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1、“蒸汽发生器”课 程 设 计 说 明 书 姓 名： 学 号： 班 级： 院 系：核科学与技术学院 指导教师： *年*月*日第一章 绪 论一、蒸汽发生器概述蒸汽发生器是核电动力设备中的一个主要部件，产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核能反应堆中，核能产生的热量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器传给二回路的给水，使其产生具有一定压力、一定温度和一定干度的蒸汽，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设备，又是二回路设备，所以被称为一、二回路的枢纽。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠地运行，对整个核动力装置的经济性和安全性具有十分重要的影响。国外压水堆
2、核电站的运行经验表明，蒸汽发生器的性能（无论是静态性能还是动态性能）均能满足使用要求，但在可靠性方面却难以令人满意。在运行中发生蒸汽发生器传热管破损事故的装置数目，接近压水堆动力装置总数的四分之一。各国都把研究和改进蒸汽发生器当做完善压水堆核电技术的重要环节，并制定了庞大的研究计划，主要包括蒸汽发生器的热工水利分析；腐蚀理论和传热管材料的研制；无损探伤计数；振动、磨损、疲劳研究；改进结构设计，减少腐蚀化学物的浓缩；改进水质控制等。二、蒸汽发生器的基本技术要求在核动力装置中，由于一回路为带有放射性回路，而二回路为无放射性回路，因此在研制蒸汽发生器时对结构、强度、材料抗腐蚀性、密封性等都提出了很高
3、的要求，其中最基本的技术要求为：(1)蒸汽发生器及其部件的设计，必须供给核电站在任何运行工况下所需的蒸汽量及规定的蒸汽参数。只有满足这个要求才能保证电站在任何负荷下经济运行。(2)蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要，而且要求随着单机容量的增加，其技术经济指标得到相应改善。(3)蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。(4)蒸汽发生器单个零、部件的装配必须保证在密封面上排除一回路工质漏入二回路中去的可能性。(5)必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。(6)蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽发生器在高温下可靠地运行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。(7)蒸汽发
4、生器应设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而及时排除，并有可能彻底疏干。(8)保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选择结构方案、材料、传热管尺寸、传热系数以及冷却剂等。另外，必须采取减少向外散热损失的措施。三、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、结构设计等。热力学计算主要通过传热学知识计算传热管传热面积，然后与管束结构设计相结合可以得到传热管长度、管束直径等结构参数。强度计算通过压力校验等用于选取蒸汽发生器结构材料、确定结构尺寸等。蒸汽发生器中要通过强度计算得出的参数有传热管、
5、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一定余量，以满足变工况下出现超压情况的需求。水动力计算是最后一步，因为只有结构尺寸确定，运动状态已知的情况下水力情况才得以确定。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单主要包括单相水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复杂。因为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、流道的结构和几何形态，以及工质的流动形式。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、汽水分离器阻力等。
6、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、流量分配孔阻力五项。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离器负荷，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结构选型和热力计算之后进行，但是结构设计和热力计算又需要水力计算数据，因此三者往往要反复交替进行，以使设计逐步完善。四、目的和要求： 1、运用“核动力设备”课中所学的知识，并加以巩固、充实和提高。 2、掌握蒸汽发生器设计
7、计算的标准方法。 3、具有初步综合考虑蒸汽发生器结构设计的能力。 4、培养学生查阅资料，合理选择和分析数据的能力，提高学生的运算、绘图等基本技能。 5、培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责态度。五、任务：在课程设计中学生独立完成如下任务： 1、完成蒸汽发生器的方案设计与论证 2、完成蒸汽发生器的热力计算 3、完成蒸汽发生器的水动力计算 4、完成蒸汽发生器的强度计算 5、完成蒸汽发生器的结构设计 6、绘制蒸汽发生器的总图 7、编写设计说明书。六、时间分配：课程设计共安排两周，其具体时间安排如下： 1、蒸汽发生器的热力计算 1.5天 2、蒸汽发生器的水动力计算 3天 3、蒸汽发生器的强度计算 0
8、.5天 4、蒸汽发生器的结构设计 1天 5、蒸汽发生器的总图绘制 2天 6、编写设计说明书 1天7、答辩 1天一、 给定条件1、 蒸汽产量：D=126kg/s；2、 蒸汽干度：x=0.99；3、 蒸汽发生器的热效率：；4、 一回路侧额定工作压力：MPa；5、 一回路侧设计压力：6、 一回路侧冷却剂入口温度；7、 一回路侧冷却剂出口温度；8、 二回路侧给水温度：9、 二回路侧额定工作压力：MPa；10、二回路侧设计压力：11、传热管壁导热系数： W/m12、传热管壁许用应力： kg/mm2；13、下筒体许用应力： kg/mm2；14、上筒体许用应力： kg/mm2；15、球形下封头许用应力： k
9、g/mm2；16、管板许用应力： kg/mm2；17、传热管最小节距：，一般取为1.351.45；18、上筒体内径3200 mm，高度4000 mm。19、下降空间： (1)入口阻力系数=1；(2)出口阻力系数=1；(3)定位装置阻力系数=1；(4)绝对粗糙度=0.15 mm。20、流量分配管板：(1) 单元面积=533 mm2; (2)单元开孔面积=216 mm2。二、 热平衡计算一回路进口焓值：=1394.27 kj/kg (15.0MPa，310）；一回路出口焓值：=1284.45 kj/kg （15.0MPa，290）；二回路给水焓：=944.43 kj/kg (5.0MPa，220）
10、；二回路饱和水温：=264 （5.0MPa）；二回路饱和水焓：=1154.50kj/kg （5.0MPa）；二回路饱和蒸汽焓值：=2794.23kj/kg（5.0MPa）；二回路汽化潜热： =1639.73kj/kg （5.0MPa）；排污量：；干度：x=0.99: 换热量：；一回路水流量： ；=0.99为蒸汽发生器的热效率。三、管径的选取以及传热管数目的确定选取传热管的外径为：d0=22 mm；节距选取为：t=1.36364d0=30 mm ；则最小节圆直径为： ；负公差修正系数：=1.102；弯曲减薄系数：；一回路侧设计压：传热管壁厚： ，此处取；传热管内径：；单管流通面积：；考虑最佳高径
11、比为3，选取传热管数目,：1660，实际高径比为2.91；一回路水平均比容：（15.0MPa，300，饱和水）；则一回路侧流通面积为：；一回路侧水流速度为：。三、 换热面积的计算一回路侧水导热系数： （15.0MPa，300，饱和水）一回路侧水普朗特数： （15.0MPa，300，饱和水）一回路侧水动力粘度： （15.0MPa，300，饱和水）一回路侧雷诺数：一回路侧换热系数：传热管导热系数： （给定）传热管壁热阻：污垢热阻： （按I-600选定）对数平均温差： 假设热负荷q，进行迭代可以求得k=5458.63W/m2此时的热负荷为计算传热面积：传热裕度系数：C=1.1设计传热面积：四、管束结
12、构的计算传热管总长：传热管排列方式：按正方形排列最小U型管节圆直径：实际布管数：n=1660根管束直径：管束弯段高：平均直径：弯管总长：直管总长：管束直段高：管束总高：强度计算（1）衬筒内径：其中t是装配间隙，约1020mm，取15mm。衬筒外径：，其中是衬筒壁厚，给定为12mm。（2）下筒体内径：其中B为下降流道宽度，取为88mm。下筒体许用应力：=18kg/mm2下筒体计算壁厚：设计壁厚：下筒体外径：（3）上筒体许用应力：=18kg/mm2 （给定）设计壁厚取为：则上筒体外径为（4）球形下封头许用应力：外径：设计壁厚取为：（5）管板许用应力：承压部分直径计算壁厚：设计壁厚选取为：堆焊层厚度
13、： （6）传热管实际平均长度：最长管子长：最短管子长：主要管道内径的计算主管道计算流速： （选取，812m/s) 主管道设计内径：20主管道设计流速：蒸汽管计算流速： （选取，3040m/s）蒸汽管计算内径：蒸汽管设计内径：蒸汽管设计流速：二回路给水比容：给水管计算流速： （选取，25m/s）给水管计算内径：给水管设计内径：给水管设计流速：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一回路侧水雷诺数：摩擦阻力系数：平均壁温：在此壁温下的动力粘度：温度修正系数：摩擦阻力：(2)局部阻力计算下封头内径：水室截面积：进口管内径： （与主管道相同）进口管截面积：突扩阻力系数：一回路侧水入口
14、处比容： （15.0MPa，310）入口管流速：从入口光至水室阻力：水室转弯45阻力系数： （查表，线性插值）水室转弯45阻力：考虑堵管后截面积：系数：查图得传热管入口阻力系数：传热管入口阻力：U型管转180阻力系数：U型管转180阻力：传热管出口阻力系数：出口处水比容（15.0MPa，290）：传热管出口阻力：出口管内流速：水室转弯45阻力系数： （查表，线性插值）水室转弯阻力：出口管突缩阻力系数：出口管突缩阻力：总阻力：设计阻力：2.8 二回路水循环阻力计算 (1)下降空间阻力下降空间水比容：入口阻力系数：出口阻力系数：定位装置阻力系数：下降空间高度：衬筒外径：下筒体内径：下降空间当量直径
15、：绝对粗糙度：摩擦系数：下降空间截面积：下降空间水流速：下降空间阻力：(2)上升空间阻力a) 摩擦阻力饱和水比容：饱和蒸汽比容：饱和蒸汽密度：衬筒内径：传热管外径：支撑板定位拉杆数量：上升空间流通面积：上升空间当量直径： 循环速度：出口水相折算速度：液相平均折算速度：出口汽相折算速度：汽相平均折算速度：液相动力粘度：汽相动力粘度：液相雷诺数：汽相雷诺数：判别流型：都为紊流。管束直段高：液相摩阻系数：汽相摩阻系数：按折算速度计算的液相摩擦阻力：按折算速度计算的汽相摩擦阻力：参量X：液相摩擦阻力：汽相摩擦阻力：摩擦阻力：b）局部阻力：支撑板数目：N=6上升流道单元面积：支撑板单元开孔面积：面积比：
16、0.31局部阻力系数：按折算速度计算的液相局部阻力： 按折算速度计算的汽相局部阻力：参量X：二回路工作压力：临界压力：参数参数K：液相局部阻力：汽相局部阻力：局部阻力：c）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：系数：系数：液相雷诺数：汽相雷诺数：液相摩擦阻力：汽相摩擦阻力： 液相阻力：汽相阻力： 参量X：液相阻力：汽相阻力：弯管区阻力： d）加速阻力管束出口质量含汽率：管束出口体积含汽率：系数：管束出口截面含汽率：质量流速：加速阻力：e）流量分配孔板阻力：阻力系数：孔板局部阻力：上升空间阻力：f）汽水分离器阻力：g）循环总阻力：运动压头计算（1）预热段高度计算：二
17、回路给水焓：二回路饱和水焓：液面高度：下降空间下端压力：压力下的饱和水焓：预热段高度：（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：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：循环倍率的确定将循环倍率、循环运动压头和循环运动压头对应数值列出表并做曲线，得以下结果：循环倍率345循环总阻力25120.2534427.3144841.95运动压头36038.4534207.2832544.10由上图可近似确定循环倍率为4，满足2到5之间的要求。第三章 结论与评价本设计说明书主要对立式U型管自然循环蒸汽
18、发生器的设计计算进行说明和解释。完成了撑起发生器的方案设计与论证，基本完成率课程设计的对蒸汽发生器热力，水动力，强度，和结构设计等项目的计算任务，绘制了蒸汽发生器的总图；巩固和提高了核动力设备课程中所学知识，掌握了蒸汽发生器设计和计算的方法，掌握了基本运算和绘图的能力。本方案通过设计可以得到，一回路流速为6.23m/s，传热管采用正方形布置。自然循环蒸汽发生器具有水容积大，蓄热量高，缓冲性能好，安全可靠性高的突出特点。同时，采用的传热管正方形布置也具有结构简单，装配方便的优点。通过管束结构计算，得出管束直径为2.04m，管束总高为5.9m，高径比为2.9，基本符合最佳高径比。通过水动力计算，获
19、得了整个循环回路的流动阻力和运动压头，并根据图解法获得了稳定的循环倍率为4，循环速度为0.23m/s，也满足了工程要求。但是本方案中还是有很多不足之处：1. 采用钻孔支承板，容易导致在缝隙区出现局部缺液传热状态，由此产生化学物质浓缩，造成传热凹陷及支承板破裂。2. 虽然“高径比”2.9与预期最优值3较为接近，但在管束直径和弯管计算以及传热管排布做了较大的简化处理，在实际精加工中比一定能够实现。3. 在计算两相流的压降时，选用的分相流模型是否能够较为有效的满足实际情况未知，需要大量合理的实验验证。4. 实际中零件加工精度高，因为手绘图纸，按照比例缩放，太小的距离很难把握，与实际比例不符，作图任由欠妥之处。参考文献1 孙中宁.“蒸汽发生器”课程设计指导书.哈尔滨:哈尔滨工程大学核科学与技术学院，20072 孙中宁.核动力设备.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20033 压水堆核电厂的运行.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社4 占海明.基于MATLAB的高等数学问题求解.北京：清华大学出版社，2013