Расчёт парогенератора для атомных электростанций

Введение

конструктивный энергетический реактор гидравлический

Ядерный энергетический реактор ВВЭР-1000 является самым распространённым среди реакторов типа ВВЭР. АЭС с реактором ВВЭР- двухконтурные с водным теплоносителем. В первом контуре происходит нагрев воды в реакторе под давлением 15,7 МПа с температуры 290 °С до температуры 320 °С с расходом воды 21500 т/ч. После этого нагретая вода поступает в парогенератор, в котором отдаёт часть теплоты нагреваемому теплоносителю - питательной воде, которая превращается в насыщенный пар. При этом греющий и нагреваемый теплоносители не контактируют непосредственно между собой. Это способствует удержанию радиоактивности в первом контуре, второй контур фактически остаётся чистым.

Парогенератор предназначен для передачи энергии, произведённой в активной зоне реактора, во второй контур. В реакторных установках с ВВЭР-1000 используются парогенераторы ПГВ-1000, горизонтальные, с трубчатой поверхностью теплообмена. Теплоноситель первого контура проходит через 11 500 теплопередающих трубок внутри корпуса парогенератора, нагревая воду второго контура. Кипящая вода второго контура преобразуется в пар и через сборные паропроводы поступает к турбине. Пар вырабатывается насыщенный, с температурой 280 °C, давлением 6,4 МПа и влажностью 0,2 % при температуре питательной воды 220 °C. Тепловая мощность каждого парогенератора 750 МВт, паропроизводительность - 1470 т/ч, масса без опор - 322 т, с опорами и полностью заполненного водой - 842 т.

В данном курсовом проекте мы рассчитываем горизонтальный парогенератор с параметрами, близкими к параметрам ПГВ-1000. Цель проекта - определить площадь теплообменной поверхности, рассчитать гидравлические потери и выполнить поверку на неноминальных режимах работы.

Конструктивный расчёт парогенератора

Конструктивный расчёт служит для определения площади теплообменной поверхности парогенератора. При расчёте температуры греющего теплоносителя определены как 330 °С и 300 °С на входе и выходе соответственно, нагреваемого теплоносителя - 280 °С на входе и на выходе. Температура питательной воды - 220 °С. Тепловая мощность парогенератора - 750 МВт. Расчёт будем производить в общепринятой табличной форме.

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература греющего теплоносителя на входе tгщвхзадана по ТЗТемпература греющего теплоносителя на выходе tгщвыхзадана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на входе tнгвхзадана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на выходе tнгвыхзадана по ТЗТемпература питательной воды tпвзадана по ТЗКоэффициент теплопроводности металла теплообменных трубок ?трзадан по ТЗДавление насыщенного пара во 2-м контуре рпзадано по ТЗТолщина стенки теплообменной трубки ?трзадана по ТЗНаружный диаметр теплообменной трубки dнарзадан по ТЗВнутренний диаметр теплообменной трубки dвнпо конспекту:Скорость воды в парогенераторе wвпо условию ограничения коррозии и эрозииТепловая мощность парогенератора Qзадана по ТЗРазделим теплообменную поверхность на две равные части с передачей тепловой мощности на каждой из них Q/2. Произведём расчёт первой половины парогенератора.Наименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература греющего теплоносителя на входе tгщвх1задана по ТЗНаименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература греющего теплоносителя на выходе tгщвых1задана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на входе tнгвх1задана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на выходе tнгвых1задана по ТЗРазность температур греющего теплоносителя ?tгщпо конспекту: Разность температур нагреваемого теплоносителя ?tнгпо конспекту: Разность температур приведённая ?tппо конспекту: Входной параметр рпо конспекту: Входной параметр Rпо конспекту: Коэффициент, связанный с движением теплоносителя ? по номограмме (для R=?)1Тепловая мощность половины парогенератора Q1по конспекту: Больший температурный перепад ?tбпо конспекту: Меньший температурный перепад ?tмпо конспекту: Среднелогарифмическая разность температур ?tлогпо конспекту: Средняя температура ?tсрпо конспекту: Определяющая средняя температура греющего теплоносителя tгщсрпо конспекту: Кинематический коэффициент вязкости ?гщпо таблицеКоэффициент теплопроводности ?гщпо таблицеЧисло Прандтля Prпо таблицеНаименование размераИсточник формулыВеличинаЧисло Рейнольдса Reпо конспекту: Число Нуссельта Nuпо конспекту:Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене ?конвпо конспекту:С помощью метода простой итерации мы сможем определить плотность теплового потока с достаточной степенью точности. Произведя ряд итераций, получим результаты:Наименование размераИсточник формулыВеличинаПринимаемая плотность теплового потока q0произвольное начальное приближениеКоэффициент теплоотдачи при кипении ?киппо конспекту:Коэффициент теплопередачи Кпо конспекту:Расчётная плотность теплового потока q1по конспекту:Расчётная площадь поверхности теплообмена F1по конспекту:Площадь поверхности теплообмена с учётом запаса 15% F115%по конспекту:

Таблица. Рассчитаем площадь теплообмена второй половины парогенератора.

Наименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература греющего теплоносителя на входе tгщвх2задана по ТЗТемпература греющего теплоносителя на выходе tгщвых2задана по ТЗНаименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература нагреваемого теплоносителя на входе tнгвх2задана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на выходе tнгвых2задана по ТЗРазность температур греющего теплоносителя ?tгщпо конспекту: Разность температур нагреваемого теплоносителя ?tнгпо конспекту: Разность температур приведённая ?tппо конспекту: Входной параметр рпо конспекту: Входной параметр Rпо конспекту: Коэффициент, связанный с движением теплоносителя ? по номограмме (для R=?)1Тепловая мощность половины парогенератора Q2по конспекту: Больший температурный перепад ?tбпо конспекту: Меньший температурный перепад ?tмпо конспекту: Среднелогарифмическая разность температур ?tлогпо конспекту: Средняя температура ?tсрпо конспекту: Определяющая средняя температура греющего теплоносителя tгщсрпо конспекту: Кинематический коэффициент вязкости ?гщпо таблицеКоэффициент теплопроводности ?гщпо таблицеЧисло Прандтля Prпо таблицеНаименование размераИсточник формулыВеличинаЧисло Рейнольдса Reпо конспекту:Число Нуссельта Nuпо конспекту:Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене ?конвпо конспекту:С помощью метода простой итерации мы сможем определить плотность теплового потока с достаточной степенью точности. Произведя ряд итераций, получим результаты:Наименование размераИсточник формулыВеличинаПринимаемая плотность теплового потока q0произвольное начальное приближениеКоэффициент теплоотдачи при кипении ?киппо конспекту: Коэффициент теплопередачи Кпо конспекту:Расчётная плотность теплового потока q2по конспекту:Расчётная площадь поверхности теплообмена F2по конспекту:Площадь поверхности теплообмена с учётом запаса 15% F215%по конспекту:Суммарная площадь парогенератора Fпо конспекту:

Таким образом, суммарная площадь парогенератора равна 4035 м2, что вполне приемлемо (без учёта экономайзерного участка).

Гидравлический расчёт парогенератора

Гидравлический расчёт парогенератора служит для определения гидравлических потерь в трубках. В данном расчёте используем среднюю скорость движения воды 4,5 м/с, наружный диаметр трубки 16 мм, толщину стенки трубки 1,5 мм, длину трубок 11 м, количество трубок - 11000.

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаСкорость в трубке wзадана по ТЗДлина трубок lзадана по ТЗВнутренний диаметр теплообменной трубки dвнпо конспекту:Шероховатость Kшзадана по конспекту для аустенитной цельнотянутой трубкиПлотность воды ?впо таблицеКинематический коэффициент вязкости ?по таблицеПредполагаем, что труба гладкая. Тогда получим:Наименование размераИсточник формулыВеличинаЧисло Рейнольдса Reпо конспекту: Коэффициент местного сопротивления ? (для гладкой трубы)по конспекту:Динамическая скорость w*по конспекту:Условие гладкости трубпо конспекту:Потери давления в трубах ?pтрпо конспекту:Коэффициент угла поворота на 45° k45°задан по конспекту Коэффициент угла поворота на 90° k90°задан по конспекту Наименование размераИсточник формулыВеличинаКоэффициент радиуса поворота Nзадан по конспектуСопротивление в трубах при повороте на 45° по конспекту:Сопротивление в трубах при повороте на 90° ?90°по конспекту:Сопротивление расширению ?вхзадано по конспектуСопротивление сужению ?выхзадано по конспектуПотери на местном сопротивлении ?pмпо конспекту:Потери давления нивелирные ?pнивзаданы по конспекту (вследствие малости)Потери давления на ускорение ?pускзаданы по конспекту (вследствие малости)Полные потери напора ?pпо конспекту:

Таким образом, потери напора находятся на допустимом уровне. Допустимые потери давления в первом контуре - 130 кПа, во втором контуре - 110 кПа. В нашем расчёте потери напора - лишь 87 кПа.

Поверочный расчёт парогенератора (на мощности 70% и в аварийном режиме с давлением на выходе 0,1 МПа)

Рассчитаем изменение температур греющего теплоносителя при понижении мощности до 70% от номинальной.

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаТепловая мощность парогенератора Q70%по конспекту:Суммарная площадь парогенератора Fиз конструктивного расчётаРасчётная плотность теплового потока qпо конспекту: Определяющая средняя температура греющего теплоносителя tгщсрпо конспекту: Кинематический коэффициент вязкости ?гщпо таблицеКоэффициент теплопроводности ?гщпо таблицеЧисло Прандтля Prпо таблицеЧисло Рейнольдса Reпо конспекту: Число Нуссельта Nuпо конспекту:Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене ?конвпо конспекту:Коэффициент теплоотдачи при кипении ?киппо конспекту: Коэффициент теплопередачи Кпо конспекту:Средняя температура ?tсрпо конспекту:

Подбирая температуры греющего теплоносителя на входе и выходе, добьёмся равенства средней температуры, полученной выше, и среднелогарифмической температуры, вычисляемой с помощью формул. При нахождении температур используется метод простой итерации:

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаСреднелогарифмическая разность температур ?tлогпо конспекту: Больший температурный перепад ?tбпо конспекту: Меньший температурный перепад ?tмпо конспекту: Температура греющего теплоносителя на входе tгщвхполучена в результате подбора для соответствия найденных выше значенийТемпература греющего теплоносителя на выходе tгщвыхполучена в результате подбора для соответствия найденных выше значений

Таким образом, при снижении мощности парогенератора снижаются температуры греющего теплоносителя до 316 °С на входе и 291 °С на выходе.

Рассчитаем теперь температуру греющего теплоносителя на выходе из парогенератора в аварийном режиме, при котором температуры нагреваемого теплоносителя на входе и выходе будут равны 100 °С, а давление воды на выходе- 0,1 МПа.

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература греющего теплоносителя на входе tгщвхзадана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на входе tнгвхзадана по ТЗТемпература нагреваемого теплоносителя на выходе tнгвыхзадана по ТЗРасход воды в первом контуре G1задан по ТЗСуммарная площадь парогенератора Fиз конструктивного расчётаОпределяющая средняя температура греющего теплоносителя tгщсрпримем как среднюю между tгщвх и tнгвх: Наименование размераИсточник формулыВеличинаКинематический коэффициент вязкости ?гщпо таблицеКоэффициент теплопроводности ?гщпо таблицеЧисло Прандтля Prпо таблицеЧисло Рейнольдса Reпо конспекту: Число Нуссельта Nuпо конспекту:Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене ?конвпо конспекту:Поскольку коэффициент ?кип при большой мощности будет также очень большим (таким образом, при вычислении коэффициента теплопередачи он внесёт крайне небольшой вклад), то при дальнейших расчётах мы можем им пренебречь. Продолжим вычисления:Наименование размераИсточник формулыВеличинаКоэффициент теплопередачи Кпо конспекту:Температура первого приближения t1принимаем произвольной в интервале [100;300]Больший температурный перепад ?tбпо конспекту: Меньший температурный перепад ?tмпо конспекту: Среднелогарифмическая разность температур ?tлогпо конспекту: Плотность теплового потока при аварийном режиме qаварпо конспекту: Тепловая мощность парогенератора Qаварпо конспекту:Энтальпия греющего теплоносителя на входе hгщвхпо таблице согласно температуре tгщвхНаименование размераИсточник формулыВеличинаЭнтальпия греющего теплоносителя на выходе h1по таблице согласно температуре t1Тепловая мощность парогенератора по балансу Qбпо конспекту:

С помощью метода простых итераций мы можем ещё больше приблизить мощности Qавар и Qб. В этом случае получим следующие параметры:

Таблица

Наименование размераИсточник формулыВеличинаТемпература первого приближения t1принимаем согласно проведённым итерациямБольший температурный перепад ?tбпо конспекту: Меньший температурный перепад ?tмпо конспекту: Среднелогарифмическая разность температур ?tлогпо конспекту: Плотность теплового потока при аварийном режиме qаварпо конспекту: Тепловая мощность парогенератора Qаварпо конспекту:Энтальпия греющего теплоносителя на выходе h1по таблице согласно температуре t1Тепловая мощность парогенератора по балансу Qбпо конспекту:

Теперь тепловые мощности различаются незначительно, остановимся на полученных значениях температуры греющей воды на выходе 148,5 °С и тепловой мощности в аварийном режиме 3622 МВт. Как видно, эти рабочие параметры непригодны для нормальной работы парогенератора, поэтому рассчитанный режим является аварийным.

Заключение

Таким образом, площадь поверхности теплообмена получилась равной 4035 м2. Потери давления составили 87 кПа, что вполне допустимо. Следовательно, рассчитанный парогенератор пригоден к эксплуатации.

При эксплуатации в неноминальных режимах расчёт показал, что при понижении мощности до 70% температура греющего теплоносителя на входе падает до 316 °С, на выходе - до 291 °С. При работе в аварийном режиме, когда во второй контур подаётся вода на линии насыщения при атмосферном давлении, температура греющего теплоносителя на выходе составила 148,5 °С, аварийная тепловая мощность - 3622 МВт. Таким образом, эксплуатировать данный парогенератор в неноминальных режимах не рекомендуется.

Больше работ по теме: