哈尔滨工程大学压水堆核电厂二回路热力系统设计设计讲解学习.docx

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哈尔滨工程大学压水堆核电厂二回路热力系统设计设计讲解学习

专业课程设计说明书

压水堆核电厂二回路热力系统

核科学与技术学院

2013年6月

摘要..............................................................1

1设计内容及要求...................................................2

2热力系统原则方案确定.............................................2

2.1总体要求和已知条件.........................................3

2.2热力系统原则方案...........................................3

2.3主要热力参数选择...........................................5

3热力系统热平衡计算

3.1热平衡计算方法.............................................7

3.2热平衡计算模型.............................................8

3.3热平衡计算流程.............................................9

3.4计算结果及分析............................................17

4结论............................................................17

附录

附表1已知条件和给定参数..........................................18附表2选定的主要热力参数汇总表....................................19附表3热平衡计算结果汇总表........................................24附图1原则性热力系图..............................................25

参考文献.........................................................26

摘要

压水堆核电厂二回路以郎肯循环为基础，由蒸汽发生器二次侧、汽水分离再热器、汽轮机、冷凝器、凝水泵、给水泵、给水加热器等主要设备以及连接这些设备的汽水管道构成的热力循环，实现能量的传递和转换。

本设计对该热力系统进行拟定与热平衡计算，通过列出6个回热器和汽水分离再热器中的2级再热器的热平衡方程以及除氧器中热平衡方程和质量守恒方程和汽水分离中蒸汽总量守恒，由此得到一个7元一次方程组、一个4元一次方程组，和汽水分离中的一个一元一次方程，通过求解这些方程组和方程，可以得到各点的抽气量和各个管路中的流量与新蒸汽/产量Ds的数学关系，假定一个ηe,npp并就可以由Ds=（Ne/ηe,npp）η1/[（hfh-hs’）+（1+ξd）（hs’-hfw）]算出Ds，由于各点的抽气量和各个管路中的流量与新蒸汽产量Ds的数学关系以同求解方程组得到进一步可以确定二回路总的新蒸汽耗量Gfh，进而的一个新核电厂的效率ηe,npp’=Neη1/[Gfh（hfh-hfw）+ξd（hs’-hfw）],由此得到ηe,npp和ηe,npp’的一一对应关系ηe,npp’=1/（6.708-1.1618/ηe,npp）。

选一个较为合理的ηe,npp作为初值进行试算，得到一个ηe,npp’。

把计算出的核电厂效率ηe,npp’与初始假设的ηe,npp分别代回到Gcd、Gcd’，若不满足|Gcd-Gcd’|/Gcd<1%,则以（ηe,npp+

）作为初值进行再试算，返回ηe,npp’=1/（6.708-1.1618/ηe,npp）进行迭代计算，直至满足要求。

当满足要|Gcd-Gcd’|/Gcd<1%后，再校核ηe,npp和ηe,npp’的大小。

当|ηe,npp-ηe,npp’|>0.1%,则以（ηe,npp+

）作为初值返回ηe,npp’=1/（6.708-1.1618/ηe,npp）从头再试算校算，直至满足要求。

对最终效率不满意时可合理地调整各设备的运行参数，直至求出电厂效率满意为止。

用得到满足要求的ηe,npp’去计算各个参量，并制作一张热力系统图。

1内容设计及要求

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。

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。

通过课程设计要达到以下要求：

（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）培养学生查阅资料、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。

2热力系统原则方案确定

压水堆核电厂二回路系统的主要功能是将蒸汽发生器所产生的蒸汽送往汽轮机，驱动汽轮机运行，将蒸汽的热能转换为机械能；汽轮机带动发电机运行，将汽轮机输出的机械能转换为发电机输出的电能。

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。

2.1总体要求和已知条件

压水堆核电厂采用立式自然循环蒸汽发生器，采用给水回热循环、蒸汽再热循环的热力循环方式,额定电功率为1000MW。

汽轮机分为高压缸和低压缸，高压缸、低压缸之间设置外置式汽水分离再热器。

给水回热系统的回热级数为7级，包括四级低压给水加热器、一级除氧器和两级高压给水加热器。

第1级至第4级低压给水加热器的加热蒸汽来自低压缸的抽汽，除氧器使用高压缸的排汽加热，第6级和第7级高压给水加热器的加热蒸汽来自高压缸的抽汽。

各级加热器的疏水采用逐级回流的方式，即第7级加热器的疏水排到第6级加热器，第6级加热器的疏水排到除氧器，第4级加热器的疏水排到第3级加热器，依此类推，第1级加热器的疏水排到冷凝器热井。

汽水分离再热器包括中间分离器、第一级蒸汽再热器和第二级蒸汽再热器，中间分离器的疏水排放到除氧器；第一级再热器使用高压缸的抽汽加热，疏水排放到第6级高压给水加热器；第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热，疏水排放到第7级高压给水加热器。

主给水泵采用汽轮机驱动，使用来自主蒸汽管道的新蒸汽，汽轮机的乏汽直接排入主汽轮发电机组的冷凝器，即给水泵汽轮机与主发电汽轮机共用冷凝器。

凝水泵和循环冷却水泵均使用三相交流电机驱动，正常运行时由厂用电系统供电。

2.2热力系统原则方案

2.2.1汽轮机组

压水堆核电厂汽轮机一般使用低参数的饱和蒸汽，汽轮机由一个高压缸、2-3个低压缸组成，高压缸、低压缸之间设置外置式汽水分离器。

单位质量流量的蒸汽在高压缸内的绝热焓降约占整个机组绝热焓降的40%，最佳分缸压力（即高压缸排汽压力）约为高压缸进汽压力的12%-14%。

2.2.2蒸汽再热系统

压水堆核电厂通常在主汽轮机的高、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气加热，第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热。

中间分离器的疏水排放到除氧器，第一级、第二级再热器的疏水分别排放到不同的高压给水加热器。

2.2.3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、低压给水加热器普遍采用表面式换热器，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可采用逐级回流的方式，最终送入除氧器；低压给水加热器的疏水可以全部采用逐级回流的方式，最终送入冷凝器。

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。

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1-3级，大型机组的回热级数一般取为7-9级。

压水堆核电厂中普遍使用热力除氧器对给水进行除氧，从其运行原理来看，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乏汽被直接排送到主汽轮发电机组的冷凝器。

2.3主要热力参数选择

2.3.1一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，设计时压水堆核电厂主回路系统的工作压力为15.5MPa，对应的饱和温度为344.76℃。

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，所以反应堆出口冷却剂的欠饱和度选为16℃。

2.3.2二回路工质的参数选择

二回路系统的参数包括蒸汽发生器出口蒸汽的温度与压力（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5.0-7.0Mp，为了提高核电厂经济性并保证安全，二回路蒸汽参数选为6.0MPa。

（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却水温度Tsw,1、循环冷却水温升ΔTsw以及冷凝器端差δt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，综合考虑多方面因素，并选取南方地区循环冷却水温度为24℃，取凝结水的温度为36℃。

当凝结水的温度选为36℃，忽略了凝结水的过冷度，则冷凝器的运行压力等于凝结水温度对应的饱和压力。

（3）中间再热参数的选择

蒸汽再热循环的最佳再热压力取决于蒸汽初终参数、中间再热前后的汽轮机内效率、中间再热后的温度与中间再热加热蒸汽的压力和给水回热加热温度等。

选择高压缸排气压力为高压缸进气压力的13%。

高压缸的排汽进入汽水分离器，经过分离器除湿后，再依次进入第一级再热器和第二级再热器加热，在汽水分离器再热器中的总压降为高压缸排汽压力的7%。

经过两级再热器加热后的蒸汽温度接近新蒸汽温度，一般情况下，第二级蒸汽再热器出口的热再热蒸汽（过热蒸汽）比用于加热的新蒸汽温度要低13～15℃左右，可取14℃。

为便于计算，假设再热蒸汽在第一级再热器和第二级再热器中的焓升相同。

再求得各级进出口压力及温度。

蒸汽再热压力的选择应该使高、低压缸排汽的湿度控制在14%之内，可据此选择中间分离器的进口压力（相当于高压缸排汽压力）和低压缸排气压力。

（4）给水回热参数的选择

给水的焓升分配：

多级回热分配采用了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。

每一级加热器的给水焓升为107.978kj/kg。

采用平均分配法时，先确定每一级加热器的理论给水焓升为132.863kj/kg，

得到蒸汽发生器的最佳给水比焓1080.866kj/kg。

按照蒸汽发生器运行压力和最佳给水比焓确定最佳给水温度，按一定关系定出实际给水温度。

再次通过等焓升分配的方法确定每一级加热器内给水的实际焓升为107.978kj/kg。

选定除氧器的工作压力，除氧器的运行压力应该略低于高压缸的排汽压力。

再分别对高压给水加热器和低压给水加热器进行第二次焓升分配。

对于高压给水加热器，每一级的给水焓升为108.103/kg。

对于低压给水加热器（包括除氧器），每一级的给水焓升为107.49kj/kg。

给水回热系统中的压力选择：

除氧器的运行压力应该略低于高压缸的排汽压力，除氧器出口水温等于除氧器运行压力对应的饱和温度。

一般情况下，取凝水泵出口压力为除氧器运行压力的3-3.2倍，取3.1。

一般情况下，取给水泵出口压力为蒸汽发生器二次侧蒸汽压力的1.15-1.25倍，取1.2。

抽汽参数的选择：

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上端差（出口端差）。

高压给水加热器出口端差取3℃，低压给水加热器出口端差取2℃。

对于每一级给水加热器，根据给水温度、出口端差即可确定加热用的抽汽温度。

由于抽气一般是饱和蒸汽，由抽汽温度可以确定抽汽压力（考虑回热抽气压损）。

3热力系统热平衡计算

3.1热平衡计算方法

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Ds，适合手工计算，并且易于编程。

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。

3.2热平衡计算模型

热力计算的一般流程如下：

3.3热平衡计算流程

第一步：

计算给水泵汽轮机的耗汽量：

给水泵汽轮机汽为新蒸汽，排汽参数等于高压缸排汽；

给水泵有效输出功率Nfwp=1000Gfw×Hfwp/ρfwkW

给水泵有理论功率ηfwp,t=Nfwp/ηfwp,pηfwp,tiηfwp,tmηfwp,tg

给水泵的扬程Hfwp=6.4434MPa

则其耗汽量Gs,fwp=Nfwp/ηfwp,pηfwp,tiηfwp,tmηfwp,tgHa，

ηfwp,p——汽轮给水泵组的泵效率，取0.58；

ηfwp,ti，ηfwp,tm，ηfwp,tg——分别给水泵组汽轮机的内效率、机械效率和减速器效率，分别取0.80，0.90和0.98；

Ha为高压缸进出口焓降，为297.01/kg

代入数值得Gfwp,s=0.059245Ds

第二步：

对汽水分离器列蒸汽守恒方程：

G0=Gd（Xrh1,i-Xh,z）/Xrh1,i

GdXh,z=（Gd-G0）Xrh1,i.................1*求得G0=Gd（Xrh1,i-Xh,z）/Xrh1,i，把Xrh1,i=0.995、Xh,z=0.8632代入可得

G0=0.13246Gd

对7级回热器列热平衡方程：

[Ges,7（hes,7-hew,7）+Ga（ha’-hew,7）]ηh=（1+ξd）Ds△hfw........................2*

对6级回热器列热平衡方程：

[Ges,6（hes,7-hew,6）+Gb（hb’-hew,6）+Ges,7（hew,7-hew,6）]ηh=（1+ξd）Ds△hfw

.................3*

对除氧器列热平衡方程：

[（Ges,7+Ges,6+Ga+Gb）hew,6+Gcd+hlfwi+G0hGo’+Gchc]=（1+ξd）Dshlfwi,5.................4*

对除氧器列质量守恒衡方程：

Gcd+Ga+Gb+GC+G0+Ges,7+Ges,6=（1+ξd）Ds................5*

对汽水分离再热器中第一级再热器列热平衡方程

（Gd-G0）Δh=Gb（hb-hb’）ηh.................6*

对汽水分离再热器中第一级再热器列热平衡方程

（Gd-G0）Δh=Ga（ha-ha’）ηh.................7*

新蒸汽产量等于总耗气量：

Ds=Ges,7+Ges,6+Ga+Gb+GC+Gd+Gfwp,s................8*

其中：

ha’为第二级再热器加热蒸汽的疏水比焓；

Ga新蒸汽中用于再热的质量流量，kg/s

Gb从高压缸抽取用于再热的蒸汽质量，kg/s

Gc高压缸排气中排到除氧器的质量流量，kg/s

Gd从高压缸排气进入到低压缸的质量流量，kg/s

G0为汽水分离器中分离出来的质量流量，kg/s

hb’为第一级再热器加热蒸汽的疏水比焓，kJ/kg

ha’为第二级再热器加热蒸汽的疏水比焓，kJ/kg

hG0’为汽水分离器中分离水的比焓，kJ/kg

hc,hd均为高压缸排气比焓，kJ/kg

△h为再热器平均焓值升，kJ/kg

联立上述7个方程并代入相关数值，求得：

Ga=0.0448Ds；

Gb=0.0429Ds；

Gc=0.0273Ds；

Gd=0.7125Ds；

Ges,6=0.0556Ds；

Ges,7=0.0577Ds；

Gcd=0.6878Ds

第三步：

[Ges,3（hes,3-hew,3）+Ges,4（hew,4-hew,3）]ηh=Gcd△hfw

ηh=Gcd△hfw

对4级回热器列热平衡方程：

Ges,4（hes,4-hew,4）ηh=Gcd△hfw..................9*

对3级回热器列热平衡方程：

[Ges,3（hes,3-hew,3）+Ges,4（hew,4-hew,3）]ηh=Gcd△hfw..................10*

对2级回热器列热平衡方程：

[Ges,2（hes,2-hew,2）+（Ges,4+Ges,3）（hew,3-hew,2）]ηh=Gcd△hfw..................11*

对1级回热器列热平衡方程：

[Ges,1（hes,1-hew,1）+（Ges,1+Ges,2+Ges,3+Ges,4）（hew,2-hew,1）]ηh=Gcd△hfw..........12*

联立9*～12*方程并代入相关数值，求得：

Ges,1=0.0428Gcd；

Ges,2=0.0445Gcd;

Ges,3=0.0463Gcd;

Ges,4=0.0501Gcd

∵

Gcd=0.6878Ds

∴

Ges,1=0.02944Ds；

Ges,2=0.03061Ds；

Ges,3=0.03185Ds；

Ges,4=0.03446Ds

第四步：

计算汽轮发电机组耗汽量：

根据Nt,i=Gt,s（h0-hes,1）+（Gt,s+Ges,1）（hes,1-hes,2）+…+（Gt,s-

）（hes,z-hz）

.....................13*

可得：

Nt,i=Gt,s（h0-hb）+（Gt,s-Gb）（hb-hes,7）+（Gt,s-Gb-Ges,7）（hb-hes,7）+（Gt,s-Gb-Ges,7-Ges,6）（hew,6-hh,z）+Gd（hh,z-hes,4）+（Gd-Ges,4）（hes,4-hes,3）+（Gd-Ges,4-Ges,3）（hes,3-hes,2）+（Gd-Ges,4-Ges,3-Ges,2）（hes,2-hes,1）+（Gd-Ges,4-Ges,3-Ges,2-Ges,1）（hes,1–hz）

.....................14*

又有

Nt,i=Ne/ηmηge.....................15*

其中：

h0、hz——分别为汽轮机进、出口处蒸汽比焓，kJ/kg;

hes,i——汽轮机第i级抽汽点的蒸汽比焓，kJ/kg;

Ges,i——汽轮机第i级抽汽点的抽汽量，kg/s；

Gt,s——汽轮机总的耗汽量，kg/s;

联立14*、15*式并代入数值得:

Gt,s=3555.552-1.26585Ds..................16*

第五步：

确定二回路系统总的新蒸汽耗量:

Gfh=

=Ga+Gt,s+Gfwp,s

把Ga、Gt,s、Gfwp,s代入上式

Gfh=3555.552-1.1618Ds..................17*

第六步：

核电厂热效率计算

根据第五步计算得到的新蒸汽耗量，计算反应堆的热功率,把Gfh代入下式：

QR’=[Gfh（hfh-hfw）+ξdGfh（hs’-hfw）]/η1

可以得到：

QR’=1886.627（3555.552-1.1618Ds）..................18*进而可以计算出核电厂效率为：

ηe,npp’=Ne/QR’=106/1886.627（3555.552-1.1618Ds）

把Ds=QRη1/[（hfh-hs’）+（1+ξd）（hs’-hfw）]=530.05/ηe,npp

代入ηe,npp’

得到：

ηe,npp’=1/（6.708-1.1618/ηe,npp）........................................19*

将计算出的核电厂效率ηe,npp’与初始假设的ηe,npp分别代回到Ds、Ds’

∵Gcd=0.6878Ds=364.568/ηe,npp；.....................................20*

Gcd’=0.6878Ds’=364.568/ηe,npp’.....................................21*

再比较Gcd和Gcd’，若|Gcd-Gcd’|/Gcd>1%,以（ηe,npp+0.0005）算初始值返回19*式进行迭代计直至满|Gcd-Gcd’|/Gcd<1%....................22*

当达到要求|Gcd-Gcd’|/Gcd<1%后，再比较ηe,npp和ηe,npp’，若|ηe,npp-ηe,npp’|>0.1%,则以（ηe,npp+0.0005）作为初始值返回19*式进行计算，依次通过1