压水堆核电厂二回路热力系统课程设计说明书.doc

《压水堆核电厂二回路热力系统课程设计说明书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压水堆核电厂二回路热力系统课程设计说明书.doc（27页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、压水堆核电厂二回路热力系统课程设计说明书姓名：李悦班级：20091512联系方式：（电话）13199530885 (邮箱)614701397目 录1 摘要12 设计内容及要求13 热力系统原则方案说明13.1 热力系统原则方案形式13.2 主要热力参数选择44 热平衡计算书134.1 数学模型134.2 计算过程144.3 结果列表195 原则性热力系统图216 结果分析与结论227. 参考资料241摘要本课程设计是我们在学习核动力装置与设备、核电站运行课程后的一次综合训练，是实践教学的一个重要环节。通过课程设计使我们进一步巩固、加深所学的理论知识并有所扩展；学习并掌握压水堆核电厂二回路热力系

2、统拟定与热平衡计算的方法和基本步骤；锻炼提高运算、制图和计算机应用等基本技能；增强工程概念，培养我们对工程技术问题的严肃、认真和负责态度。本课程设计的主要任务，是根据设计的要求，拟定压水堆核电厂二回路热力系统原则方案，并完成该方案在满功率工况下的热平衡计算。2设计内容及要求本课程设计的主要内容包括：（1） 确定二回路热力系统的形式和配置方式；（2） 根据总体需求和热工约束条件确定热力系统的主要热工参数；（3） 依据计算原始资料，进行原则性热力系统的热平衡计算，确定计算负荷工况下各部分汽水流量及其参数、发电量、供热量及全厂性的热经济指标；（4） 编制课程设计说明书，绘制原则性热力系统图。通过课程

3、设计应达到以下要求：（1）了解、学习核电厂热力系统规划、设计的一般途径和方案论证、优选的原则；（2）掌握核电厂原则性热力系统计算和核电厂热经济性指标计算的内容和方法；（3）提高计算机绘图、制表、数据处理的能力；（4）培养我们查阅资料、合理选择和分析数据的能力，掌握工程设计说明书撰写的基本原则。3热力系统原则方案说明3.1 热力系统原则方案电站原则性热力系统表明能量转换与利用的基本过程，反映了发电厂动力循环中工质的基本流程、能量转换与利用过程的完善程度。为了提高热经济性，压水堆核电厂二回路热力系统普遍采用包含再热循环、回热循环的饱和蒸汽朗肯循环，其典型的热力系统组成如图1所示。图1 典型压水堆核

4、电厂二回路热力系统原理流程图3.1.1 汽轮机组本次设计的1000MW压水堆核电厂汽轮机使用低参数的饱和蒸汽，汽轮机由一个高压缸、3个低压缸组成，高压缸、低压缸之间设置有外置式汽水分离器。高压缸发出整个机组功率的45%，低压缸发出整个机组功率的55%。最佳分缸压力=（0.1218）蒸汽初压=(MPa)。3.1.2 蒸汽再热系统本次设计的1000MW压水堆核电厂在主汽轮机的高、低压缸之间设置汽水分离-再热器，对高压缸排汽进行除湿和加热，使得进入低压缸的蒸汽达到过热状态，从而提高低压汽轮机运行的安全性和经济性。汽水分离-再热器由一级分离器、两级再热器组成，第一级再热器使用高压缸的抽汽加热，第二级再

5、热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热。分离器的疏水排放到除氧器，第一级再热器的疏水排放到图1中高压给水加热器H2，第二级再热器的疏水排放到图1中高压给水加热器H1。3.1.3 给水回热系统给水回热系统由回热加热器、回热抽汽管道、凝给水管道、疏水管道等组成。回热加热器按照汽水介质传热方式不同分为混合式加热器和表面式加热器，其中高压、低压给水加热器采用表面式换热器，除氧器为混合式加热器。高压给水加热器采用主汽轮机高压缸的抽汽进行加热，除氧器采用高压缸的排汽进行加热，低压给水加热器采用主汽轮机低压缸的抽汽进行加热。高压给水加热器的疏水采用逐级回流的方式，最终送入除氧器；图1中低压给水加热器H6，H7的疏水

6、采用逐级回流的方式，最终送入冷凝器，而低压给水加热器H4，H5则采用疏水汇流方式，将疏入送入给水管道。给水回热系统的三个基本参数是给水回热级数、给水温度以及各级中的焓升分配。其中，给水回热级数的确定可参考图2。图2 回热系数对电站热效率的影响选择给水回热级数时，应考虑到每增加一级加热器就要增加设备投资费用，所增加的费用应该能够从核电厂热经济性提高的收益中得到补偿；同时，还要尽量避免热力系统过于复杂，以保证核电厂运行的可靠性。因此，小型机组的回热级数一般取为13级，大型机组的回热级数一般取为79级。本次设计中回热级数取为7级。本次设计的1000MW压水堆核电厂中使用热力除氧器对给水进行除氧，从其

7、运行原理来看，除氧器就是一个混合式加热器。来自低压给水加热器的给水在除氧器中被来自汽轮机高压缸的排汽加热到除氧器运行压力下的饱和温度，除过氧的饱和水再由给水泵输送到高压给水加热器，被加热到规定的给水温度后再送入蒸汽发生器。大型核电机组一般采用汽动给水泵，能够很好地适应机组变负荷运行，可以利用蒸汽发生器的新蒸汽、汽轮机高压缸的抽汽或者汽水分离再热器出口的热再热蒸汽驱动给水泵汽轮机，因而具有较好的经济性。给水泵汽轮机排出的废汽被送到主冷凝器。3.2 主要热力参数选定压水堆核电厂一、二回路工质的运行参数之间存在着相互制约关系，如图3所示。图3 典型压水堆核电厂一、二回路工质温度之间的制约关系3.2.

8、1 一回路冷却剂的参数选择从提高核电厂热效率的角度来看，提高一回路主系统中冷却剂的工作压力是有利的。但是，工作压力提高后，相应各主要设备的承压要求、材料和加工制造等技术难度都增加了，反过来影响到核电厂的经济性。综合考虑，本次设计的1000MW压水堆核电厂主回路系统的工作压力取为15.5MPa，对应的饱和温度为344.79。为了确保压水堆的安全，反应堆在运行过程中必须满足热工安全准则，其中之一是堆芯不能发生水力不稳定性，一般要求反应堆出口冷却剂的欠饱和度应至少大于10，为保险起见，本次设计中取欠饱和度为15。3.2.2 二回路工质的参数选择二回路系统需要确定的参数包括蒸汽发生器出口蒸汽的温度与压

9、力（蒸汽初参数）、冷凝器运行压力（蒸汽终参数）、蒸汽再热温度、给水温度和焓升分配等。（1）蒸汽初参数的选择压水堆核电厂的二回路系统一般采用饱和蒸汽，蒸汽初温与蒸汽初压为一一对应关系。根据朗肯循环的基本原理，在其它条件相同的情况下，提高蒸汽初温可以提高循环热效率，目前二回路蒸汽参数已经提高到6-7MPa，对于提高核电厂经济性起到了重要作用，但是受一次侧参数的严格制约，二回路蒸汽初参数不会再有大幅度的提高。参照大亚湾新蒸汽参数，本次设计的二回路蒸汽参数为6.43MPa。（2）蒸汽终参数的选择在热力循环及蒸汽初参数确定的情况下，降低汽轮机组排汽压力有利于提高循环热效率。但是，降低蒸汽终参数受到循环冷

10、却水温度、循环冷却水温升以及冷凝器端差的限制。除了对热经济性影响之外，蒸汽终参数对汽轮机低压缸末级叶片长度、排汽口尺寸均有重要影响，因此，需要综合考虑多方面因素选择蒸汽终参数。本次设计中凝结水的温度为=式中，循环冷却水温度，按照当地水文条件或者国家标准选取为24C；循环冷却水温升，一般为612，本次设计取7C冷凝器传热端差,一般为310,参照大亚湾核电厂，本次设计取6.99C忽略凝结水的过冷度，则冷凝器的运行压力等于凝结水温度对应的饱和压力为6.63kPa。（3）蒸汽中间再热参数的选择蒸汽再热器使用高压缸抽汽和蒸汽发生器新蒸汽加热，所以本次设计中汽水分离再热器出口的热再热蒸汽（过热蒸汽）比用于

11、加热的新蒸汽温度要低15.03左右。在本次设计中，再热蒸汽在第一、二级再热器中的焓升、流动压降取为相等。（4）给水回热参数的选择多级回热分配可以采用汽轮机设计时普遍使用的平均分配法，即每一级给水加热器内给水的焓升相等，这种方法简单易行。本次设计中每一级加热器的给水焓升为=式中，蒸汽发生器运行压力对应的饱和水比焓，kJ/kg；冷凝器出口凝结水比焓，kJ/kg；给水回热级数。最佳给水温度可使回热循环汽轮机绝对内效率达到最大值。采用平均分配法进行回热分配时，其最佳给水比焓为=（kJ/kg）按照蒸汽发生器运行压力=6.43MPa和最佳给水比焓=1102.62kJ/kg查水和水蒸汽表，可以确定最佳给水温

12、度=253.48C。实际给水温度往往低于理论上的最佳给水温度，通常可以取为本次设计中取 : 由压力和实际给水温度，再一次通过等焓生分配的方法确定每一级加热器内的焓升。实际每一级给水焓升为： 式中，给水比焓，kJ/kg；冷凝器出口凝结水比焓，kJ/kg；给水回热级数。高压、低压给水加热器均为表面式加热器，加热蒸汽分别来自主汽轮机高压缸、低压缸的抽汽。给水加热器蒸汽侧出口疏水温度（饱和温度）与给水侧出口温度之差称为上端差（出口端差），本次设计中高压给水加热器出口端差为3C,低压给水加热器出口端差为2C；蒸汽侧蒸汽温度与给水侧进口温度之差称为下端差（进口端差），如图4所示。图4 表面式换热器的端差对

13、于每一级给水加热器，根据给水温度、上端差即可确定加热用的抽汽温度。由于抽汽一般是饱和蒸汽，由抽汽温度可以确定抽汽压力。3.23 已知条件和给定参数表1 已知条件和给定参数序号项目符号单位取值范围或数值1核电厂输出电功率MW10002一回路能量利用系数0.9963蒸汽发生器排污率1.05%4汽轮机组相对内效率0.835汽轮机组机械效率0.996发电机效率0.9867新蒸汽压损MPa8再热蒸汽压损MPa=3%9回热抽汽压损MPa10低压缸排汽压损kPa5%11高压给水加热器出口端差312低压给水加热器出口端差213加热器效率0.98514给水泵效率0.5815给水泵汽轮机内效率0.8116给水泵汽

14、轮机机械效率0.9017给水泵汽轮机减速器效率0.9818循环冷却水进口温度2419循环冷却水温升720冷凝器传热端差6.993.24 主要热力参数选定在选定的二回路热力系统原则方案的基础上，按照第3.2节介绍的基本思想，选择确定热平衡计算所需的主要热力参数。表2 主要热力参数确定序号项目符号单位计算公式或来源数值1反应堆冷却剂系统运行压力MPa选定，151615.52反应堆冷却剂的饱和温度查水和水蒸汽表确定344.793反应堆出口冷却剂过冷度选定，1520154反应堆出口冷却剂温度329.795反应堆进出口冷却剂温升选定，304037.46反应堆进口冷却剂温度292.397二回路蒸汽压力MP

15、a选定，676.438蒸汽发生器出口新蒸汽温度对应的饱和温度280.139蒸汽发生器出口新蒸汽干度%给定99.7510循环冷却水温升选定，68711冷凝器传热端差选定，3106.9912冷凝器凝结水饱和温度37.9913冷凝器的运行压力kPa对应的饱和压力6.6314高压缸进口蒸汽压力MPa选定6.1115高压缸进口蒸汽干度%选定99.3116高压缸内效率选定0.8317高压缸排汽压力MPa选定0.78318高压缸排汽干度%选定85.719汽水分离器进口蒸汽压力MPa选定0.78320汽水分离器进口蒸汽干度%选定85.721第一级再热器进口蒸汽压力MPa选定0.77122第一级再热器进口蒸汽干

16、度%选定99.7123第二级再热器进口蒸汽压力MPa选定0.75924第二级再热器进口蒸汽温度选定213.6325第二级再热器出口蒸汽压力MPa选定0.74726第二级再热器出口蒸汽温度选定265.127低压缸进口蒸汽压力MPa选定0.74728低压缸进口蒸汽温度选定265.129低压缸内效率选定0.8330低压缸排汽压力MPa选定0.0066331低压缸排汽干度%选定90.732回热级数选定733低压给水加热器级数选择434高压给水加热器级数选择235给水回热分配kJ/kg93.0437除氧器进口给水比焓kJ/kg531.3238除氧器出口给水比焓kJ/kg624.3639除氧器出口给水温度

17、对应的饱和水温度147.9140除氧器运行压力MPa对应的饱和压力0.45低压加热器给水参数符号单位j=7j=6j=5j=4第j级进口给水比焓kJ/kg159.16252.20345.24438.28第j及出口给水比焓kJ/kg252.20345.24438.28531.32第j级进口给水温度C按（）查水蒸汽表37.9960.1682.37104.48第j级出口给水温度C按（）查水蒸汽表60.1682.37104.48126.44高压加热器给水参数符号单位i=2i=1第i级进口给水比焓kJ/kg624.36717.40第i及出口给水比焓kJ/kg717.40810.45第i级进口给水温度C按（

18、）查水蒸汽表147.91168.88第i级出口给水温度C按（）查水蒸汽表168.88190.11高压缸抽汽（i=1,2)符号单位i=1i=2第i级抽汽压力Mpa1.3900.858第i级抽气干度%87.7885.87低压缸抽汽（j=4,5,6,7)符号单位j=4j=5j=6j=7第j级抽汽压力Mpa0.2670.13150.05850.0228第j级抽汽干度%100.07100.0097.2294.06注明：各级抽汽压力，抽气干度的计算以第7级为例展示计算过程如下已知第7级出口给水温度，低压给水加热器出口端差,则由于给水加热器蒸汽侧均为饱和状态，则对应饱和压力为考虑回热抽汽压损，故 则第7级抽

19、汽压力认为气体在低压缸中等熵绝热膨胀做功。由给定的查过热蒸汽表可得,等熵过程,又 ，查图表可得：故 等熵过程，理想焓降给定高压缸内效率为，故 实际焓降又 实际焓降，故 由，查图表可求得其他各级计算过程与上述同理，在此不再赘述，结果已列于上表2中4.热平衡计算书4.1 数学模型进行机组原则性热力系统计算采用常规计算法中的串联法，对凝汽式机组采用“由高至低”的计算次序，即从抽汽压力最高的加热器开始计算，依次逐个计算至抽汽压力最低的加热器。这样计算的好处是每个方程式中只出现一个未知数，适合手工计算。热力计算过程使用的基本公式是热量平衡方程、质量平衡方程和汽轮机功率方程。热平衡计算的一般步骤如下：图5

20、 热力计算的一般流程4.2计算过程1. 整理原始资料（初步设计所依据的已知条件和给定参数详见如表1，表2所示。）（1） 给水加热器蒸汽侧压力等于抽汽压力减去抽汽管道压损；（2） 给水加热器疏水温度和疏水比焓分别为汽侧压力下对应的饱和水温度和饱和水比焓；（3） 高压给水加热器水侧压力取为给水泵出口压力（比蒸汽发生器运行压力高0.1MPa），低压给水加热器水侧压力取为凝水泵出口压力（取为0.48MPa），取压力在每级换热器均匀递减（过小可忽略）；（4） 给水加热器出口水温等于疏水温度减去出口端差；（5） 给水加热器出口水温度由加热器出口水比焓和水侧压力查水和水蒸汽表确定；2. 核蒸汽供应系统热功率

21、计算已知核电厂的输出电功率为=1000MW，假设电厂效率为=31%，则反应堆热功率为=3225.81Mpa蒸汽发生器的蒸汽产量为=1631.05kg/s 给水泵的质量流量 式中，一回路能量利用系数；蒸汽发生器出口新蒸汽比焓，kJ/kg；蒸汽发生器运行压力下的饱和水焓，kJ/kg；蒸汽发生器给水比焓，kJ/kg；蒸汽发生器排污率。3. 二回路系统各设备耗汽量计算 (1)给水泵计算，确定给水泵汽轮机的耗汽量；给水泵汽轮机进汽为新蒸汽，排汽参数等于高压缸排汽；给水泵的有效输出功率为 =13393.39 kW式中，给水泵的质量流量，kg/s；给水泵的扬程，MPa。给水的密度。给水泵汽轮机的理论功率为=

22、32322.80kW式中，汽轮给水泵组的泵效率；分别给水泵组汽轮机的内效率、机械效率和减速器效率。给水泵汽轮机的耗汽量为=715.78kJ/kg=45.16kg/s式中，给水泵汽轮机中蒸汽的绝热焓降，kJ/kg。（2） 给水回热系统热平衡计算，确定汽轮机低压缸各级抽汽点的抽汽量及冷凝器出口凝结水流量； 假设=1000kg/s低压缸给水加热器No.7： 能量守恒方程：（1） 质量守恒方程：（2）低压缸给水加热器No.6： 质能守恒方程：（3） 由上述方程（1）（2）（3）可求得：低压缸给水加热器No.5： 质能守恒方程： 由此可求得：低压缸给水加热器No.4： 能量守恒方程： 质量守恒方程： 由

23、此可求得：式中，低压第j级给水加热器的给水流量，kg/s；低压第j级给水加热器加热蒸汽、疏水的比焓，kJ/kg；给水加热器的热效率。（3）确定计算工况下汽轮机低压缸的耗汽量； 令低压缸的内功率为式中，分别为低压缸进、出口处蒸汽比焓，kJ/kg；低压缸第j级抽汽点的蒸汽比焓，kJ/kg；低压缸第j级抽汽点的抽汽量，kg/s；低压缸总的耗汽量，kg/s。由此可求得：比较与，若相对误差大于0.1%，返回步骤（2）进行迭代计算，直到满足精度要求为止。（4） 确定汽水分离器的耗汽量 质量守恒方程：由此可求得：由汽水分离再热器中的第一级再热器内能量守恒，有: 则。由汽水分离再热器中的第二级再热器内能量守恒

24、，有： 则可求。由高压给水加热器No.1的能量守恒，有： 又 则可求。（5）确定汽轮机高压缸各级抽汽点的抽汽量由高压给水加热器No.2的能量守恒，有： 则可求。由除氧器内部能量守恒和流量守恒，有：其中，因为分离器可以分离高压缸排气中的近98%的水分，所以有： 则由以上两式。式中，低压第j级给水加热器的给水流量，kg/s；低压第j级给水加热器加热蒸汽、疏水的比焓，kJ/kg；给水加热器的热效率。（6）确定计算工况下汽轮机高压缸的耗汽量； 令高压缸的内功率为式中，分别为高压缸进、出口处蒸汽比焓，kJ/kg；高压缸第i级抽汽点的蒸汽比焓，kJ/kg；高压缸第i级抽汽点的抽汽量，kg/s； 高压缸总的

25、耗汽量，kg/s。 由此可求得：（7）确定二回路系统总的新蒸汽耗量4. 核电厂热效率计算根据以上步骤计算得到的新蒸汽耗量，计算反应堆的热功率进而可以计算出核电厂效率为5. 计算精度判断将计算得到的核电厂效率与初始假设的比较，若绝对误差小于0.1%，即完成计算，否则以为初始值，返回步骤2进行迭代计算。4.3结果列表依据以上热力参数对选定的压水堆核电厂二回路热力系统原则方案进行热平衡计算，各次迭代计算的主要结果列于下表：表3 热平衡计算结果汇总表序号项目符号单位计算结果123n1核电厂效率%31.00032.03132.0672反应堆热功率MW3225.813121.993蒸汽发生器总蒸汽产量kg

26、/s1631.051578.564汽轮机高压缸耗汽量kg/s1904.581903.765汽轮机低压缸耗汽量kg/s1145.241145.036第一级再热器耗汽量kg/s70.3670.357第二级再热器耗汽量kg/s65.6565.648除氧器耗汽量kg/s44.6044.769给水泵汽轮机耗汽量kg/s45.1643.7010给水泵给水量kg/s1648.181595.1411给水泵扬程MPa6.086.0812冷凝器出口凝结水流量kg/s953.84954.11高压缸抽汽量符号单位123n第1级抽汽量kg/s90.2187.31第2级抽汽量kg/s80.4277.72低压缸抽气量符号单

27、位123n第4级抽汽量kg/s52.3552.22第5级抽汽量kg/s46.7846.66第6级抽汽量kg/s46.9146.79第7级抽汽量kg/s45.3645.255.原则性热力系统图6. 结果分析与结论由结果列表比较假设效率与计算效率由于，不满足收敛精度，所以假设，进行下一轮迭代计算。经过两次迭代计算，由于，装置效率满足收敛精度要求，结束计算，计算结果列表见4.3 表3本次课程设计的主要任务，是根据设计的要求，拟定压水堆核电厂二回路热力系统原则方案，并完成该方案在满功率工况下的热平衡计算。 运用C语言编程，迭代出所设计的100MW压水堆核电厂二回路热力系统的效率为32.067%。大 致

28、符合核电厂的效率要求。但是与大亚湾核电站34%的效率以及许多火力发电厂的效率相比，仍然比较低。因为可以查阅的文献有限，可能部分参数选择得与实际情况稍有偏差，会对所设计系统的效率产生影响。在对本次课程设计的研究中，利用迭代程序求解效率。这种方法相对人工计算量较小，大部分计算交给了计算机来完成，相对不容易出现错误，并且当未知数较多时就会表现出更大的优势，但程序段比较长，需要注意细节。当热力系统比较复杂时，应该选用这种迭代的方法。 造成换热设备热量损失的根本原因有两方面，一是热力系统运行过程中大量热量通过凝汽器排出热力循环，散失到环境之中；二是换热过程中的散热损失。从热平衡分析结果来看，前者是造成系

29、统热量损失的根本原因，所以主要着眼点应该放在设法减少动力装置热力循环中热量的排泄的散失上。目前压水堆核电厂热力系统普遍采用的是具有回热、再热的蒸汽热力循环，要减少凝汽器中的热量损失，必须进一步改善热力系统的回热和再热方式，或者突破现有热力循环形式的限制，采用全新概念的热力循环。 压水堆核电厂在运行过程中，存在着核裂变能热能机械能电能等一系列能量转换过程以及能量的分配和传输过程，热平衡分析的结果反映的是这些过程中能量损失的数量，并没有反映出热力系统中各个部位和环节不同形式甚至相同形式的能量的差异，也不能确切指出能量转换的方向和可能性，因此热平衡分析所反映的压水堆核电厂热力系统能量利用完善程度的信

30、息是片面的、不完整的，难以为全面、准确地指出改善系统热力系统热经济性的有效途径提供充分的理论依据。综合上述分析，可以得到以下几点结论：（1） 凝汽器是压水堆核电厂热力系统中热量损失最大的设备，损失的主要原因是大量的热量在凝汽器中被循环冷却海水带出了热力循环，散失在环境中；（2） 造成压水堆核电厂热力系统能量损失的主要原因是系统中热力设备尤其是换热设备的热量损失，因此提高整个热力系统热效率的根本途径在于减小热力系统的动力循环中各设备的散热损失以及减少向环境排放的热量；（3） 热平衡分析法反映的是能量在数量上的平衡，并不能对能量在质量上的差异和变化进行评价，因此无法全面反映能量系统用能的合理程度。7. 参考文献1 彭敏俊核动力装置热力分析哈尔滨：哈尔滨工程大学，20032 广东核电培训中心900MW压水堆核电厂系统与设备北京：原子能出版社，20003 彭敏俊船舶核能动力装置北京：原子能出版社，20094 郑宽热力发电厂（第二版）北京：中国电力出版社，20095 臧希年核电厂系统及设备北京：清华大学出版社，20036 王加璇. 热力发电厂系统设计与运行. 北京：中国电力出版社，1997.7 孙为民. 电厂汽轮机（第二版）. 北京：中国电力出版社，2010.