蒸汽发生器传热管结构设计-毕业设计.doc
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1、蒸汽发生器传热管结构设计 I 摘 要 本文首先对蒸汽发生器的形式进行了选择,经过对比,将自然循环形式的蒸汽发生器作为本次设计的主体。接着通过已给定的原始数据、进行传热计算、并恰当的选择传热管内外径和最后确定 k 值并计算出传热面积。然后通过蒸汽产量和传热管内径,确定了传热管根数。接下来进行传热管结构设计,本次设计使用的是正方形排布,因为管束较多,根据经验应该排布为圆形,传热管之间的距离唯一。根据排管结束后可以得出的蒸汽发生器和 U 型管的相关尺寸数据,进行了水力计算其中包括一回路的 U 形管内摩擦阻力计算、一回路水局部阻力计算;二回路的下降空间阻力计算、上升空间阻力计算;选取适当的汽水分离器阻
2、力。从而得出循环总阻力然后确定预热段高度并进行运动压头的计算,然后通过画图得出最佳循环倍率。关键词 自然循环蒸汽发生器,三角形布置,结构设计 沈阳工程学院毕业设计(论文)II Abstract First,the choice of the steam generator in the form of the design choices,by comparison,the natural circulation steam generator.Subsequently endorsed by the original data,heat transfer calculations,selec
3、t the appropriate heat transfer tube outer diameter and determine the fixed value of k to calculate the heat transfer area.Steam production and heat transfer tube diameter,to determine the heat transfer tubes of the root number.Next,we should do structural design with heat transfer tubes。In this des
4、ign,we used square layout。Because the number of heat transfer tubes is very huge.So we have to arranged them in a circular based on experience.And the distance between heat transfer tubes is only.According to the steam generator can be drawn after the end of the pipe and U-tube size data,the hydraul
5、ic calculation of the U-shaped tube including a loop within the frictional resistance,the local resistance of a circuit water;falling space of two loop resistance calculation of room for growth resistance calculation;select the appropriate soda separator resistance.To arrive at the total loop resist
6、ance and then determine the preheating section height and movement of pressure head calculation,and then obtained by drawing the best circulation ratio.Key word Natural circulation steam generator,Square layout,Structural design 蒸汽发生器传热管结构设计 III 目 录 摘 要.I Abstract.II 第一章 绪论.-1-1.1 研究背景.-1-1.2 蒸汽发生器传
7、热管束结构设计的研究目的及意义.-1-1.3 研究内容与基本方法.-3-1.3.1 传热管的结构设计.-3-1.3.2 传热管结构设计的基本方法.-3-第二章 蒸汽发生器传热管的设计方法.-4-2.1 传热系数 k 值得选取.-4-2.2 传热面积的设计方法.-5-2.3 传热管材料的选取.-6-2.4 传热管结构的设计.-7-2.5 国外关于蒸汽发生器传热管的设计的先进成果.-7-第三章蒸汽发生器结构设计.-9-3.1 给定条件.-9-3.2 蒸汽发生器的热力计算.-10-3.2.1 热平衡计算.-10-3.2.2 传热管及管内水流速的选取.-10-3.3 传热计算.-11-3.4 传热管的
8、排布设计.-13-第四章蒸汽发生器水力计算.-18-4.1 蒸汽发生器水动力计算.-18-4.2 一回路水阻力计算.-19-4.3 二回路水循环阻力计算.-20-4.4 运动压头计算.-27-4.5 确定循环倍率.-28-结 论.-29-致 谢.-30-参考文献.-31-蒸汽发生器传热管结构设计 -1-第一章 绪论 1.1 研究背景 在早期的蒸汽发生器设计制造过程中,由于缺乏设计和运行规范,便假设蒸汽发生器与其他反应堆部件具有一样的寿命。但是反应堆的运行经验表明,蒸汽发生器,尤其是其中的传热管束由于各种原因容易发生破裂和腐蚀破损,原因可以归结为设计制造问题,比如缺少准则和分析手段,还有就是由于
9、环境的原因,比如水的流速,水质腐蚀,非正常工况下水温的过高或过低。蒸汽发生器传热管破损事故会给核电厂造成极其严重的后果,不仅会使一回路侧系统冷却剂装量减少,而且更重要的是它会使二回路侧的压力水位的增加,温度升高,甚至溢满,放射性物质排放到周围环境中,此外,传热管破损还会伴随其它安全设施的失效,造成堆芯损毁。蒸汽发生器的失效主要发生在传热管束,蒸汽发生器以 AP1000 为例约有15000 根薄壁管被固定在管办和支撑板之间。传热管是有放射性的一回路系统和无放射性的二回路系统的交界面,他承受着一次侧和二次侧之间加大的温差和非常高的压力差产生的应力,又承受着水流流动而引起的震动,腐蚀以及传热管与管板
10、连接部位的集中应力等,因此造成蒸汽发生器传热管束破算事故的概率比较高。为了解决这一问题,美国电力研究所和压水堆电站合作成立了蒸汽发生器工作组,开展有效的研究,并及时的运用这些研究成果,共同开展蒸汽发生器的腐蚀失效和可靠性研究。根据卧式蒸汽发生器的运行和设计等方面对腐蚀的机理原因进行较为系统的分析和探讨,并且采用的缓解措施取到了较好效果。但是由于蒸汽发生器的传热管的工况和内部情况比较混杂,传热管的出现腐蚀损伤是不可避免的。从而要求在安全的前提下保证蒸汽发生器经济的运行。我国的压水堆核电站经过多年的运行表明,蒸汽发生器的工作性能足够稳定,但是可靠性不足,传热管束破损数目较高,已经接近了压水堆动力装
11、置总数的一般。各国都把眼界与改进蒸汽发生器技术当做完善整个核动力装置的重要环节,并制定了庞大的研究计划。本次设计是要通过对传热管的排列方式,高度选择,壁厚及长度等方面的安排,利用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,减少腐蚀化学物的浓缩,改进水质控制等。尽可能的使蒸汽发生器再能安全平稳的状况下高效率工作。1.2 蒸汽发生器传热管束结构设计的研究目的及意义 蒸汽发生器作为核电厂一回路与二回路连接的关键设施,其安全性是不容忽 沈阳工程学院毕业设计(论文)-2-视的,传热管束作为蒸汽发生器核心部位,对于它的设计制造自然需要做大量的工作,例如壁厚问题,壁厚过大,虽然安全性大大
12、增加,但是影响换热,增加传热管所占的空间,容易引起二次侧盐分、杂质和泥沙的聚集与浓缩,造成传热管堵塞,相反的,壁厚过小,运行中更容易发生应力断裂或腐蚀破损。所以此次的设计,其目的就是,找到一个适当的结构参数,包括传热管壁的厚度,传热管束的高度,长度,U 形管的排列方式,传热管的排数,每排传热管数量。同时再根据蒸汽发生器的运行参数,通过之前的热力计算和工程水力计算,对传热管结构设计进行校核,接下来还要确定传热管的选材,以保证其能够在高温高压腐蚀辐射等极端恶劣的环境中平稳的工作,最后要确定蒸汽发生器附属的装置,包括管板、防震条的相关尺寸。在压水堆核电站中,蒸汽发生器是一回路系统中的一个主要设备,具
13、有尺寸大,重量重,设计、制造复杂,作用大的特点,再设计和制造方面被称为当代热交换器技术的最高水平。长期以来国际上压水堆核电站蒸汽发生器经常发生传热管腐蚀破损,在可靠性上存在严重问题,是核蒸汽供应系统的唯一致命弱点,保证蒸汽发生器的制造质量有助于提高其安全可靠性。由于蒸汽发生器制造相当复杂,技术密集程度高,要求制造质量符合设计说明书上的要求。因此,对于蒸汽发生器传热管的结构设计具有重大意义。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的要求。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
14、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。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。蒸汽发生器的所有部件应该绝对地安全可靠。蒸汽发生器个零、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。必须排除加剧腐蚀的任何可能性,特别是一回路中的腐蚀。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。蒸汽发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。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
15、,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,对取得蒸汽发生器最佳技术经济指标是非常重要的。另外,必须采取减少向外散热损失的措施。蒸汽发生器传热管结构设计 -3-1.3 研究内容与基本方法 1.3.1 传热管的结构设计 蒸汽发生器的热力计算及热平衡计算:此部分包括,一回路的压力,温度,流量,焓值,再通过以上数值可以初次计算出传热管束的壁厚。此部分包括,在结构参数和基本的热力特性已经确定的前提下,计算出传热面积,再考虑污垢和排污量的问题,利用迭代法反复计算,直到最后可到的换热系数与预想值偏差小于 5%为止 根据热力学的计算结果对传热管进行初步
16、的结构设计此次设计的蒸汽发生器为立式的,为了缩小蒸发器的横向尺寸,所以传热管束的排列应该尽量紧凑些,但是如果上升空间流通面颊过于狭窄,循环倍率就会达不到要求,因此应该先通过传热面积计算出传热管的平均长度,再选择排列方式,和传热管的数量,并且要保留一定的裕度,防止传热恶化。蒸汽发生器的水力计算(1)一回路水阻力计算:U 型管内摩擦阻力计算,一回路局部阻力计算(2)二回路水循环阻力计算:下降空间阻力,上升空间阻力摩擦阻力,支撑上升空间板局部阻力,上升空间弯管区阻力,上升空间加速阻力,上升空间流量分配孔板阻力。根据热工水力计算重新确定传热管的结构形式以及布置方式。确定传热管选用的材料,管板,防震条等
17、部件的相关尺寸。采用热处理的lnconel600 管材,以提高抗一次侧应力腐蚀和二次侧腐蚀与晶间腐蚀能力。按照 RCC-M 所规定的机械性能,确定了最佳退火温度为 1040C。退火和矫直后,管子在 750C下进行 5 小时的消除应力处理,将残余盈利江堤至可忽略限值,在管材微观结构上能使碳化物在晶间周维沉积,能改善在苛性介质中的抗腐蚀性。经在一回路纯水中进行的腐蚀试验表明,lnconel600 对一回路应力腐蚀破裂不敏感。在二次侧含氯化物的介质中,由于镍含量低于 58%,处于氯离子应力腐蚀破裂的不敏感区,具有良好的抗氯离子应力腐蚀性能。又由于铬含量的提高,对于受氯化物和二氧化硫污染的介质中的点腐
18、蚀,也具有良好的抗腐蚀性能。1.3.2 传热管结构设计的基本方法 蒸汽发生器内部构造极其复杂,所用的零部件之间有着密切的联系,所以单纯的只考虑传热管,得到的结果是非常片面的,再设计传热管的排列和分布方式时,应该同时考虑到传热计算的结果,水力计算的动态分析结果,和蒸汽发生器以及传热管内流体的水力特性,将这三者综合分析,别且反复交替迭代计算,才能使设计结果逐步的完善。沈阳工程学院毕业设计(论文)-4-第二章 蒸汽发生器传热管的设计方法 2.1 传热系数 k 值得选取 传热系数 k 值的选取是蒸汽发生器传热管热力计算的核心部分。传热管中的一回路水要比二回路水的温度高出 100C左右,一回路水从进口到
19、出口温度下降 20-30C,而二回路则需要从一回路水中吸收热量,变成对应温度下的饱和水蒸气,这中间的换热过程非常复杂,它包括一回路水的强迫对流换热,传热管壁的传导换热,传热管污垢的传导换热,二回路水的沸腾换热,在设计的过程中,必须要全方面的考虑到这些换热的因素,否则就会容易导致一回路出口水温度过高只是反应堆堆芯冷却不足,或者二回路蒸汽产量不足,具体的选取方法如下 (1)计算一回路测水的强迫对流换热的换热系数,应用公式 4.08.01PrRe023.0fiid (2.1)其中1为换热系数;i为一回路水平均温度下的导热系数,可以通过水和水蒸气性质参数手册(以下简称手册)查得;fRe为一回路水在平均
20、温度下的雷诺数,查找方式同上;Pr为一回路水的普朗克常量,查找方式同上(2)计算传热管的导热热阻,应用公式 iwwdddR00ln2 (2.2)其中wR为导热热阻;0d为传热管的外管径,自由选取,范围是 12mm-22mm;id为内管径,选取方法是先设计传热管管壁厚度 s,再通过公式sddi20求得;w为传热管的换热系数,通过选择的的传热管材料进行选取 传热管壁污垢热阻的选取fR,它的选取范围是WKm/1052.01026.0244 二回路侧沸腾换热系数的选取,应用公式 7.015.02557.0qp (2.3)其中 p 为二回路侧的工作压力;q 为热流密度,通过公式lntkq求得;其中 k为
21、换热系数,lnt对数传热温差,可以通过公式 蒸汽发生器传热管结构设计 -5-二 回 路 饱 和 温 度一 回 路 出 口 温 度二 回 路 饱 和 温 度一 回 路 入 口 温 度一 回 路 入 口 温 差lnlnt (2.4)由此可见,在计算传热系数 k 值的过程中,k 值作为已知量被使用,所以在计算传热系数之前,要预先选定 k 值,代入公式中,最后再解出 k 值,对比这两个值,误差小于 4%即为准确值,否则,重新选定 k 值,进行迭代计算,最终确定传热系数 2.2 传热面积的设计方法 2.2.1 国内外最新的 U 型管自然循环蒸汽发生器近似理论计算热工模型 由于实际的立式 U 型管自然循环
22、蒸汽发生器式样千差万别,结构复杂,在换热面积近似理论计算公式中,对其进行了简化和假设:(1)U 型管传热简化为直管段传热,蒸汽发生器内的流动和传热均为稳态,各 U 型管的换热面积相等,单管与流体的传热仍遵从对数温差传热规律;(2)热流体为单相流,走管程;冷流体为两相流,走壳程;冷流体受热状态仅分为加热状态和蒸发状态,其它状态忽略不计;(3)每根 U 型管沿轴向从中间分开,分为热侧和次热侧,冷流体在热侧和次热侧受热沸腾的初始点不一定相同,热侧和次热侧在加热过程或蒸发过程的传热系数也不一定相同,但蒸汽发生器内所有热侧或次热侧对应区间的传热系数是相同的;(4)冷流体和热流体在所有流体通道中充分混合且
23、均匀分布,流体温度在热侧或次热侧通道横截面中均匀分布,循环水在蒸汽发生器底部与给水均匀混合;(5)冷流体和热流体的压降可以忽略不计,流致振动忽略不计,二次侧排污及其它流量损失忽略不计,一次侧流量损失忽略不计,蒸汽发生器与周围环境之间的热损失忽略不计;(6)热物性参数为常数,污垢热阻为定值,传热效率为定值。图 2.1 蒸汽发生器 U 形管分侧图 沈阳工程学院毕业设计(论文)-6-2.2.2 本次设计的方法 因本次设计的要求不高,故传热管的换热面积可以由lntkQF求得 其中 F 为换热面积,Q 为蒸汽发生器的热功率可由公式)(01.1fsiixrQD求得,其中:r为汽化潜热查手册得;x为干度为已
24、知量;si为二回路水饱和焓查手册得;fi为二回路给水焓查手册得;,lnt对数传热温差前面已经求得 以上求出的换热面积为正常工作时的换热面积,因为考虑到计算过程中的误差,和正常运行时传热管污垢会有堵管的可能,所以再设计时必须加上一定的裕量,即乘以一个系数 C,FCF设,C 的范围在 1.061.09 之间 2.3 传热管材料的选取 压水反应堆(压水堆)使用蒸汽发生器,是使反应堆堆芯产生的热量转换成水蒸汽的大型设备。这些设备的高度高达 70 英尺重量高达 800 吨。热辐射水被泵通过数千英尺的管道注入到每个蒸汽发生器,每一个蒸汽发生器都包含了3000 到 16000 根传热管,这些传热管的直径只有
25、四分之三英寸左右,高压下,它以防止水沸腾。在管内流动的水可以加热管外的非放射性的水。产生的蒸汽再去推动涡轮叶片转动,带动发电机转动产生电力。随后蒸汽凝结成水返回蒸汽发生器,再次被加热。因此这些传热管有一个重要的安全方面的作用,因为它们构成核电厂的放射性和非放射性双方之间的主要障碍之一。出于这个原因,传热管的完整性是最大限度地减少水泄漏到工厂之间的必不可少的重要因素。如果电厂正在运行中二传热管发生破裂的话,主冷却剂便会携带着大量的放射性物质由主泵获得能量逃逸出来,直接汽化成水蒸气的形式。传热管材料的选取和管的热处理是影响传热管脆弱性退化的两个最重要的影响因素,同时也是决定蒸汽发生器使用寿命的重要
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