蒸汽发生器课程设计计算

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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级目录第一章 绪 论第二章 蒸汽发生器的设计与计算2.1 根据热平衡确定换热量2.2 管径的选取以及传热管数目的确定 2.3 换热面积的计算2.4 管束结构的计算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 循环倍率的确定第三章 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绪论第一章蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，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

2、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，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、在预期运行事件、设计基准事故工况以及过度工况下保证反应堆装置的可靠运行。实际运行经验表明，蒸汽发生器能否安全、可靠的运行，对整个核动力装置的经济性和安

3、 全可靠性有着十分重要的影响。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 制定了庞大的科研计划，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。第二章 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、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

4、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、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

5、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。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

6、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。2.1根据热平衡确定换热量一回路进口焓值:i=1394.21 kj/kg (15.0MPa, 310C)；1一回路出口焓值: i=1284.45 kj/kg (15.0MPa,290C)；1i二回路给水焓: f=944.38 kj/kg (5.0MPa,220C)；二回路饱和水温: t =264C (5.0MPa)；s二回路饱和水焓: i =1154.50kj/kg (5.0MPa)；s二回路饱和蒸汽焓值: i=2793.6 kj/kg(5.0MPa)； s二回路汽化潜热: r=i-i =2793.6-1154

7、.2=1639.73kj/kg(5.0MPa)ss排污量：D 二 CD 二 0.01 x 126 二 1.26kg / s ds干度：x=0.99:换热量：Q = Drx + (D + Dd)(is if) = 231278.98一回路水流量：二 2128.40 kgQ耳(i一 i”)11=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的确定选取传热管的外径为：d0=22mm；节距选取为：t=1.4*d =30.8mm ；0则最小节圆半径为：R min = 2t = 61.6mm ； 负公差修正系数：9 =1.102；弯曲减薄系数：9R4R1.082 ；min一回路侧设计压：P

8、 = 1.25P = 15*1000000/9.8*104kg /cm2 = 191.3265kg /cm2设,11传热管壁厚：S1 =Pd设1 oQ200Q + 0.8PR1设,1=1.34mm此处取S = 1.5mm1传热管内径：d = d 一 2S = 19mmi o 1单管流通面积：a =兀 d 2 =兀 x192 = 284mm24 i 4选取一回路侧水流速度为：u = 5.0m / s1一回路水平均比容：v = 0.001378m3 / kg （i5.0MPa, 300C，饱和水）1Gv则一回路侧流通面积为：A = = 0.5866m2uU型管数目为：n = - = Gv仏=28.

9、40*0001378 /5 = 2069根据排管最后确定U型管数目为: a a284n=20862.3 换热面积的计算一回路侧水导热系数：九广 0.5614W/（m - C）（15.0MPa, 300C，饱和水）一回路侧水普朗特数：Pr = 0.8616（15.0MPa, 300C，饱和水）f一回路侧水动力粘度：耳=8.833x10-5kg/ms （15.0MPa, 300C，饱和水）1一回路侧雷诺数： ReJud=7.8 x 105 卩耳V11九回路侧换热系数：a = 0.023-+Re o.8 Pr 0.4 = 33128.72d f fi传热管导热系数：九=17.4W / （mC）（给定

10、）w传热管壁热阻：R =-wddlIn o = 9.27 x10-5m2 - C / W 2九dwi污垢热阻：R = 2.6x10-5m2 C/W （按 i-600选定） fAt= t -1 = 310 - 264 = 46Cmax1s传热温差：At= t -t = 290 - 264 = 26Cmin1sAt- At46 - 26At= maxmin = 35ClnAtJ 46ln maxlnAt26min一(d 11假设一个q值，进行迭代可以求得试取k = -o + R + R += 5258W/m2 - K(a w f a 丿i 1 2则此时的热负荷为：q = k - At = 1.84

11、6x 105W / m2lna = 0.557p0.15q0.7 = 27357.7W / (m2 - C)2s所需传热面积：F = Q = 1252.80m2k - A tln传热裕度系数：C=l.l设计传热面积： F =C-F = 1378.08m2 设2.4 管束结构的计算F传热管总长：L = 设=19939m 总 兀o传热管排列方式：按正方形排列最小 U 型管节圆直径： D = 4t = 0.1232 m节实际布管数：n=2086根管束直径： D = 2.34mtb弯管段高为：D = 1.17mmmax平均直径： D = 0.5 x (0.1232 + 1.17) = 0.6466m弯

12、管总长：L界=0.5兀D - n = 4036.87m弯直管总长：L = L - L = 19939 - 4036.87 = 15902.13m直 总 弯管束直段高：H直=Ln = 3.8m管束弯段高： H = 0.5D=1.17m弯max管束总高：Htb - H直+ H弯=4.982.5 强度计算(1)衬筒内径：D = D+ 25 = 2.38mwi 管束 t其中t是装配间隙，约1020mm，取20mm。给定为12mm。= 46.72mm衬筒外径：D二D + 25二2.404m，其中5是衬筒壁厚,wo wi(2)下筒体内径：D 二 D + 2B 二 2.58mi ,下wo其中B为下降流道宽度

13、，取为88mm。二回路侧设计压力：P 二 1.25P 二 63.7755kg /cm2设，2s下筒体许用应力：o=18kg/mm2P D下筒体计算壁厚：下筒体计算壁厚：S= 设，牙-2000 1.2P设，2设计壁厚为：S = 47mm下筒体外径为：D 二D +2S二2675mmo，下i，下(3)上筒体许用应力：o=18kg/mm2上筒体内径：D= 3200mm (给定)i,上P D上筒体计算壁厚：S=设， a上 =57.92mm200R 1.2P设，2设计壁厚取为： S = 58mm 则上筒体外径为： D = D + 2S = 3.316m。，上i,上(4)球形下封头许用应力：R = 14.5

14、kg /mm2球形封头外径： D = D = 2675mmosP D计算壁厚：S=设，o= 83.82mm400R +1.6P设，1设计壁厚取为：s = 84mm管板许用应力：2 二1800kg /mm2承压部分直径：D = D = 2581mmi计算壁厚：S= 2 FdJ，/- 437.57mm设计壁厚选取为：S = 440mm堆焊层厚度：S二10mm堆（6）传热管实际平均长度：l = 总+ 2S = 10.44m n 总最长管子长：/ =兀R + 2H + 2S = 15.86mmaxmax直最短管子长：/ =兀R + 2H + 2S = 8.89mmaxmin直2.6 主要管道内径的计算

15、主管道计算流速：u = 10m / s （选取，812m/s）10主管道计算内d=.丄1 = 0.61m V n u 10主管道设计内径： d = 0.62 m1i主管道设计流速：u = G/1 = 9.72m / s10n d 21i新蒸汽比容：v = v”x + v(1-x) = 0.039064m3 /kg2蒸汽管计算流速：u = 35m/s（选取，3040m/s）2蒸汽管计算内径：d =：竺乙=0.4231m2i 北 n u1 2蒸汽管设计内径：d = 0.43%蒸汽管设计流速：u = G2V2 = 33.89m / s2兀d 22i回路给水比容：v = 0.001187m3 / s3

16、给水管计算流速：字4m/s(选取，25m/s)给水管计算内径：d =G3V3 = 0.219m3i Y 兀 u13给水管设计内径： d = 0.22m给水管设计流速：u = 3.97m / s3兀d 23i2.7 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 = 1.05u = 1.05 x 5.00 = 5.25m / s11一回路侧水雷诺数:Re =怛 =819327.34耳v11摩擦阻力系数：九=0.3164Re -0.25 = 0.010826平均壁温：t = 0.5(t + t ) = 0.5 x (300 + 264) = 282Cas在此壁温下的动力粘度：“ 1

17、= 9.544 x 10-5Pa -s温度修正系数：温度修正系数$ = (-+)014 = 0.989耳1/. u2摩擦阻力：AP =九1= 54139.77Paf2d vi1（2）局部阻力计算下封头内径：D二2.507ml兀水室截面积：8 Di2 = 2.47m 2进口管内径：d = 0.62m （与主管道相同）兀兀进口管截面积：A =一 d2 = x 0.6202 = 0.302m214 1i 4A突扩阻力系数：2 (1子)2 0.77031Fc一回路侧水入口处比容：v 0.001421ne/kg(15.0MPa, 310C)1i入口官内流速：u 9.72m/s1i兀 d 21i从入口管至

18、水室阻力：AP 2 亠25585.25Pa11 2 v1i水室转弯45阻力系数： 2 2 0.9 （查表,线性插值）u2水室转弯45。阻力：AP 2 亠29892.47Pa22 2v1iA考虑堵管后截面积：A = 1 05 = 0-559m2A系数： 0.23Fc查图得传热管入口阻力系数： 2 30.4u2传热管入口阻力：AP =23 2 - 3878.63Pa1iU 型管转180阻力系数： 2 4 0.5u2U 型管转 180 阻力：AP =g - = 4999.52Pa 44 2v1传热管出口阻力系数： 二53出口处水比容(15.0MPa, 290C)： v = 0.001341m3 /

19、kg2u2传热管出口阻力：AP =. -2- = 5444.30Pa2Gv出口管内流速：u =乞=9.46m/s2A1水室转弯45阻力系数： = 0.9 (查表,线性插值)6u2水室转弯阻力：AP =62 = 30004.97Pa2出口管突缩阻力系数： 7=0.46u2出口管突缩阻力：AP =寸 =15335.88Pa2总阻力：AP = AP + AP =169280.78Pafii=1设计阻力： AP = 1.1AP = 186208.86 Pa 设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： v = 0.001286m3 / kgd入口阻力系数： = 1in出口阻力系数：

20、 = 1out定位装置阻力系数：g二1f下降空间高度：H = 5.78m0衬筒外径：Ho二5.78m下筒体内径：Di，下二2.58 m下降空间当量直径：De = D -D = 0.176mi , 下wo绝对粗糙度： 二0.15mm摩擦系数：4+2lgDe ）-2=4+2 x 览爲=0-012兀下降空间截面积：F =二(D2 D2 ) = 0.689m2d 4 ，下wo心 t C Dv 126 x 0.001286 rn . o_./下降空间水流速：u =r d =x3,4,5 = 0.71,0.94,1.18m/sd F0.68d下降空间阻力：AP =（九H + 災）上2匕=700.56,10

21、38.51,1622.68Pad De 2(2)上升空间阻力a) 摩擦阻力饱和水比容：v二 0.001286m3 / kg饱和蒸汽比容： v二 0.039439m3 / kg饱和蒸汽密度：P =二 25.36kg / m3衬筒内径：D - 2.3808mwi传热管外径：d = 0.022mo支撑板定位拉杆数量：n = 10上升空间流通面积：兀F =一D2 - (2n + n )d2 = 2.86m2 u 4 wio4F上升空间当量直径：de =u= 0.0386兀D + (2n + n )d wi 0C Dv126x 0.001286 r_ . 门 c “r c “小 /循环速度：u = r=

22、x 3,4,5二0.170,0.227,0.283 m/ s0 F 2.81u出口水相折算速度：u = (CR 1)Dv = 0.1133,0.1699,0.2265 m / s02Fu液相平均折算速度：- 1u = (u + u ) = 0.1416,0.1982,0.2548 m / s o 2 0 02Dv出口汽相折算速度：u ” = 1.737m / s02 Fu汽相平均折算速度：1u = u ” = 0.87m / s0 2 02液相动力粘度： v = 0.000100003m2 / s l汽相动力粘度：v = 1.803x10-5m2 / sg液相雷诺数：Re = uo_e = 4

23、2491.64,59488.29,76484.95lo vl后de汽相雷诺数：Re = -o = 47130.34 go vg判别流型：都为紊流。管束直段咼：“直=381m液相摩阻系数：九=0.184 Re -0.2 = 0.0220lolo汽相摩阻系数：九=0.3164Re -0.25 = 0.0214gogo按折算速度计算的液相摩擦阻力：（AP ）=九H務：eP = 16.95,30.54,47.41Pa f lo lo2de按折算速度计算的汽相摩擦阻力：（AP ） = 1九日直2：P = 6.75Pa f go 3 go 2 de(AP )参量 X： X =厶=1.5&2.13,2.65

24、(AP ) f go20 1 2:2 = 1 += 14.02,10.62,8.69l X X 22:2 = 1 + 20X + X2 = 35.20,48.06,61.02g液相摩擦阻力：(AP ) =02(AP ) = 237.68,324.53,412.04Paf l l f lo汽相摩擦阻力：(AP ) =02(AP ) =237.68,324.53,412.04Pafg g fgo摩擦阻力：AP=2(AP)+(AP) = 237.68324.53412.04 Pab）局部阻力:支撑板数目：N=6上升流道单元面积： Au兀=12 一 d2 = 568.5mm24 o支撑板单元开孔面积：

25、 a=2兀(132 -102)= 113.1mm2面积比：0.2局部阻力系数：El二50u 2 p按折算速度计算的液相局部阻力：（AP ）fo =叫甘=37.364581.227573.04 Pa1u 2 p按折算速度计算的汽相局部阻力：（AP）go = 3叫T = 95563Pa参量 X： X = : (AP/)io = 1.56,2.19,2.82V(AP )go回路工作压力：P 二 5.0MPas临界压力： P =c22.12MPaP参数 Z = （0.19 + 0.92 ps）-i = 2.513c参数K： K = Zr +卜=2911RK12：2 =1+X+壬=22542162：2

26、= 1 + KX + X2 = 8.00,12.17,17.12 gg液相局部阻力：（AP）二2（AP）二7643.30,11627.28,16359.22 Pal l l l lo汽相局部阻力：（AP）二2（AP） = 7643.30,11627.2& 16359.22Palg g lgo局部阻力：AP 二7643.30,11627.28,16359.22 Palc）弯管区阻力管束弯头最大节圆直径：化=234mm弯管区重心至圆心距离：y二0.2122d二0.4967sb计算冲刷排数：N=七-1兰16tt系数：x = x = 1.41 2 do1.13系数：n 二 0.43 + 二 1.24x

27、1u de液相雷诺数：Re =血 =33993.31,50989.96,67986.62lo vlu de汽相雷诺数：Re =f = 94260.68 go vg液相摩擦阻力：入lo二 40.044 + 0.08X2 Re -0.15 二0.32&0.30&0.295（X 1）nlo1汽相摩擦阻力：九=1.5715Re-05 = 0.281gogoU 2 O液相阻力：（AP） = N九= 26.15,55.37,94.28 Pab lolo 2U 2 0汽相阻力：（AP） = N九= 57.35Pab go go 2参量 X：X 飞許=0.67。98丄28b go2 :2 = 1 + 20 +

28、 丄=7.5,5.00,3.88loloX X 22 :2 = 1 + 20X + X2 = 3.42,4.83,6.38 gg液相阻力：（AP）二2（AP） = 196.219,276.733,365.645Pab l l b lo汽相阻力：（AP） =O2（AP） = 196.219,276.733,365.645Pab g g b go弯管区阻力：AP = （AP） + （AP） = 196.219,276.733,365.645Pa b 2b lb gd）加速阻力管束出口质量含汽率：x = c = 0.333,0.25,0.202CR管束出口体积含汽率：P= 0.939,0.911,0

29、.885系数：C = 0.833 + 0.051n（話）=0.913管束出口截面含汽率： = CP = 0.857,0.832,0.80822质量流速：G = u p = 132.07,176.095,220.119kg / m2s02 一(1 X )2X2 I- (1 X )2X21加速阻力：AP G2+ 匚136.72,185.61,240.11Paap(19 ) p9p22e）流量分配孔板阻力:e 二 8阻力系数：eh孔板局部阻力：APuOP 二89.75,159.56,249.32Pah h 2上升空间阻力:AP 二 AP +AP +AP +AP +AP 二8303.67,12573.

30、71,17626.34 Par f l b a hf）汽水分离器阻力:AP 二12600,14900,17090 Pasg）循环总阻力：AP总AP +AP +AP 21604.23,28512.23,36339.02 Padrs2.9 运动压头计算1）预热段高度计算:回路给水焓：i = 944380J /kg回路饱和水焓：i 1154200J /kgs液面咼度：H 5.78mo下降空间下端压力：p p + gp H 5.04MPalow s d oPlow压力下的饱和水焓：i二1157255J /kgslA ss 0.062J / kgPa Ap p 一 pslow预热段高度：H =pi iA

31、i-s f + - (p gHCAp d6 ,2兀 d nq Ai o + P g GAp d+ AP )d=0.552,0.558,0.564 m2）运动压头计算蒸发段咼：H = H H = 4.43mr1tb p管束上方区段高度：H = H H = 0.8m 1X1 = 2x2 = 0.167,0.125,0.100血B1r 2 o tb蒸发段平均体积含汽率：蒸发段平均质量含汽率：蒸发段平均截面含汽率：e二CB二0.7&0.74,0.7111管束上方区段平均截面含汽率：e =e = 0.857,0.832,0.808 22蒸发段运动压头：P = (P P”)ge H = 25640.40,

32、24278.86,23054.63Pa m11 r1管束上方区段压头：P = (P P”)g$ H = 5055.84,4905.66,4764.14Pa m22 r 2运动压头：P = P + P = 30696.24,29184.52,27818.77 Pamm1m 22.10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总阻力21604.2335828512.2273136339.02244运动压头30696.2414529184.5227818.77由上图可近似确定循环倍率为3.8，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蒸汽发生器的设计计算进行说明解释。基本完成了课程设计要求的对蒸汽发生器 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 体步骤与过程初步了解。应该说，此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处理，另外，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，这一方面是因为设计者的经验不足，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。