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1、蒸汽发生器课程设计说明书学院：核科学与技术学院09 级1目 录第一章 绪 论.其次章 蒸汽发生器的设计与计算.2.1依据热平衡确定换热量.2.2管径的选取以及传热管数目确实定.2.3换热面积的计算.2.4管束构造的计算.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 循环倍率确实定.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2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。在核反响堆中，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
2、，使其产生具有肯定温度肯定压力和肯定干度的蒸汽。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，经过汽水分别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、在预期运行大事、设计基准事故工况以及过度工况下保证反响堆装置的牢靠运行。实际运行阅历说明，蒸汽发生器能否安全、牢靠的运行，对整个核动力装置的经济性
3、和安全牢靠性有着格外重要的影响。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。一些蒸汽发生器的牢靠性是比较低的，它对核电厂的安全性、牢靠性和经济效益有重大影响。因此，各国都把争论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，并制定了浩大的科研打算，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、疲乏争论；改进构造设计，削减腐蚀化学物的浓缩；改进水质掌握等。3其次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、构造设计等。热力学计算主要通过传热学学问计算传热管传热面积，然后与管束构造设计相结合可以得到
4、传热管长 度、管束直径等构造参数。强度计算通过压力校验等用于选取蒸汽发生器构造材料、确定构造尺寸等。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肯定余量，以满足变工况下消灭超压状况的需求。水动力计算是最终一步，由于只有构造尺寸确定，运动状态的状况下水力状况才得以确定。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洁主要包括单相水 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简单。由于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、流道的构造和
5、几何形态，以及工质的流淌形式。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、汽水分别器阻力等。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、流量安排孔阻力五项。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 25 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别器负荷，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构造选型和热力计算之后进展，但是构造设计和热力计算又需要水力计算数据，因
6、此三者往往要反复交替进展，以使设计逐步完善。42.1 依据热平衡确定换热量一回路进口焓值： i ” =1394.21 kj/kg(15.0MPa，310；1一回路出口焓值： i ” =1284.45 kj/kg15.0MPa，290；1i二回路给水焓： f =944.38 kj/kg(5.0MPa，220；二回路饱和水温：ts=264 5.0MPa；二回路饱和水焓： is=1154.50kj/kg5.0MPa；二回路饱和蒸汽焓值： i ” =2793.6 kj/kg5.0MPa；s二回路汽化潜热： r=i ” -iss=2793.6-1154.2=1639.73kj/kg5.0MPa；排污量：
7、 Dd= C D =0.01 126 = 1.26 kg / s ；s干度： x =0.01 ；dsf换热量： Q = Drx + ( D + D )( i - i ) = 231278.98；一回路水流量： G1=Q= 2128.40h (i ” - i ” )11kg；sh=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确实定选取传热管的外径为：t =4do=30.8 mm ； 节距选取为：t =4do=30.8 mm ；则最小节圆半径为： R min =2t =61.6 mm ； 负公差修正系数： j =1.102；R弯曲减薄系数： j= 1 +d o= 1.082 ；
8、4R min一回路侧设计压： P设 ,1= 1.25 P1= 15 *1000000/ 9.8 *10- 4 kg / cm 2= 191.3265kg / cm 2传热管壁厚： S=Pd设,1ojf= 1.34 mm，1200 s + 0.8 PR1设,1此处取 S1= 1.5 mm ；传热管内径： di= d- 2 So1= 19 m m ；5单管流通面积： a =1 p d 24i=p 19 2 = 284 m m 214选取一回路侧水流速度为： u1=5.0 m / s一回路水平均比容：v1=0.001378 m 3 / kg 15.0MPa，300，饱和水则一回路侧流通面积为： A
9、= G1 v1= 0.5866m2u1U 型管数目为： n = Aa= G 1v 1 / u 1a= 2128.40* 0.001378/ 5284= 2069依据排管最终确定 U 型管数目为：n=20862.3 换热面积的计算一回路侧水导热系数： l1 = 0.5614 W / ( m 15.0MPa，300，饱和水一回路侧水普朗特数： P rf= 0.861615.0MPa，300，饱和水一回路侧水动力粘度：h1= 8.833 10 -5 kg/ms15.0MPa，300，饱和水一回路侧雷诺数： R ef= u1 d ih v= 7.8 10 51 1一回路侧换热系数： a1= 0.023
10、l1 R edi0.8fPr 0.4f= 33128.72传热管导热系数： l= 17.4 W / ( m ) 给定w传热管壁热阻： R=d oln d o = 9.27 10 - 5 m 2 / Ww2 ldwi污垢热阻： Rf= 2.6 10 -5 m 2 / W按I-600选定Dtmax= t ” - t1s=310 - 264 =46 传热温差： Dtmin= t ” - t1s=290 - 264 =26 Dt=lnDtmax- DtDtmin=46 - 2646=35lnmaxlnDt26min6 d11 - 1假设一个q值， 进展迭代可以求得试取 k = o a+ R+ R+ a
11、= 5258 Wm 2 Kwfdi12则此时的热负荷为： q = k D tln= 1.846 10 5 W / m 2a= 0.557 p 0.15 q 0.7 = 27357.7 W / ( m 2 )2s所需传热面积： F = Q k D t= 1252.80 m 2ln传热裕度系数：C=1.1设计传热面积： F设= C F = 1378.08m 22.4 管束构造的计算传热管总长： LF=设 = 19939 m总p do传热管排列方式：按正方形排列最 小 U 型 管 节 圆 直 径 ： D= 4 t = 0.1232m节实际布管数：n=2086根管束直径： Dtb= 2.34 m弯管段
12、高为： Dmax= 1.17 m m平均直径： D = 0.5 (0.1232+ 1.17)= 0.6466m弯管总长： L= 0.5 p D n = 4036.87 m弯直管总长： L直= L- L总弯= 19939- 4036.87= 15902.13m管束直段高： H= L直= 3.8 m直2 n管束弯段高： H弯= 0.5 Dm ax= 1.17 m7管束总高： Htb= H+ H直弯= 4.98 m2.5 强度计算（1） 衬筒内径： Dw i= D+ 2d管束t= 2.38 m其中 t 是装配间隙，约1020mm，取20mm。衬筒外径： Dw o= D+ 2d = 2.404 m ，
13、其中 是衬筒壁厚，给定为12mm。w i（2） 下筒体内径： D= Di ,下w o+ 2 B = 2.58 m其中 B 为下降流道宽度，取为88mm。二回路侧设计压力： P设 ，2= 1.25 Ps= 63.7755kg / cm 2下筒体许用应力： =18kg/mm2下筒体计算壁厚： 下筒体计算壁厚： S ” =P D设 ，2i ,下= 46.72 mm200 s - 1.2 P设 ，2设计壁厚为： S = 47 mm下筒体外径为： Do ,下= Di ,下+ 2 S = 2675 m m（3） 上筒体许用应力： =18kg/mm2上筒体内径： D= 3200 mm给定i,上上筒体计算壁厚
14、： S ” =P D设 ，2i ,上= 57.92 mm200 s - 1.2 P设 ，2设计壁厚取为： S =58 mm则上筒体外径为： Do ,上=Di ,上+ 2S = 3.316 m（4） 球形下封头许用应力：s = 14 .5 kg / mm 2球形封头外径： Do= D= 2675 m ms计算壁厚： S ” =P D设 ，1o= 83.82 m m400 s + 1.6 P设 ，18设计壁厚取为： S = 84 mm5管板许用应力：s = 1800 kg / mm 2承压局部直径： D = Di= 2581 m mP设 ，1 s 计算壁厚： S ” = 1 FD2= 437.57
15、 mm设计壁厚选取为： S = 440 m m堆焊层厚度： S堆= 10 m m6 传热管实际平均长度： l = l总+ 2 S= 10.44 mn总最长管子长： lmax= p Rmax+ 2 H直+ 2 S = 15.86m最短管子长： lmax= p Rmin+ 2 H直+ 2 S = 8.89 m2.6 主要管道内径的计算主管道计算流速： u ”10= 10 m / s选取，812m/s)主管道计算内 d ” =1i= 0.61 m4 G v1 1p u ”10主管道设计内径： d1i= 0.62 m主管道设计流速： u= 4G1 v1= 9.72 m / s10p d 2 1i蒸汽比
16、容： v2= v ” x + v ” (1 - x ) = 0.039064m 3/ kg蒸汽管计算流速： u ”2= 35 m / s选取，3040m/s蒸汽管计算内径： d ”=2 i= 0.4231 m4G v2 2p u ”29蒸汽管设计内径： d2 i= 0.43 m蒸汽管设计流速： u=24G v2 2p d 22 i= 33.89 m / s二回路给水比容：v3=0.001187 m 3 / s给水管计算流速： u ”3= 4 m / s选取，25m/s4G v3 3p u ”3给水管计算内径： d ”=3 i= 0.219 m给水管设计内径： d3 i= 0.22 m给水管设计
17、流速： u=34G v3 3p d 23 i= 3.97 m / s2.7 一回路水阻力计算(1) U 型管内摩擦阻力计算考虑堵管后流速u ”1= 1.05 u1= 1.05 5.00 = 5.25 m / su ” d 回路侧水雷诺数 ：R e =1i= 819327.34h v1 1摩擦阻力系数： l = 0.3164Re - 0.25 = 0.010826平均壁温：t =0.5(ta+ t ) =0.5 (300 + 264) =282 s在此壁温下的动力粘度：h ” = 9.544 10 - 5 Pa s1温度修正系数： 温度修正系数：f= (h1 )0.14=0.989h ” 1”2
18、摩擦阻力： D P= ll u1= 54139.77Paf2 dif v110(2) 局部阻力计算下封头内径： Dl= 2.507 m水室截面积： F= pc8D 2 = 2.47 m 2l进口管内径： d1i= 0.62 m与主管道一样p进口管截面积： A =d 2141ip= 0.62042 = 0.302 m 2突扩阻力系数： x1= (1 -A1 ) 2F= 0.7703c一回路侧水入口处比容：v=0.001421m1i3 /kg15.0MPa，310入口管内流速： u= 4 Gv1 1i= 9.72 m / s1ip d 2 1i从入口管至水室阻力： D P1u 2= x1i1 2
19、v= 25585.25Pa1i水室转弯45阻力系数： x= 0.9查表，线性插值2水室转弯 45 阻力： D P2u 2= x1i2 2 v= 29892.47Pa1i考虑堵管后截面积： A ” =A1.05= 0.559 m 2A ”系数：F= 0.23c查图得传热管入口阻力系数： x= 0.43传热管入口阻力： D P3u ”2= x13 2 v= 3878.63Pa1iU 型管转180阻力系数： x=0.5411U 型管转180阻力： D P4u ”2= x14 2 v1= 4999.52 Pa传热管出口阻力系数： x= 0.535出口处水比容15.0MPa，290：v2=0.00134
20、1 m 3 / kg传热管出口阻力： D P5u ”2= x15 2 v= 5444.30Pa2出口管内流速： u2G v=1 2A1= 9.46 m / s水室转弯45阻力系数： x= 0.9查表，线性插值6水室转弯阻力： D P62u= x26 2 v= 30004.97Pa2出口管突缩阻力系数： x= 0.467出口管突缩阻力： D P72u= x27 2 v= 15335.88Pa2总阻力： D P = D Pf+ D P7ii =1=169280.78Pa设计阻力： D P设= 1.1 D P = 186208.86Pa2.8 二回路水循环阻力计算(1) 下降空间阻力下降空间水比容：
21、v=0.001286 m 3d/ kg入口阻力系数： x= 1in出口阻力系数： x= 1out12定位装置阻力系数： x= 1f0下降空间高度： H= 5.78 m衬筒外径： H0= 5.78 m下筒体内径： Di ,下= 2.58 m下降空间当量直径： D e = D- Di ,下w o= 0.176 m确定粗糙度： D=0.15 mmDe176摩擦系数： ld= (1.74 + 2 lgp) - 2 = (1.74 + 2 lg2 D2 0.15) - 2= 0.012下降空间截面积： F=d( D 24i ,下- D 2w o) = 0.689 m 2下降空间水流速： uCDv=Rd=
22、 126 0.001286 3, 4, 5 = 0.71, 0.94,1.18m / sdF0.68dHu 2 r下降空间阻力： D P= (l0 + Sx )dd= 700.56,1038.51,1622.68PadDe2(2) 上升空间阻力a)摩擦阻力饱和水比容：v ” =0.001286 m 3 / kg饱和蒸汽比容：v ” =0.039439 m 3 / kg饱和蒸汽密度： r ” =1=25.36 kg / m 3v ”衬筒内径： Dw i= 2.3808 m传热管外径： do= 0.022 m支撑板定位拉杆数量： n ” = 1013上升空间流通面积： Fu= p D 24w i-
23、 (2 n + n ” ) d 2 = 2.86 m 2o上升空间当量直径： de = 4 Fu= 0.0386p D+ (2 n + n ”) d w i0循环速度： u= CRDv ”= 126 0.001286 3, 4, 5 = 0.170,0.227, 0.283 m / s0F2.81u出口水相折算速度： u ”02(C=R- 1) Dv ”F= 0.1133,0.1699,0.2265 m / su液相平均折算速度： u” = 1 (u+ u ”) = 0.1416,0.1982,0.2548 m / so2002出口汽相折算速度：u ”=02Dv ”F= 1.737m / su
24、汽相平均折算速度： u” = 1 u ”= 0.87 m / s0202液相动力粘度： vl= 0.000100003m 2 / s汽相动力粘度： vg= 1.803 10 -5 m 2 / s液相雷诺数： R elou ” de= o= 42491.64,59488.29,76484.95vl汽相雷诺数： R egou ” de=ov= 47130.34g判别流型：都为紊流。管束直段高： H= 3.81 m直液相摩阻系数： llo= 0.184R e - 0.2lo= 0.0220汽相摩阻系数： lgo= 0.3164 Re -0.25go= 0.0214按折算速度计算的液相摩擦阻力： (
25、D P )= lH 直u ” 2 r ”o= 16.95, 30.54, 47.41 Paflolo2 de14按折算速度计算的汽相摩擦阻力： ( D P )= 1 lHu ” 2 r ”直o= 6.75 Pafgo3go2 de( D P )flo( D P )fgo参量 X： X = 1.58, 2.13, 2.65F 2l ： F 2= 1 +20 +1= 14.02,10.62,8.69lXX 2F 2g ： F 2 = 1 + 20 X + X 2 = 35.20, 48.06, 61.02g液相摩擦阻力： (D P )fl= F 2 (D P )lflo= 237.68,324.5
26、3, 412.04 Pa汽相摩擦阻力： (D P )fg= F 2 ( D P )gfgo= 237.68,324.53, 412.04 Pa摩擦阻力： D Pfb） 局部阻力：1=( D P )2fl+ ( D Pf) = 237.68,324.53,412.04 Pag支撑板数目：N=6上升流道单元面积： Au= t 2 - p d 24o= 568.5 m m 2支撑板单元开孔面积： au面积比：0.2局部阻力系数： x= 50l= 2 p (13 23- 10 2 ) = 113.1 m m 2按折算速度计算的液相局部阻力： ( D P )l lo= N xu ” 2 r ”ol2=
27、2337.36,4581.22,7573.04Pa1u ” 2 r ”按折算速度计算的汽相局部阻力： ( D P )lgo=N x3 o= 955.63 Pal2( D P )l lo( D P )lgo参量 X： X = 1.56, 2.19, 2.82二回路工作压力： P =5.0 MPas临界压力： P =22.12 MPac15参数Z= (0.19 + 0.92Ps )- 1=2.513RPc1参数 K： K =Z+RZ=2.911RF 2： F 2= 1 +K +1= 3.27, 2.54, 2.16llXX 2F 2 ： F 2gg= 1 + KX+ X 2= 8.00,12.17
28、,17.12液相局部阻力： ( D P )= F 2 ( D P )= 7643.30,11627.28,16359.22Pal lll lo汽相局部阻力： (D P )= F 2 ( D P )= 7643.30,11627.28,16359.22Palgglgo局部阻力： D Pl= 7643.30,11627.28,16359.22Pac） 弯管区阻力管束弯头最大节圆直径： db= 2.34 m m弯管区重心至圆心距离： ys= 0.2122 db= 0.4967计算冲刷排数： N ” = ys - 1 16tt系数： x =x =12d= 1.4o系数： n =0.43 +1.13x=
29、 1.241液相雷诺数： R elou ” de=02vl= 33993.31,50989.96,67986.62汽相雷诺数： R egou ” de=o 2v= 94260.68g16液相摩擦阻力： l= 40.044+0.08 x2 R e- 0.15= 0.328,0.308, 0.295lo( x1- 1) nlo汽相摩擦阻力： lgo= 1.5715 Re -0.15go= 0.281液相阻力： ( D P )b lou ” 2 r ”= N ”lo 2lo2= 26.15,55.37, 94.28 Pa汽相阻力： ( D P )bgo= N ”lu ” 2 r ”o 2go2= 5
30、7.35 Pa( D P )b lo( D P )bgo参量 X： X = 0.67,0.98,1.28F 2 : F 2= 1 +20 +1= 7.5, 5.00, 3.88loloXX 2F 2 : F 2gg= 1 + 20 X + X 2 = 3.42, 4.83 ，6.38液相阻力： ( D P )= F 2 ( D P )= 196.219,276.733,365.645Pab llb lo汽相阻力： (D P )= F 2 (D P )= 196.219,276.733, 365.645 Pab ggb go弯管区阻力： D P1=( D P )+ ( D P ) = 196.219,276.733,365.645Pab2b lbgd） 加速阻力1管束出口质量含汽率： x =2C= 0.333,0.25,0.20Rx2r ”x2r ”+ (1 - x )2r ”管束出口体积含汽率： b=2= 0.939,0.911,0.885系数： C = 0.833 + 0.05 ln(p s ) = 0.91310 6管束出口截面含汽率： f2= C b2= 0.857,0.832, 0.808质量流速： G = u r ”0= 132.07,176.095,220.119kg / m 2 s17加速阻力