在每一个区段冷却剂的温度和二回路工质的温度均为线性变化，每个区段在每一个区段冷却剂的温度和二回路工质的温度均为线性变化，每个区段的损失均等于该区段的一次侧冷却剂放出的热量与二次侧工质吸收的热差，的损失均等于该区段的一次侧冷却剂放出的热量与二次侧工质吸收的热差，总的损失为三个区段损失之和总的损失为三个区段损失之和4/22/2024核动力装置核动力装置12蒸汽发生器预热段损失蒸汽发生器预热段损失二次侧二次侧:损失损失:一次侧一次侧:4/22/2024核动力装置核动力装置136.5.3给水回热系统的给水回热系统的energy损失损失l给水回热是利用辅机排出的废汽或主汽轮机的抽给水回热是利用辅机排出的废汽或主汽轮机的抽汽来加热蒸汽发生器的给水，以提高给水温度，汽来加热蒸汽发生器的给水，以提高给水温度，进而改善热力循环的效率。进而改善热力循环的效率。l在给水加热器中，加热蒸汽与给水之间存在换热在给水加热器中，加热蒸汽与给水之间存在换热温差，因此在换热过程中必然要产生损失温差，因此在换热过程中必然要产生损失 4/22/2024核动力装置核动力装置14放出放出吸收吸收损失损失损失系数损失系数4/22/2024核动力装置核动力装置15 泵类的泵类的 损失损失l电动泵电动泵电动机电动机泵泵l汽动泵汽动泵汽轮机汽轮机泵泵4/22/2024核动力装置核动力装置16电动机的电动机的 损失损失l对对于于电电动动泵泵，驱驱动动电电机机在在工工作作过过程程中中由由于于电电枢枢绕绕组组中中的的铜铜损损、铁铁损损和和机机械械摩摩擦擦使使得得部部分分电电能能和和机机械械能能耗耗散散为为热热能能，被被设设备备冷却水带走或者散失到周围环境中冷却水带走或者散失到周围环境中;l电动机的电动机的损失为损失为Nm 电动机的输入功率；电动机的输入功率；Np 泵的输入功率。泵的输入功率。4/22/2024核动力装置核动力装置17泵的泵的 损失损失l泵泵在在工工作作过过程程中中，由由于于水水力力、流流量量及及机机械械等等损损失失使使部部分分机机械械能耗散为热能，这些耗散的能量基本上被流体所吸收；能耗散为热能，这些耗散的能量基本上被流体所吸收；l泵的泵的损失为损失为Ne 泵的有效功率；泵的有效功率；T0 环境的绝对温度；环境的绝对温度；Tf 泵所输送流体的平均温度。泵所输送流体的平均温度。4/22/2024核动力装置核动力装置18l核核电电厂厂热热力力系系统统中中主主要要的的换换热热设设备备有有蒸蒸汽汽发发生生器器、凝凝汽汽器器、蒸蒸汽汽再再热热器器、给给水水加加热热器器等等，这这些些设设备备的的工工作作过过程程各各不不相相同，但本质相同；同，但本质相同；l加热介质放出的热量：加热介质放出的热量：l吸热介质吸收的热量：吸热介质吸收的热量：3.换热设备的换热设备的 损失损失4/22/2024核动力装置核动力装置19l加热介质放热量的加热介质放热量的 值值l吸热介质吸热量的吸热介质吸热量的 值值l换热过程的换热过程的 损失损失 换热过程的换热过程的 损失损失4/22/2024核动力装置核动力装置20换热设备换热设备 损失原因分析损失原因分析l换热过程存在换热温差，是造成换热过程存在换热温差，是造成 损失的根本原因损失的根本原因l向环境的散热，造成了外部向环境的散热，造成了外部 损失损失 4/22/2024核动力装置核动力装置21冷凝器冷凝器 损失原因分析损失原因分析冷凝器的冷凝器的 损失损失 换热温差引起的换热温差引起的 损失损失 散热引起的散热引起的 损失损失 循环冷却水带入环境引起的循环冷却水带入环境引起的 损失损失4/22/2024核动力装置核动力装置226.5.6.主汽轮的主汽轮的 损失损失l从热力学的角度来看，汽轮机的工作包括以下三个能量从热力学的角度来看，汽轮机的工作包括以下三个能量过程：过程：蒸汽在汽轮机进、出口管道内的流动损失；蒸汽在汽轮机进、出口管道内的流动损失；蒸汽在汽轮机通流部分膨胀做功而产生的各类损失；蒸汽在汽轮机通流部分膨胀做功而产生的各类损失；汽轮机输出的机械能在通过汽轮机轴承、齿轮减速器传汽轮机输出的机械能在通过汽轮机轴承、齿轮减速器传递到推进器轴系时产生的摩擦损失。递到推进器轴系时产生的摩擦损失。4/22/2024核动力装置核动力装置236.6 核动力装置热线图分析核动力装置热线图分析l在设计和论证阶段，热线图是确定核动力装置技术经济指在设计和论证阶段，热线图是确定核动力装置技术经济指标的重要依据。经过分析、优化而确定下来的热线图方案，标的重要依据。经过分析、优化而确定下来的热线图方案，除了保证装置在运行时具有较高的经济性以外，还应满足除了保证装置在运行时具有较高的经济性以外，还应满足工作可靠、机动性好、重量尺寸小和造价低等许多重要指工作可靠、机动性好、重量尺寸小和造价低等许多重要指标。标。l受重量、尺寸的限制，船舶核动力装置的二回路系统一般受重量、尺寸的限制，船舶核动力装置的二回路系统一般不采用再热循环，采取的回热循环。不采用再热循环，采取的回热循环。l对核动力装置热线图的分析，主要是研究无回热循环、有对核动力装置热线图的分析，主要是研究无回热循环、有回热循环以及装置热力参数对核动力装置热经济性的影响，回热循环以及装置热力参数对核动力装置热经济性的影响，确定符合装置最大效率的这些参数的数值。确定符合装置最大效率的这些参数的数值。4/22/2024核动力装置核动力装置246.6.16.6.1无回热循环的热线图无回热循环的热线图 图图6-25无回热循环的核动力装置热线图无回热循环的核动力装置热线图4/22/2024核动力装置核动力装置25Energy损失系数损失系数：反应堆内核能转变成热能：反应堆内核能转变成热能：堆芯热量传递：堆芯热量传递：蒸汽发生器：蒸汽发生器：给水回热：给水回热：辅助设备：辅助设备：主冷凝器：主冷凝器：主汽轮机：主汽轮机4/22/2024核动力装置核动力装置26图图6-26核动力装置温度分布图核动力装置温度分布图6-27核动力装置损失系数分布核动力装置损失系数分布4/22/2024核动力装置核动力装置27反应堆内核裂变能转变为热能过程的损失最大反应堆内核裂变能转变为热能过程的损失最大l因为核能是高质能，热能是低质能，高质能向低因为核能是高质能，热能是低质能，高质能向低质能转换造成了较大的做功能力损失质能转换造成了较大的做功能力损失l减小这项损失的措施有两个方面减小这项损失的措施有两个方面提高核燃料的释热温度提高核燃料的释热温度采用适当装置将核能直接变为电能或机械能采用适当装置将核能直接变为电能或机械能 4/22/2024核动力装置核动力装置28堆芯热量传递过程的损失堆芯热量传递过程的损失l原因是堆芯核燃料与流经堆芯的冷却剂之间存在原因是堆芯核燃料与流经堆芯的冷却剂之间存在较大的传热温差较大的传热温差 l基本措施是基本措施是减小传热温差减小传热温差l维持堆芯核燃料释热的温度水平不变，在堆芯热维持堆芯核燃料释热的温度水平不变，在堆芯热工设计时应尽量使热阻最小，以提高堆芯冷却剂工设计时应尽量使热阻最小，以提高堆芯冷却剂平均温度平均温度。冷却剂温度提高提高二回路蒸汽初参数，有利于冷却剂温度提高提高二回路蒸汽初参数，有利于改善热循环效率；改善热循环效率；冷却剂温度提高，还有利于减小蒸汽发生器的传冷却剂温度提高，还有利于减小蒸汽发生器的传热面积，降低蒸汽发生器的重量尺寸。热面积，降低蒸汽发生器的重量尺寸。4/22/2024核动力装置核动力装置29蒸汽发生器中的损失蒸汽发生器中的损失l原因：原因：一次侧冷却剂与二次侧工质之间存在着换热温差一次侧冷却剂与二次侧工质之间存在着换热温差l减小换热温差可以减小该项损失，但是增大了换热面。使减小换热温差可以减小该项损失，但是增大了换热面。使蒸汽发生器的重量和尺寸加大。采用过热蒸汽也会使蒸汽蒸汽发生器的重量和尺寸加大。采用过热蒸汽也会使蒸汽发生器中损失增大，过热蒸汽可以降低汽轮机内的损失。发生器中损失增大，过热蒸汽可以降低汽轮机内的损失。l降低蒸汽发生器换热过程中的损失的方法降低蒸汽发生器换热过程中的损失的方法l提高蒸汽的初压、选择适当的过热蒸汽温度提高蒸汽的初压、选择适当的过热蒸汽温度l采用给水回热采用给水回热l蒸汽发生器外表面向周围介质散热，也会引起工质损失。蒸汽发生器外表面向周围介质散热，也会引起工质损失。4/22/2024核动力装置核动力装置301.蒸汽初温对蒸汽初温对energy的影响的影响4/22/2024核动力装置核动力装置312.废气压力对废气压力对energy 损失损失的影响的影响4/22/2024核动力装置核动力装置323.辅机驱动形式辅机驱动形式energy 损失损失的影响的影响4/22/2024核动力装置核动力装置336.6.3热线图比较热线图比较 l四种型式热线图四种型式热线图l型式型式为有电气化辅机而无回热的热线图为有电气化辅机而无回热的热线图l型式型式为有一系列汽轮辅机而无回热的热线图。为有一系列汽轮辅机而无回热的热线图。l型式型式为用辅机废汽加热给水的热线图为用辅机废汽加热给水的热线图l型式型式为主机抽汽加热给水的热线图。为主机抽汽加热给水的热线图。4/22/2024核动力装置核动力装置341.1.辅机废气回热辅机废气回热 图图6-31辅机废气加热给水的热线图辅机废气加热给水的热线图4/22/2024核动力装置核动力装置35图图6-32加热蒸汽压力对损失系数的影响加热蒸汽压力对损失系数的影响4/22/2024核动力装置核动力装置36图图6-33加热蒸汽压力与给水加热程度的关系加热蒸汽压力与给水加热程度的关系4/22/2024核动力装置核动力装置372.2.主机抽汽回热主机抽汽回热 图图6-34主机抽汽加热给水的热线图主机抽汽加热给水的热线图4/22/2024核动力装置核动力装置38图图6-35主机抽汽压力与损失图主机抽汽压力与损失图4/22/2024核动力装置核动力装置39图图6-37不同线图的不同线图的energy损失损失