蒸发器设计说明书.doc

蒸汽发生器课程设计说明书 学 院：核科学与技术学院 姓 名：邹宇飞 学 号： 指导老师：孙中宁 时 间：2023年11月22日前 言在压水堆核电站中，蒸汽发生器是一回路系统中的一个重要设备，具有尺寸大、重量重、设计、制造复杂、作用大的特点，再设计和制造方面被称为当代热互换器技术的最高水平。长期以来国际上压水堆核电站蒸汽发生器经常发生传热管腐蚀破损，在可靠性上存在严重问题，是核蒸汽供应系统的唯一致命弱点，保证蒸汽发生器的制造质量有助于提高其安全可靠性。由于蒸汽发生器制造相称复杂，技术密集限度高，规定制造质量符合设计说明书上的规定，因此，设计说明书在蒸汽发生器的制造过程中就尤为重要。 本设计说明书是针对压水堆设计的立式 U 型管自然循环蒸汽发生器。作者在参考了孙中宁老师编写的“蒸汽发生器”课程设计指导书和核动力设备，在阅读了大量文献后，提出了蒸汽发生器的一种新的方案设计，并进行了论证。通过强度计算和结构设计，拟定了蒸汽发生器的结构尺寸，然后分别进行了蒸汽发生器的热力计算、水动力计算，希望能获得更佳的设计方案。 由于编者水平有限，实践经验局限性，加之时间仓促，设计说明书中难免有疏漏和错误之处，诚恳希望读者批评指正。 邹宇飞 2023年11月于哈尔滨目 录第一章 绪 论02第二章 蒸汽发生器的设计与计算022.1 根据热平衡拟定换热量022.2 管径的选取以及传热管面积拟定032.3 管束结构的计算052.4 强度计算062.5 一回路水阻力计算092.6 二回路水循环阻力计算112.7 运动压头计算172.8 循环倍率的拟定18第三章 结论与评价18第四章 参考文献19 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 第一章 绪 论 蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反映堆中，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，重要功能有：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，通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、在预期运营事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反映堆装置的可靠运营。实际运营经验表白，蒸汽发生器能否安全、可靠的运营，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记录显示，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，各国都把研究与改善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，重要涉及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；改善结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改水质控制等。第二章 蒸汽发生器的设计与计算2.1 根据热平衡拟定换热量一回路工作压力 MPa （给定）一回路水进口温度 （给定）一回路水出口温度 （给定）一回路水平均温度 一回路进口水焓 kJ/kg （15.0MPa，310）一回路出口水焓 kJ/kg （15.0MPa，290）蒸发器热效率 （给定）二回路工作压力 MPa （给定）二回路饱和水温度 （5.0MPa ）二回路饱和水焓 kJ/kg （5.0MPa ）二回路给水温度 （给定）二回路给水焓 kJ/kg （5.0MPa，220）汽化潜热 kJ/kg （5.0MPa ）蒸汽干度 =0.99 （给定）排放系数 =1 （给定）二回路蒸汽产量 =126kg/s （给定）一回路放热量 =231000kw一回路水流量 =2125.85kg/s二回路排污量 =1.26kg/s2.2 管径的选取以及传热管面积拟定传热管外径 =22mm（选定）传热管节距 =30.8mm最小U形管节圆直径 =123.2mm半径 =61.6mm弯曲减薄系数 =1.089负公差修正系数 =1.102一回路侧设计压力 =1.875MPa=191.33kg/cm2传热管许用应力 =18kg/mm2=1800kg/cm2传热管壁厚 =1.346mm这里取传热管壁厚为1.5mm传热管内径 =19mm单管流通面积 =2.8410-4m2参考相关文献记录，U形管大约有2023根，通过排管，最终拟定U形管数目=2082根。一回路流通面积 =0.59m2一回路水平均比容 =0.001378m3/kg（15.0MPa，300）一回路水流速 =4.95m/s一回路水导热系数 =0.56w/(m)（15.0MPa，300）一回路水动力粘度 =8.83310-5kg/(ms)（15.0MPa，300）一回路水普朗特数 =0.8616（15.0MPa，300）一回路水雷诺数 =780000一回路侧放热系数 =33129w/(m2)传热管导热系数 =17.4w/(m2)传热管壁热阻 =9.2710-5m2/w污垢热阻 =2.610-5m2/w参考有关文献，假定二回路侧放热系数 =27357w/(m2)传热系数 =5257.5w/(m2)大端温差 =46小端温差 =26对数平均温差 =35传热面积 =1262m2热流密度 =183000w/m2将热流密度迭代回二回路侧放热系数公式，则 =27190w/(m2)与原假定相近。传热裕度系数 =1.1（选定）设计传热面积 =1388m22.3管束结构的计算传热管总长 =20235m排列方式为正方形节距 =0.0308m最小U形管节圆直径 =0.1232m实际布管数 =2082根管束直径 =2.4m弯管总长 =3226m直管总长 =16859m管束直段高 =4.0m管束弯段高 =1.15m管束总高 =5.15m2.4强度计算2.4.1衬筒结构设计装配间隙 =20mm（选取）衬筒内径 =2.44m衬筒壁厚 =12mm（选取）衬筒外径 =2.464m2.4.2下筒体结构设计下降流道宽度 =88mm（选取）下筒体内径 =2.64m二回路设计压力 =6.25MPa=63.78kg/cm2下筒体许用应力 =18kg/mm2（给定）计算壁厚 =47.79mm设计壁厚 =70mm筒体外径 =2.78m与管板连接壁厚 =80mm2.4.3上筒体结构设计二回路设计压力 =6.25MPa=63.78kg/cm2许用应力 =18kg/mm2（给定）上筒体内径 =3200mm（给定）计算壁厚 =57.92mm设计壁厚 =60mm上筒体外径 =3320mm2.4.4球形下封头结构设计设计压力 =191.33kg/cm2许用应力 =14.518kg/mm2（给定）球形封头外径 =2780mm计算壁厚 =87.10mm设计壁厚 =90mm球形封头内径 =2600mm2.4.5管板结构设计设计压力 =191.33kg/cm2许用应力 =1800kg/mm2（给定）承压部分直径 =2620mm筒体根部壁厚与管板承压部分直径比=0.0305系数=1.04（查TEMA标准）计算壁厚 =444.18mm设计壁厚 =450mm堆焊层厚度 =10mm（选取）传热管实际平均长度 =11.45m最长管子长 =12.67m最短管子长 =9.09m2.4.6重要管道内径冷却剂平均比容 =0.001378m3/kg（15.0MPa，300）主管道计算流速 =10m/s（选取：812m/s）主管道计算内径 =0.61m主管道设计内径 =0.62m主管道设计流速 =9.7m/s新蒸汽比容 =0.039064m3/kg蒸汽管计算流速 =36m/s（选取：3040m/s）蒸汽管计算内径 =0.417m蒸汽管设计内径 =0.42m蒸汽管设计流速 =35.53m/s二回路给水比容 =0.001187m3/kg（5.0MPa，220）给水管计算流速 =4m/s（选取：25m/s）给水管计算内径 =0.2182m给水管设计内径 =0.22m给水管设计流速 =3.93m/s2.5一回路水阻力计算2.5.1 U形管内摩擦阻力计算传热管实际平均长度 =11.45m当量直径 =0.019m一回路水流量 =2125.85kg/s一回路水平均比容 =0.001378m3/kg（15.0MPa，300）一回路水流速 =4.95m/s考虑堵管后的流速 =5.20m/s平均温度下水动力粘度 =8.81910-5kg/(ms)（查表）一回路水雷诺数 =812996摩擦阻力系数 =0.0105壁温下动力粘度 =9.54410-5kg/(ms)（查表）温度修正系数 =0.989摩擦阻力 =43859Pa2.5.2 局部阻力计算下封头内径 =2.6m水室截面积 =2.65m2进口管直径 =0.62m进口管截面积 =0.302m2比值=0.114突扩阻力系数 =0.785（查表）一回路水入口处比容 =0.001421m3/kg（15.0MPa，310）入口管内流速 =10.01m/s从入口管到水室阻力 =27677Pa水室转弯45阻力系数 =0.9（查表）水室转弯45阻力 =31731Pa传热管流通截面积 =0.59m2考虑有堵管后截面积 =0.56m2系数 =0.21传热管入口阻力系数 =0.4（查表）传热管入口阻力 =3806PaU形管转180阻力系数 =0.5（查表）U形管转180阻力 =4906Pa传热管出口阻力系数 =0.53（查表）出口处水比容 =0.001341m3/kg（15.0MPa，290）传热管出口阻力 =5342Pa出口管内流速 =9.44m/s水室转弯阻力系数 =0.9（查表）水室转弯阻力 =29904Pa出口管突缩阻力系数 =0.46（查表）出口管突缩阻力 =15284Pa2.5.3总阻力总阻力 =161699Pa设计阻力 =177869Pa2.6二回路水循环阻力计算2.6.1下降空间阻力给水温度 =220（给定）二回路饱和温度 =264（5.0MPa）下降空间水比容 =0.001286m3/kg（近似取5.0MPa下饱和水比容）入口阻力系数 =1（选取）出口阻力系数 =1（选取）定位装置阻力系数 =1（选取）下降空间高度 =5.70m衬筒外径 =2.464m下筒体内径 =2.64m下降空间当量直径 =0.176m绝对粗糙度 =0.15mm摩擦系数 =0.019下降空间截面积 =0.71m2下降空间水流速 =3,4,51260.0012860.71=0.68，0.91，1.14m/s下降空间阻力 =645，1164，1827Pa2.6.2上升空间摩擦阻力饱和水比容 =0.001286m3/kg（5.0MPa）饱和蒸汽比容 =0.039439（5.0MPa）衬筒内径 =2.44m传热管外径 =0.022m支撑板定位拉杆数量 =10上升空间流通面积 =3.09m2上升空间当量直径 =0.042m循环速度 =3，4，51260.0012863.09=0.16，0.21，0.26m/s出口水相折算速度 =0.10，0.16，0.21m/s水相平均折算速度 =0.13，0.185，0.235m/s出口汽相折算速度 =1.61m/s汽相平均折算速度 =0.805m/s水相运动粘度 =0.128610-6m2/s（5.0MPa）汽相运动粘度 =0.711310-6m2/s（5.0MPa）水相雷诺数 =42457，60420，76750汽相雷诺数 =47533判别流型：均为紊流。管束直段高 =4.0m水相摩阻系数v =0.022，0.020，0.019汽相摩阻系数 =0.021按折算速度计算的水相摩擦阻力 =13.77，25.35，38.85Pa按折算速度计算的汽相摩擦阻力 =5.48Pa参量 =1.59，2.15，2.66 =14.02,10.62,8.69 =35.20,48.06,61.02水相摩擦阻力 =237.68,324.53,412.04Pa汽相摩擦阻力 =237.68,324.53.412.04Pa摩擦阻力 =237.68,324.53.412.04Pa2.6.3上升空间局部阻力支撑板数目 N=6上升流道单元面积 =568.5mm2支撑板单元开孔面积 面积比0.2局部阻力系数 按折算速度计算的液相局部阻力 =2337.36,4581.22,7573.04Pa按折算速度计算的汽相局部阻力 参量 二回路工作压力 =5.0MPa临界压力 =22.12MPa参数 参数 液相局部阻力 汽相局部阻力 局部阻力 2.6.4上升空间弯管区阻力管束弯头最大节圆直径 弯管区重心至圆心距离 计算冲刷排数 =16（取整）系数 系数 液相雷诺数 =33993.31,50989.96,67986.62汽相雷诺数 =94260.68液相摩擦阻力 汽相摩擦阻力 液相阻力 汽相阻力 参量 液相阻力 汽相阻力 弯管区阻力 2.6.5上升空间加速阻力管束出口质量含汽率 =0.333,0.25,0.20管束出口体积含汽率 =0.939,0.911,0.885系数 管束出口截面含汽率 质量流速 加速阻力 2.6.6 上升空间流量分派孔阻力阻力系数 =8孔板局部阻力 =89.75,159.56,249.32上升空间阻力 2.6.7 汽水分离器阻力汽水分离器阻力 2.6.8 循环总阻力循环总阻力 2.7运动压头计算2.7.1预热段高度计算二回路给水焓 二回路饱和水焓 液面高度 下降空间下端压力 此压力下的饱和水焓 预热段高度 2.7.2运动压头计算蒸发段高 管束上方区段高度 蒸发段平均质量含汽率 蒸发段平均体积含汽率 =0.860,0.814,0.773蒸发段平均截面含汽率 管束上方区段平均截面含汽率 蒸发段运动压头 管束上方区段压头 运动压头 2.8 循环倍率的拟定将循环倍率、循环运动压头和循环运动压头相应数值列出表并做曲线，得以下结果：循环倍率345总阻力 21604.2335828512.2273136339.02244运动压头30696.2414529184.5227818.77由上图可近似拟定循环倍率为3.8，满足2到5之间的规定。第三章 结论与评价本设计说明书重要对蒸汽发生器的设计计算进行说明解释。基本完毕了课程设计规定的对蒸汽发生器换热、水力和强度等项目的计算任务。通览本次设计，本人对蒸汽发生器的结构、原理有了进一步理解。同时也对蒸汽发生器“设计”的大体环节与过程初步了解。应当说，本次设计是十分不成熟的，特别是在管束直径和弯管计算以及传热管排布等环节做了较大简化解决，此外，由于对机械加工、材料等方面知识了解不够，结构设计也存在诸多不不严谨设计，这一方面是由于设计者的经验局限性，二是时间所限，计算结果没有得到进一步仿真验证，故设计结果实际应用价值不大。第四章 参 考 文 献1 核动力设备/孙中宁主编.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2023.2 气液两相流/阎昌琪主编.-2版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2023.序 号项 目符号单 位公式及来源数 值一、热平衡1一回路放热量QkW给定2310002一回路工作压力p1MPa给定15.03一回路水进口温度给定3104一回路水出口温度给定2905一回路水平均温度ta3006一回路水进口焓kJ/Kg查表1394.217一回路水出口焓kJ/Kg查表1284.458蒸发器热效率给定0.999一回路水流量G1kg/sQ/（i1-i1）2125.8510二回路工作压力psPa给定5.011二回路饱和温度ts查表2.6412二回路水饱和焓kJ/kg查表1154.5013二回路给水温度tf给定22014二回路给水焓ifKJ/Kg查表944.3815汽化潜热rkJ/Kg查表1639.7316蒸汽干度x给定0.9917排放系数Cs给定118二回路蒸汽产量Dkg/s12619二回路排污量Dbdkg/sCs D1.26附录一：热力计算表 序号项 目符号单 位公式及来源数 值二、传热计算20传热管外径dom选 定0.02221传热管内径dim选 定0.01922单管流通面积am22.8410-423U型管数目n 结构设计定208224一回路流通面积Am20.5925一回路水平均比容m3/Kg查 表0.00137826一回路水流速u1m/s4.9527一回路水导热系数W/m查 表0.5628一回路水动力粘度kg/ms查 表8.83310-529一回路水普朗特数Prf查 表0.861630一回路水雷诺数Refu1di/78000031一回路侧放热系数W/m20.0233312932传热管导热系数W/m2给定17.433传热管壁热阻Rwm2/W9.2710-534污垢热阻Rfm2/W按Inconel600选定2.610-535二回路侧放热系数W/m22735736传热系数kW/m25257.537大端温差4638小端温差2639对数平均温差35序号项 目符号单 位公式与来源数 值40热负荷W/ m2 18300041计算传热面积Fm2126242传热裕度系数选 定1.143设计传热面积m21388三、管束结构1传热管总长m202352排列方式正方形3节 距tm选 定0.03084最小U型管节园直径 m4t0.12325实际布管数n根结构设计定20826管束直径Dtbm结构设计定2.47弯管总长L弯m结构设计定3.2268直管总长L直mL总L弯16.8599管束直段高H直mL直/4.010管束弯段高H弯mRmax1.1511管束总高HtbmH直+H弯5.1512传热管实际平均长度m（L总/n）+2管板厚11.4513最长管子长lmaxm+2H直+2管板厚12.6714最短管子长lminm+2H直+2管板厚9.09四、重要管道内径序号项 目符号单 位公式与来源数 值1冷却剂平均比容m3/Kg查 表0.0013782主管道计算流速m/s选取：812 m/s103主管道计算内径m0.614主管道设计内径m选 取0.625主管道设计流速u10m/s9.76新蒸汽比容m3/Kg0.0390647蒸汽管计算流速m/s选取：3040 m/s368蒸汽管计算内径m0.4179蒸汽管设计内径m选 取0.4210蒸汽管设计流速m/s35.5311二回路给水比容m3/Kg查 表0.00118712给水管计算流速m/s选取：25 m/s413给水管计算内径m0.218214给水管设计内径m选 取0.2215给水管设计流速m/s3.93 附录2：蒸汽发生器水力计算表序 号项 目符号单 位公式及来源数 值一回路水阻力计算一、U型管内摩擦阻力计算1传热管实际平均长度m结构设计11.452当量直径m结构设计0.0193一回路水流量G1kg/s热工计算定2125.854一回路水平均比容m3/kg查 表0.0013785一回路水流速m/s热工计算定4.956考虑堵管后流速m/s1.05u15.207一回路水雷诺数Re热工计算定8129968摩擦阻力系数0.3164Re-0.250.01059平均温度下动力粘度kg/m查 表8.81910-510壁温下动力粘度kg/m按查表9.54410-511温度修正系数0.98912摩擦阻力Pa43859二、局部阻力计算13下封头内径D1m结构设计定2.614水室截面积Fcm22.6515进口管内径d1im选定0.6216进口管截面积A1m20.302序号项 目符号单 位公式及来源数 值17比 值0.11418突扩阻力系数查 表0.78519一回路水入口处比容m3/kg查 表0.00142120一回路水入口处密度kg/m3703.7321入口管内流速u1im/s热工计算定10.0122从入口管至水室阻力Pa2767723水室转弯45阻力系数查 表0.924水室转弯45阻力Pa3173125传热管流道截面Am2热工计算定0.5926考虑有堵管后截面Am2A/1.050.5627系 数0.2128传热管入口阻力系数查 表0.429传热管入口阻力Pa380630U型管转180阻力系数查 表0.531U型管转180阻力Pa490632传热管出口阻力系数查 表0.5333出口处水比容m3/kg查 表0.00134134出口处水密度kg/m3745.7135传热管出口阻力Pa5342序号项目符号单位公式及来源数值36出口管内流速u2m/s9.4437水室转弯阻力系数6查 表0.938水室转弯阻力Pa62990439出口管突缩阻力系数7查 表0.4640出口管突缩阻力Pa715284三、总阻力41总阻力Pa16169942设计阻力设Pa177869二回路水循环阻力计算一、下降空间阻力1循环倍率CR假定3452给水温度tf给定2202202203二回路饱和温度tS查表2642642644下降空间水比容vdm3/kg近似取饱和比容0.0012860.0012860.0012865下降空间水密度kg/m3777.60777.60777.606入口阻力系数in选取1117出口阻力系数选取1118定位装置阻力系数f选取111序号项 目符号单位公式及来源数 值9下降空间高度H0m结构设计定5.705.705.7010套筒外径Dw0m结构设计定2.4642.4642.46411下筒体内径Dsim结构设计定2.642.642.6412下降空间当量直径DemDsiDwo0.1760.1760.17613绝对粗糙度m选 定0.150.150.1514摩擦系数0.0190.0190.01915下降空间截面积Fdm20.710.710.7116下降空间水流速udm/s0.680.911.1417下降空间阻力Pa64511641827二、上升空间阻力1、摩擦阻力1饱和水比容m3/kg查 表0.0012860.0012860.0012862饱和水密度kg/m3777.60777.60777.603饱和蒸汽比容m3/kg查 表0.0394390.0394390.0394394饱和蒸汽密度kg/m325.3625.3625.365套筒内径Dw1m结构设计定2.442.442.446传热管外径d0m热工计算定0.0220.0220.0227支撑板定位拉杆数量根结构设计定1010108上升空间流通面积 Fum23.093.093.09序号项 目符号单位公式及来源数 值9上升空间当量直径dem0.0420.0420.04210循环速度m/s0.160.210.2611出口水相折算速度m/s0.100.160.2112水相平均折算速度m/s0.130.1850.23513出口汽相折算速度m/s1.611.611.6114汽相平均折算速度0.8050.8050.80515水相运动粘度m2/s查 表0.128610-610-60.128610-60.128610-616汽相运动粘度m2/s查 表0.711310-6