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1、蒸汽发生器设计说明书时间： 2012年12月2日目 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 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全可靠性有
3、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可以得到传热管长度、管束
4、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性质和状态、流道的结构和几何形态，以及工质
5、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
6、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：=1394.21 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：=944.38 kj/kg (5.0MPa，220）；二回路饱和水温：=263.94 （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： r=-=2794.23-1154.50=1639.73kj/kg （5.0MPa）；排污量：；干度：X=0.99；换热量：；一回路水流量： ；
7、=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：do=22mm；节距选取为：t=1.4 do=30.8mm；则最小节圆半径为： ；负公差修正系数：=1.102；弯曲减薄系数：；传热管壁厚： ，此处取；传热管内径：；单管流通面积：;选取一回路侧水流速度为：;一回路水平均比容：（15.0MPa，300，不饱和水）则一回路侧流通面积为：U型管数目为：根据排管最后确定U型管数目为：18862.3 换热面积的计算一回路侧水导热系数： （15.0MPa，300，不饱和水）一回路侧水普朗特数： （15.0MPa，300，不饱和水）一回路侧水动力粘度： （15.0MP
8、a，300，不饱和水）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）传热温差： 在计算传热系数k、热负荷q和二回路侧放热系数2时假设k值，进行了循环迭代。其中： 得：。所需的传热面积：传热裕度系数：C=1.1设计传热面积：2.4 管束结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=1886根管束直径：弯管段高为：平均直径：弯管总长：直管总长：管束直段高：管束总高：2.5 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
9、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：，下筒体外径为：（3）上筒体许用应力：=18kg/mm2 上筒体内径：（给定）上筒体计算壁厚：设计壁厚取为：则上筒体外径为：（4）球形下封头许用应力：=14.5kg/mm2球形封头外径：计算壁厚：，设计壁厚取为：（5）管板许用应力：=1800kg/mm2承压部分直径：计算管板厚：，设计壁厚选取为：堆焊层厚度： （6）传热管实际平均长度： 最长管子长：最短管子长：2.6 主要管道内径的计算主管道计算流速： （选取，812m/s)主管道计算内径：蒸汽管计算流速： （选取，3040m/s）蒸汽管设计内径：二
10、回路给水比容：给水管计算流速： （选取，25m/s）给水管设计内径：2.7 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：一回路侧水入口处比容： （15.0MPa，310）从入口管到水室阻力水室转弯45阻力系数： （查表，线性插值）水室弯转阻力：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.
11、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：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
12、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：0.0215,0.0198,0.0186汽相摩阻系数：0.02095按折算速度计算的液相摩擦阻力：14.82,26.75,41.51Pa按折算速度计算的汽相摩擦阻力：5.901Pa参量X：1.585,2.129,2.652：14.02,10.614,8.684：35.212,48.117,61.073液相摩擦阻力：207.78,283.92,360.47Pa汽相摩擦阻力：207.78,283.94,360.39Pa摩擦阻力：207.78,283.93,360.43Pab）
13、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：0.206局部阻力系数：48按折算速度计算的液相局部阻力： 2076.54,4070.87,6724.70Pa按折算速度计算的汽相局部阻力：848.62Pa参量X：1.564,2.190,2.815二回路工作压力：临界压力：参数参数K：2.9083.268,2.536,2.1597.994,12.165,17.110液相局部阻力：6786.1,10323.7,14518.6Pa汽相局部阻力：6783.9,10323.5,14519.9Pa局部阻力：6785,10323.6,14519.25Pac）弯管区阻力管束弯头最大节
14、圆直径：2.3408m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：37513,56287,75061汽相雷诺数：104014.38液相摩擦阻力：0.324,0.305,0.292汽相摩擦阻力： 0.278液相阻力：23.895,50.643,86.221Pa汽相阻力： 52.42Pa参量X：0.675,0.983,1.28332.82,22.38,17.2014.96,21.63,28.31液相阻力：784.23,1133.39,1483.00Pa汽相阻力：784.20,1133.84,1484.01Pa弯管区阻力： 784.22,1133.62,1483.51Pad）加速阻力
15、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：127.02,169.39,211.68kg/m2s加速阻力：126.27,188.72,222.00Pae）流量分配孔板阻力：阻力系数：孔板局部阻力：83.02,147.64,230.56Pa上升空间阻力：7986.29,12077.51,16815.75Paf）汽水分离器阻力：g）循环总阻力：21318.77,28277.88,35939.28Pa2.9 运动压头计算（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：504799Pa压力下的饱和水焓：0.5791预热段高度：0.7281
16、,0.7844,0.8367m（2） 运动压头计算蒸发段高：4.6767,4.6204,4.5681m管束上方区段高度：0.8952m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： 27055.78,25299.93,23767.92Pa管束上方区段压头：5653.95,5489.01,5330.68Pa运动压头：32709.73,30788.94,29098.60Pa2.10 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 21318.7728277.8835939.
17、28运动压头32709.7330788.9429098.60由上图可近似确定循环倍率为4.2，满足2到5之间的要求。第三章 结论与评价 按照设计要求，本次蒸汽发生器的设计完成了结构设计、热力计算、水动力计算、强度计算，但由于设计者经验上的不足和时间有限等原因，所设计的蒸汽发生器并不是十分满足要求。“高径比”比较小，使得汽水的重力分离不能很好的起到不用，造成这一结果的原因可能是结构参数设计的不够合理。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
18、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严谨设计。 附录1：蒸汽发生器热力计算表序 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231279.792一回路工作压力p1Pa给定150000003一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）2128.4310二回路工作压力psPa给定500000011二回路饱和温度ts查表263.9412二回路水饱
19、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0.0118二回路蒸汽产量Dkg/s12619二回路排污量Dbdkg/sCs D1.26 二、 传热计算序号项 目符号单 位公式及来源数 值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am20.0002835323U型管数目n 结构设计定188624一回路流通面积Am20.553425一回路水平均比容m3/Kg查 表0.001378326一回路水流速u1m
20、/s5.527一回路水导热系数W/m查 表0.5614428一回路水动力粘度kg/ms查 表88.33*10-629一回路水普朗特数Prf查 表0.861630一回路水雷诺数Refu1di/85835031一回路侧放热系数W/m20.02335754.29532传热管导热系数W/m2给定17.433传热管壁热阻Rwm2/W9.268*10-534污垢热阻Rfm2/W按Inconel600选定0.26*10-435二回路侧放热系数W/m227662.7536传热系数kW/m25341.4637大端温差46.0638小端温差26.0639对数平均温差35.12序号项 目符号单 位公式与来源数 值4
21、0热负荷W/ m2 187592.0841计算传热面积Fm21232.8942传热裕度系数选 定1.143设计传热面积m21356.18三、管束结构1传热管总长m19622.072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18866管束直径Dtbm结构设计定2.34087弯管总长L弯m结构设计定3649.838直管总长L直mL总L弯15972.249管束直段高H直mL直/4.234410管束弯段高H弯mRmax1.170411管束总高HtbmH直+H弯5.404812传热管实际平均长度m（L总/n）+2管板厚11.28413最
22、长管子长lmaxm+2H直+2管板厚13.02614最短管子长lminm+2H直+2管板厚9.542四、主要管道内径序号项 目符号单 位公式与来源数 值1冷却剂平均比容m3/Kg查 表0.00137832主管道计算流速m/s选取：812 m/s103主管道计算内径m0.61164主管道设计内径m选 取0.625主管道设计流速u10m/s9.726新蒸汽比容m3/Kg0.0390647蒸汽管计算流速m/s选取：3040 m/s358蒸汽管计算内径m0.42319蒸汽管设计内径m选 取0.4310蒸汽管设计流速m/s33.89111二回路给水比容m3/Kg查 表0.001186812给水管计算流速
23、m/s选取：25 m/s413给水管计算内径m0.21914给水管设计内径m选 取0.2215给水管设计流速m/s3.97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11.2842当量直径m结构设计0.0193一回路水流量G1kg/s热工计算定2128.434一回路水平均比容m3/kg查 表0.00137835一回路水流速m/s热工计算定5.56考虑堵管后流速m/s1.05u15.7757一回路水雷诺数Re热工计算定901267.288摩擦阻力系数0.3164Re-0.250.0102699平均温度下动
24、力粘度kg/m查 表88.33*10-610壁温下动力粘度kg/m按查表95.44*10-611温度修正系数0.98912摩擦阻力Pa55981.24二、局部阻力计算13下封头内径D1m结构设计定2.496814水室截面积Fcm22.448115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0.123318突扩阻力系数查 表0.770419一回路水入口处比容m3/kg查 表0.001421220一回路水入口处密度kg/m3703.63121入口管内流速u1im/s热工计算定9.7222从入口管至水室阻力Pa25591.4923水室
25、转弯45阻力系数查 表0.87524水室转弯45阻力Pa29066.1425传热管流道截面Am2热工计算定0.534726考虑有堵管后截面Am2A/1.050.509327系 数0.20828传热管入口阻力系数查 表0.427529传热管入口阻力Pa5015.9730U型管转180阻力系数查 表0.531U型管转180阻力Pa6049.2332传热管出口阻力系数查 表0.62833出口处水比容m3/kg查 表0.001341634出口处水密度kg/m3745.37935传热管出口阻力Pa7805.68序号项目符号单位公式及来源数值36出口管内流速u2m/s9.4637水室转弯阻力系数6查 表0
26、.87538水室转弯阻力Pa629173.6439出口管突缩阻力系数7查 表0.4640出口管突缩阻力Pa715340.33三、总阻力41总阻力Pa174023.7242设计阻力设Pa191426.09二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2203二回路饱和温度tS查表263.944下降空间水比容vdm3/kg近似取饱和比容0.0012865下降空间水密度kg/m3777.3636入口阻力系数in选取17出口阻力系数选取18定位装置阻力系数f选取1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6.310套筒外径Dw0m结构设计定2.39
27、4811下筒体内径Dsim结构设计定2.570812下降空间当量直径DemDsiDwo0.17613绝对粗糙度m选 定0.0001514摩擦系数0.1888515下降空间截面积Fdm20.686416下降空间水流速udm/s0.7160.9541.19317下降空间阻力Pa732.481300.372033.53二、上升空间阻力1、摩擦阻力1饱和水比容m3/kg查 表0.0012862饱和水密度kg/m3777.3633饱和蒸汽比容m3/kg查 表0.03944634饱和蒸汽密度kg/m325.3515套筒内径Dw1m结构设计定2.37086传热管外径d0m热工计算定0.0227支撑板定位拉杆
28、数量根结构设计定128上升空间流通面积 Fum22.97606序号项 目符号单位公式及来源数 值9上升空间当量直径dem0.044310循环速度m/s0.16340.21790.272311出口水相折算速度m/s0.10890.16340.217912水相平均折算速度m/s0.13620.19070.245113出口汽相折算速度m/s1.670114汽相平均折算速度0.835115水相运动粘度m2/s查 表0.1286*10-616汽相运动粘度m2/s查 表0.7113*10-617水相雷诺数46918656928443218汽相雷诺数5201019判别流态临界值:1000紊流20管束直段高H
29、sm结构设计定4.234421水相摩阻系数0.02150.01980.018622汽相摩阻系数0.0209523按折算速度计算的水相摩擦阻力Pa14.8226.7541.5124按折算速度计算的汽相摩擦阻力Pa5.90125参 量 X1.5852.1292.65226查图或计算14.0210.618.6827查图或计算35.21248.11761.07328水相摩擦阻力Pa207.78283.92360.47序号项 目符号单位公式及来源数 值29汽相摩擦阻力Pa207.79283.94360.3930摩擦阻力Pa207.78283.93360.432、局 部 阻 力1支撑板数目N个结构设计定6
30、2上升流道单元面积Aumm2结构设计定568.53支撑板单元开孔面积aumm2结构设计定117.064面 积 比au/Au0.2065局部阻力系数查 图486按折算速度计算的水相局部阻力Pa2076.544070.876724.707按折算速度计算的汽相局部阻力Pa848.628参 量 X1.5642.1902.8159二回路工作压力Pa给定500000010临界压力Pa查水蒸汽表2206400011参数2.5112参数K2.908133.2682.5362.1597.99412.16517.11水相局部阻力Pa6786.110323.714518.6汽相局部阻力Pa6783.910323.5
31、14519.9局部阻力Pa678510323.614519.25序号项 目符号单位公式及来源数 值3、弯 管 区 阻 力1管束弯头最大节园直径dbm结构设计定2.34082弯管区重心至园心距离ysm0.49673节 距tm结构设计定0.03084计算冲刷排数165系 数x1=x2t/do1.46系 数n1.247水相雷诺数3751356287750618汽相雷诺数104014.389水相磨擦阻力系数x1=x20.3240.3050.29210汽相磨擦阻力系数x1=x20.27811水 相 阻 力Pa23.89550.64386.22112汽 相 阻 力Pa52.4213参 量 X0.6750.
32、9831.28314查图或计算(同摩擦阻力)32.8222.3817.2015查图或计算(同摩擦阻力)14.9621.6328.3116水 相 阻 力Pa784.231133.391483.0017汽 相 阻 力Pa784.201133.841484.0118弯 管 区 阻 力Pa784.221133.621483.51序号项 目符号单位公式及来源数 值4、加 速 阻 力序号项 目符号单位公式及来源数 值1管束出口质量含汽率x20.3330.250.22管束出口体积含汽率0.9390.9190.8853系数C0.9134管束出口截面含汽率0.8570.8320.8085质量流速kg/m2s12
33、7.02169.39211.686加 速 阻 力Pa126.27188.722225、流量分配孔阻力1单 元 面 积mm2结构设计定5332单元开孔面积mm2结构设计定2163系 数0.40534阻 力 系 数h查文献85孔板局部阻力Pa83.02147.64230.566、上升空间阻力1上开空间阻力Pa7986.2912077.5116815.75三、汽水分离器阻力1汽水分离器阻力Pa126001490017090序号项 目符号单位公式及来源数 值四、循环总阻力1循环总阻力Pa21218.7728277.8835939.28、运动压头计算一、予热段高度计算1循环倍率CR假 定3452二回路给水焓ifJ/kg查 表9443803二回路饱和水焓isJ/kg查 表11542004液 面 高 度Hom结构设计定6.35下 降 空 间 水 密 度取777.3636下降空间下端压力Pa50479947压力下的饱和水焓J/kg查 表115725580.57919热负荷qw/
