核动力装置循环热力分析B-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（V2009.04.14）MNPP-C06-L1529-Mar-24核动力装置核动力装置26.2.2 再热循环再热循环l影响朗肯循环效率的因素影响朗肯循环效率的因素提高平均吸热温度、降低平均放热温度，均能提高循环热提高平均吸热温度、降低平均放热温度，均能提高循环热效率效率饱和蒸汽的朗肯循环，汽轮机膨胀终点蒸汽湿度较大，影饱和蒸汽的朗肯循环，汽轮机膨胀终点蒸汽湿度较大，影响汽轮机效率和运行安全性响汽轮机效率和运行安全性采用回热循环，是为了提高朗肯循环的平均吸热温度采用回热循环，是为了提高朗肯循环的平均吸热温度采用再热循环，是为了降低汽轮机内膨胀终点的湿度采用再热循环，是为了降低汽轮机内膨胀终点的湿度29-Mar-24核动力装置核动力装置3再热循环再热循环图图6-10 饱和蒸汽的朗肯循环饱和蒸汽的朗肯循环+再热循环再热循环29-Mar-24核动力装置核动力装置4再热循环的特点再热循环的特点l蒸蒸汽汽在在高高压压汽汽轮轮机机内内膨膨胀胀做做功功，排排出出后后送送入入蒸蒸汽汽再再热热器器中中加热，使蒸汽温度升高，然后再送入低压汽轮机内做功加热，使蒸汽温度升高，然后再送入低压汽轮机内做功l蒸蒸汽汽再再热热提提高高了了蒸蒸汽汽在在低低压压汽汽轮轮机机进进口口处处的的温温度度，减减小小了了蒸汽的湿度，从而保证了汽轮机运行的经济性和安全性蒸汽的湿度，从而保证了汽轮机运行的经济性和安全性l需要增加蒸汽再热器等设备需要增加蒸汽再热器等设备 （通通常常情情况况下下，先先对对高高压压汽汽轮轮机机排排汽汽进进行行除除湿湿，然然后后再再对对蒸汽进行再热蒸汽进行再热）l需要消耗新蒸汽，用于加热高压缸排汽需要消耗新蒸汽，用于加热高压缸排汽29-Mar-24核动力装置核动力装置5增加再热循环后的热效率增加再热循环后的热效率l采用蒸汽中间再热是否能提高循环热效率，取决于附加再采用蒸汽中间再热是否能提高循环热效率，取决于附加再热循环平均吸热温度是否高于基本循环平均吸热温度。热循环平均吸热温度是否高于基本循环平均吸热温度。29-Mar-24核动力装置核动力装置6 6.2.3 回热循环回热循环图图6-11 饱和蒸汽的朗肯循环饱和蒸汽的朗肯循环+回热循环回热循环29-Mar-24核动力装置核动力装置7回热循环的特点回热循环的特点l蒸汽在汽轮机内做完功后，排入冷凝器中凝结成水，在送蒸汽在汽轮机内做完功后，排入冷凝器中凝结成水，在送入蒸汽发生器之前，用蒸汽加热，使其进入蒸汽发生器的入蒸汽发生器之前，用蒸汽加热，使其进入蒸汽发生器的温度提高温度提高l由于给水温度升高，使得蒸汽发生器中的平均吸热温度提由于给水温度升高，使得蒸汽发生器中的平均吸热温度提高，循环热效率也相应提高高，循环热效率也相应提高l需要增加需要增加给水加热器给水加热器l需要提供给水加热所需要的蒸汽需要提供给水加热所需要的蒸汽29-Mar-24核动力装置核动力装置8增加回热循环后的热效率增加回热循环后的热效率l采用给水回热提高了热力循环的平均吸热温度，有利于提采用给水回热提高了热力循环的平均吸热温度，有利于提高循环热效率高循环热效率29-Mar-24核动力装置核动力装置9 采用回热循环的热力系统采用回热循环的热力系统l核动力装置热力系统普遍采用回热循环；核动力装置热力系统普遍采用回热循环；l船用核动力装置因受重量、尺寸等限制，回热循环形式较船用核动力装置因受重量、尺寸等限制，回热循环形式较为简单，一般设置为简单，一般设置12级给水加热器，使用辅汽轮机排汽级给水加热器，使用辅汽轮机排汽加热给水加热给水l核电站追求经济性，采用的回热形式较为复杂，如大亚湾核电站追求经济性，采用的回热形式较为复杂，如大亚湾核电站设置了核电站设置了7级加热器，其中级加热器，其中4级低压加热器，一级除氧级低压加热器，一级除氧器，器，2级高压加热器，采用主汽轮机抽汽加热给水级高压加热器，采用主汽轮机抽汽加热给水29-Mar-24核动力装置核动力装置10图图6-12 给水回热的热经济性给水回热的热经济性29-Mar-24核动力装置核动力装置11回热循环的基本规律回热循环的基本规律l循环热效率随着回热级数增加而提高，提高的幅度随着级循环热效率随着回热级数增加而提高，提高的幅度随着级数的增加而递减；数的增加而递减；l当给水温度一定时，热经济性也随着回热级数的增加而提当给水温度一定时，热经济性也随着回热级数的增加而提高，但其增长率同样也是递减的；高，但其增长率同样也是递减的；l对任一回热级数，均有其相应的最佳给水温度，而且它是对任一回热级数，均有其相应的最佳给水温度，而且它是随着级数的增加而提高；随着级数的增加而提高；l对任一回热级数的实际给水温度，虽与最佳值有所偏离，对任一回热级数的实际给水温度，虽与最佳值有所偏离，对热经济性的影响不大。对热经济性的影响不大。29-Mar-24核动力装置核动力装置12图主机抽汽回热图主机抽汽回热29-Mar-24核动力装置核动力装置13图图6-13 主机多级抽汽回热主机多级抽汽回热29-Mar-24核动力装置核动力装置14图图 辅机废汽回热辅机废汽回热l二回路能量利用系数二回路能量利用系数29-Mar-24核动力装置核动力装置15不同热力系统的比较不同热力系统的比较l方案方案：无回热，辅机全部电动：无回热，辅机全部电动l方案方案：无回热，辅机部分汽动：无回热，辅机部分汽动l方案方案：废汽回热，废汽压力为最佳值，辅机汽动：废汽回热，废汽压力为最佳值，辅机汽动l方案方案：抽汽回热，抽汽压力为最佳值，辅机全部电动：抽汽回热，抽汽压力为最佳值，辅机全部电动采用回热循环的热力系统，其热效率高于无回热循环的热采用回热循环的热力系统，其热效率高于无回热循环的热力系统力系统29-Mar-24核动力装置核动力装置16辅机汽动或电动对热效率的影响辅机汽动或电动对热效率的影响l部分辅机采用汽轮机驱动方案：部分辅机采用汽轮机驱动方案：由于辅汽轮机容量小，效率低，能量损失较大，因而一定由于辅汽轮机容量小，效率低，能量损失较大，因而一定程度上降低了核动力装置的热效率程度上降低了核动力装置的热效率l辅机全部电动方案：辅机全部电动方案：辅机全部电动，消除了运行效率较低的辅汽轮机；辅机全部电动，消除了运行效率较低的辅汽轮机；汽轮发电机组的容量增大，运行效率提高；汽轮发电机组的容量增大，运行效率提高；核动力装置的热效率要高于辅机采用汽动的方案核动力装置的热效率要高于辅机采用汽动的方案29-Mar-24核动力装置核动力装置176.2.4核动力装置的热线图核动力装置的热线图 l在工程中，往往采用由图形符号构成的线图表示核动力装在工程中，往往采用由图形符号构成的线图表示核动力装置热力系统的组成、主要工质（汽和水）的运行路线和次置热力系统的组成、主要工质（汽和水）的运行路线和次序，并给出能量与质量的平衡关系和分布情况，为管径的序，并给出能量与质量的平衡关系和分布情况，为管径的确定提供依据。确定提供依据。29-Mar-24核动力装置核动力装置186.2.4核动力装置的热线图核动力装置的热线图 l内容：内容：l热力循环形式（再热循环、回热循环）；热力循环形式（再热循环、回热循环）；l蒸汽机械的供汽方式（过热蒸汽、减温蒸汽、饱和蒸汽、蒸汽机械的供汽方式（过热蒸汽、减温蒸汽、饱和蒸汽、抽汽等）；抽汽等）；l利用辅汽轮机乏汽热量及凝水热量的方式；利用辅汽轮机乏汽热量及凝水热量的方式；l从主机中间级抽汽的蒸汽热量再生系统；从主机中间级抽汽的蒸汽热量再生系统；l补充由蒸汽导管和凝水补充由蒸汽导管和凝水给水系统管系泄漏的方式。给水系统管系泄漏的方式。29-Mar-24核动力装置核动力装置196.3 核动力装置能量平衡计算核动力装置能量平衡计算6.3.1 能量平衡计算目的和依据能量平衡计算目的和依据6.3.2 能量平衡计算基本方程能量平衡计算基本方程6.3.3 能量平衡计算方法能量平衡计算方法29-Mar-24核动力装置核动力装置206.3.1 能量平衡计算目的和依据能量平衡计算目的和依据l目的目的 对核动力装置进行能量平衡计算，确定核动力装置热力系对核动力装置进行能量平衡计算，确定核动力装置热力系统的主要参数，为通过热力分析确定核动力装置能量利用统的主要参数，为通过热力分析确定核动力装置能量利用的合理性和有效性、进而指出热力系统优化和改进的方向的合理性和有效性、进而指出热力系统优化和改进的方向奠定基础。奠定基础。29-Mar-24核动力装置核动力装置21能量平衡计算的主要内容能量平衡计算的主要内容l对核动力装置进行能量平衡计算，是在已经确定的热力系对核动力装置进行能量平衡计算，是在已经确定的热力系统组成形式以及蒸汽初、终参数的基础上，计算确定核动统组成形式以及蒸汽初、终参数的基础上，计算确定核动力装置以下参数：力装置以下参数：装置效率装置效率反应堆热功率反应堆热功率蒸汽产量蒸汽产量汽轮发电机组功率汽轮发电机组功率各主要设备的热力参数各主要设备的热力参数29-Mar-24核动力装置核动力装置22能量平衡计算的主要依据能量平衡计算的主要依据l核动力装置的型式及设计特点，明确规定主机至推进器的核动力装置的型式及设计特点，明确规定主机至推进器的传动方式；传动方式；l主机的型式以及全速工况下主机的有效功率；主机的型式以及全速工况下主机的有效功率；l与热力循环相适应的核动力装置热线图形式，主要设备、与热力循环相适应的核动力装置热线图形式，主要设备、辅助设备的组成及其相互联系；辅助设备的组成及其相互联系；l当装置在计算工况和中间工况工作时，在所给定的热线图当装置在计算工况和中间工况工作时，在所给定的热线图中主要设备、工质的热力参数；中主要设备、工质的热力参数；l核动力舰船的航行区域；核动力舰船的航行区域；l某些设备的技术参考资料或母型、国家设计标准、某些有某些设备的技术参考资料或母型、国家设计标准、某些有关的科研及试验成果等。关的科研及试验成果等。29-Mar-24核动力装置核动力装置2329-Mar-24核动力装置核动力装置24核动力装置设计基本步骤核动力装置设计基本步骤l方案设计：确定装置方案（如堆型、功率、主要热工参数方案设计：确定装置方案（如堆型、功率、主要热工参数等）、装置总体及各主要设备性能、大致经费、工程进度等）、装置总体及各主要设备性能、大致经费、工程进度l规划设计：落实经费和生产厂家规划设计：落实经费和生产厂家l扩大初步设计：进行系统及设备的设计扩大初步设计：进行系统及设备的设计l工艺设计：提出生产图纸工艺设计：提出生产图纸l完成设计：修改完善，冻结设计完成设计：修改完善，冻结设计在方案设计阶段能量平衡计算的工作量较大，需要对多种在方案设计阶段能量平衡计算的工作量较大，需要对多种热力系统方案进行比较和计算。热力系统方案进行比较和计算。29-Mar-24核动力装置核动力装置256.3.2 能量平衡计算基本方程能量平衡计算基本方程l两类基本方程两类基本方程能量平衡方程能量平衡方程质量平衡方程质量平衡方程l根据核动力装置热力系统和设备的特点，建立上述两类方根据核动力装置热力系统和设备的特点，建立上述两类方程，进而确定相关的热力参数程，进而确定相关的热力参数29-Mar-24核动力装置核动力装置26（1）反应堆热功率方程）反应堆热功率方程29-Mar-24核动力装置核动力装置27（1）反应堆热功率方程）反应堆热功率方程l冷却剂从堆芯带出热功率冷却剂从堆芯带出热功率l主泵加入到冷却剂中的热量主泵加入到冷却剂中的热量l反应堆冷却剂系统的热量损失反应堆冷却剂系统的热量损失l冷却剂在蒸汽发生器一次侧放出的热量为冷却剂在蒸汽发生器一次侧放出的热量为29-Mar-24核动力装置核动力装置28（2）蒸汽发生器的蒸汽产量）蒸汽发生器的蒸汽产量29-Mar-24核动力装置核动力装置29（2）蒸汽发生器的蒸汽产量）蒸汽发生器的蒸汽产量l自然循环式蒸汽发生器能量平衡和质量平衡方程：自然循环式蒸汽发生器能量平衡和质量平衡方程：l产生的蒸汽量产生的蒸汽量29-Mar-24核动力装置核动力装置30（2）蒸汽发生器的蒸汽产量）蒸汽发生器的蒸汽产量主汽轮机的耗汽量（主机抽汽回热时，主机耗汽量应为无抽汽主汽轮机的耗汽量（主机抽汽回热时，主机耗汽量应为无抽汽时的耗汽量）；时的耗汽量）；辅机的耗汽量，包括汽轮发电机和辅助汽轮机的耗汽量；辅机的耗汽量，包括汽轮发电机和辅助汽轮机的耗汽量；动力装置辅助设备耗汽量和为全船性服务的耗汽量，动力装置辅助设备耗汽量和为全船性服务的耗汽量，kg/skg/s；与主机抽汽有关的辅助设备消耗的系数；与主机抽汽有关的辅助设备消耗的系数；抽汽质量系数；抽汽质量系数；由于抽汽加热给水所引起的蒸汽发生器蒸汽产量增加的系数由于抽汽加热给水所引起的蒸汽发生器蒸汽产量增加的系数 29-Mar-24核动力装置核动力装置31（2）蒸汽发生器的蒸汽产量）蒸汽发生器的蒸汽产量第第j j个抽汽点的蒸汽焓值；个抽汽点的蒸汽焓值；第第j j个抽汽点抽汽的凝水焓值；个抽汽点抽汽的凝水焓值；进入抽汽总管内的废汽或凝水焓值。进入抽汽总管内的废汽或凝水焓值。29-Mar-24核动力装置核动力装置32（3）主汽轮机耗汽量）主汽轮机耗汽量29-Mar-24核动力装置核动力装置33（3）主汽轮机耗汽量）主汽轮机耗汽量主汽轮机组的单位功率耗汽率；主汽轮机组的单位功率耗汽率；主汽轮机组的有效功率；主汽轮机组的有效功率；主汽轮机耗汽量变化系数。主汽轮机耗汽量变化系数。29-Mar-24核动力装置核动力装置34图图6-14 汽轮机机械效率汽轮机机械效率29-Mar-24核动力装置核动力装置35（4）汽轮发电机耗汽量）汽轮发电机耗汽量l确定全船用电量的总和，作为汽轮发电机组的有效功率确定全船用电量的总和，作为汽轮发电机组的有效功率l确定发电汽轮机进出口蒸汽的参数确定发电汽轮机进出口蒸汽的参数l查表确定汽轮机、发电机、配电系统的效率查表确定汽轮机、发电机、配电系统的效率l参照前式计算汽轮发电机的耗汽量参照前式计算汽轮发电机的耗汽量29-Mar-24核动力装置核动力装置36（5）泄放水蒸发器产汽量）泄放水蒸发器产汽量29-Mar-24核动力装置核动力装置37（5）泄放水蒸发器产汽量）泄放水蒸发器产汽量l蒸汽发生器排污水的状态，相当于蒸汽发生器工作压力下蒸汽发生器排污水的状态，相当于蒸汽发生器工作压力下的饱和水的饱和水l泄放水蒸发器的工作压力与蒸汽发生器相比非常低，泄放泄放水蒸发器的工作压力与蒸汽发生器相比非常低，泄放水蒸发器相当于闪发室水蒸发器相当于闪发室l能量平衡和质量平衡方程能量平衡和质量平衡方程29-Mar-24核动力装置核动力装置38（6）给水加热器耗汽量）给水加热器耗汽量29-Mar-24核动力装置核动力装置39（6）给水加热器耗汽量）给水加热器耗汽量l给水加热器通常使用饱和蒸汽加热给水，蒸汽放热后凝结给水加热器通常使用饱和蒸汽加热给水，蒸汽放热后凝结形成疏水形成疏水l如果没有特殊说明，疏水相当于加热蒸汽压力下的饱和水如果没有特殊说明，疏水相当于加热蒸汽压力下的饱和水l能量平衡方程能量平衡方程29-Mar-24核动力装置核动力装置406.3.3 能量平衡计算方法能量平衡计算方法l定功率法定功率法已知装置有效功率已知装置有效功率计算确定装置有效效率计算确定装置有效效率l计算采用逐次近似法计算采用逐次近似法假设装置有效效率假设装置有效效率装置热力系统的能量平衡计算装置热力系统的能量平衡计算计算装置有效效率计算装置有效效率比较假设效率与计算效率，确定是否需要重算比较假设效率与计算效率，确定是否需要重算29-Mar-24核动力装置核动力装置41逐次近似法逐次近似法l明确已知条件和待定参数明确已知条件和待定参数l对装置设计和对设计过程起主要作用重要参数：对装置设计和对设计过程起主要作用重要参数：l核动力装置的热线图；核动力装置的热线图；l反应堆进、出口冷却剂温度，反应堆冷却剂运行压力，反应堆进、出口冷却剂温度，反应堆冷却剂运行压力，新蒸汽参数和冷凝器压力；新蒸汽参数和冷凝器压力；l反应堆、蒸汽发生器和主汽轮机的结构形式和效率；反应堆、蒸汽发生器和主汽轮机的结构形式和效率；l辅机的配置及传动形式，机械的传动效率，这些数值可辅机的配置及传动形式，机械的传动效率，这些数值可以在以后详细规定；以在以后详细规定；l蒸汽发生器二次侧给水进口焓值蒸汽发生器二次侧给水进口焓值。29-Mar-24核动力装置核动力装置42课堂练习课堂练习l如图所示，如图所示，SG热负荷为热负荷为55MW，出口蒸汽干度为，出口蒸汽干度为0.9975，其运行压力下的饱和蒸汽焓为其运行压力下的饱和蒸汽焓为2800.9 kJ/kg，饱和水焓为，饱和水焓为961.96 kJ/kg。SG排污水为排污水为SG运行压力下的饱和水，排污运行压力下的饱和水，排污量为蒸汽产量的量为蒸汽产量的1.05%，排入泄放水蒸发器后闪发，产生，排入泄放水蒸发器后闪发，产生的饱和蒸汽用于对给水加热，不足部分用新蒸汽补充。泄的饱和蒸汽用于对给水加热，不足部分用新蒸汽补充。泄放水蒸发器产生的蒸汽焓为放水蒸发器产生的蒸汽焓为2716.4kJ/kg，排舷外污水焓为，排舷外污水焓为535.34kJ/kg。给水加热器入口给水焓为。给水加热器入口给水焓为253.6kJ/kg，出口，出口给水焓为给水焓为460.5kJ/kg，疏水焓为，疏水焓为511.3 kJ/kg。忽略散热损。忽略散热损失，试确定：失，试确定：l蒸汽发生器的蒸汽产量；蒸汽发生器的蒸汽产量；l给水加热器需补充的新蒸汽流量。给水加热器需补充的新蒸汽流量。29-Mar-24核动力装置核动力装置43课堂练习题图课堂练习题图29-Mar-24核动力装置核动力装置44思考题思考题1.设置再热循环的目的是什么？附加了再热循环的饱和蒸汽设置再热循环的目的是什么？附加了再热循环的饱和蒸汽朗肯循环效率如何表示？朗肯循环效率如何表示？2.设置回热循环的目的是什么？附加了回热循环的饱和蒸汽设置回热循环的目的是什么？附加了回热循环的饱和蒸汽朗肯循环效率如何表示？朗肯循环效率如何表示？