压水堆核电厂二回路热力系统概要.docx
《压水堆核电厂二回路热力系统概要.docx》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概要.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
压水堆核电厂二回路热力系统概要
哈尔滨工程大学本科生课程设计
（二）
压水堆核电厂二回路热力系统
初步设计说明书
2013年6月
目录
摘要................................................................2
1设计内容及要求....................................................2
2热力系统原则方案确定..............................................3
2.1热力系统原则方案............................................3
2.2主要热力参数选择............................................4
3热力系统热平衡计算................................................5
3.1热平衡计算方法..............................................5
3.2热平衡计算流程..............................................6
3.3计算结果及分析..............................................8
4结论..............................................................8
附录............................................................8
附表1已知条件和给定参数........................................8
附表2选定的主要热力参数汇总表..................................9
附表3热平衡计算结果汇总表.....................................13
附图1原则性热力系统图........................................15
摘要
二回路系统是压水堆核电厂的重要组成部分，其主要功能是将反应堆一回路系统产生并传递过来的热量转化为汽轮机转动的机械能，并带动发电机组的转动，最终产生电能。
该说明书介绍了一个1000MWe核电厂二回路热力系统设计及其设计过程。
该设计以大亚湾900MWe核电站为母型，选择了一个高压缸，三个低压缸，设有两级再热器的汽水分离器，四个低压给水加热器，一个除氧器，两个高压给水加热器。
蒸汽发生器的运行压力为6.5MPa，高压缸排气压力为0.78MPa，一级再热器抽汽压力2.8MPa，低压缸进口过热蒸汽压力为0.7045MPa,温度为265.9℃，冷凝器的运行压力为5.9kPa，给水温度为224.69℃。
高压给水加热器疏水逐级回流送入除氧器，低压给水加热器疏水逐级回流送入冷凝器。
排污水经净化后排进冷凝器。
各级回热器和再热器的蒸汽分配合理，经过加热器后，蒸汽全部冷凝成疏水，整个系统电厂效率为30.04%。
1、设计内容及要求
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、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
该设计设有一个高压缸，三个低压缸，两级再热，七级回热，汽动给水泵。
蒸汽发生器的运行压力为6.5MPa，冷凝器的运行压力为5.9kPa。
2.1热力系统原则方案
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、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。
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%。
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抽汽加热，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。
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，在本设计中高压、低压给水加热器采用表面式换热器，除氧器采用混合式加热器。
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；低压给水加热器的疏水全部采用逐级回流的方式，最终送入冷凝器。
在选择给水回热级数时，均衡了每增加一级加热器所增加设备投资费用和热效率的提高程度，所以最终选择回热级数为7级（其中除氧器也算一级回热级数）。
为了很好地适应机组变负荷运行，给水泵采取汽动方式，可以利用蒸汽发生器的新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冷凝器中。
本设计中使用热力除氧器对给水进行除氧，从其运行原理来看，除氧器就是一混合式加热器。
来自低压给水加热器的给水以及高压给水加热器的疏水在除氧器中被来自汽轮机高压缸排汽加热到除氧器运行压力下的饱和温度，其中高压缸排汽的压力高于除氧器的运行压力，所以高压缸排汽在排入冷凝器之前需经过减压装置进行减压。
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。
2.2主要热力参数选择
1、一回路冷却剂的参数选择
设计时压水堆核电厂主回路系统的工作压力为15.2MPa，对应的饱和温度为343.26℃。
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18℃。
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。
3、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，为了提高核电厂经济性，二回路蒸汽参数选为6.5MPa。
4、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。
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。
5、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，所以汽水分离再热器出口的热再热蒸汽（过热蒸汽）要比用于加热的新蒸汽温度要低15℃，既265.9℃，这样保证具有适当的传热温差。
计算中取再热蒸汽在第一、二级再热器中的焓升、流动压降相等。
6、给水回热参数的选择
当除氧器的工作压力选定以后，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129.365kJ/kg对于低压给水加热器（包括除氧器），每一级的给水焓升为109.346kJ/kg。
具体参数看附表2
3、热力系统热平衡计算
3.1、热平衡计算方法
3.2、热平衡计算流程
一、核蒸汽供应系统热功率计算：
已知核电厂输出功率为Ne，Ne=1000MW=1000000kW，假设电厂效率为ηe,NPP，则反应堆热功率为：
Qr=Ne/ηe,NPP。
蒸汽发生器的蒸汽产量为：
Ds=Qrη1/【（hfh-hs,）+（1+ξd）（hs,-hfw）】
其中：
η1为一回路能量利用系数，给定为0.995；
hfh为蒸汽发生器出口新蒸汽比焓，利用其出口温度280.9℃（饱和蒸汽），干度99.75%，算得该值为2774.19kJ/kg；
hs,为蒸汽发生器运行压力（6.5MPa）下的饱和水焓，1240.7kJ/kg；
hfw为蒸汽发生器给水比焓（6.5MPa，224.69℃），966.37kJ/kg；
ξd为蒸汽发生器排污率，取为1.05%
另外，Gfw=Ds×（1+1.05%）。
二、二回路系统各设备耗汽量计算：
（1）、给水回热系统热平衡计算，确定汽轮机各级抽汽点的抽汽量及冷凝器出口凝给水流量Gcd:
首先，假定凝给水量Gcd；
其次，计算低压加热器抽气量：
Gles,4=Gcd*Δhfw，l/[（hles,4-hlew,4）*ηh];
Gles,3=[Gcd*Δhfw，l-Gles,4*（hlew,4-hlew,3）*ηh]/[（hles,3-hlew,3）*ηh];
Gles,2=[Gcd*Δhfw，l-（Gles,3+Gles,4）*（hlew,3-hlew,2）*ηh]/[（hles,2-hlew,2）*ηh];
Gles,2=[Gcd*Δhfw，l-（Gles,2+Gles,3+Gles,4）*（hlew,2-hlew,1）*ηh]/[（hles,1-hlew,1）*ηh];
其中:
hles,j，hlew,j-------第j级给水加热器加热蒸汽、疏水的比焓，kJ/kg；
Ηh------给水加热器的热效率；
Δhfw，l-------除氧器及低加给水焓升；
（2）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：
给水泵有效输出功率：
Nfwp=Gfw×1000×Hfwp/ρkW
耗汽量Gs,fwp=Nfwp/（ηfwp,pηfwp,tiηfwp,tmηfwp,tgHa）；
其中：
ηfwp,p汽轮给水泵组的泵效率；
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；
Ha为高压缸进出口焓降，kJ/kg；
Hfwp为给水泵的压升，MPa。
（3）、汽轮发电机组耗汽量计算，确定计算工况下汽轮机高压缸、低压缸以及汽水分离再热器以及除氧器的耗汽量:
Ⅰ、低压缸耗汽量Gs，lp，根据质量平衡，有：
Gs,lp=Gcd-Gs,fwp-ξd×Ds；
低压缸的功率Nl：
Nl=Gs,lp×（hl,i-hl,z）-Gles,4×（hles,4-hl,z）-Gles,3×（hles,3-hl,z）-Gles,2×（hles,2-hl,z）-Gles,1×（hles,1-hl,z）；
其中：
hl,i、hl,z低压缸进、出口蒸汽焓值，kJ/kg；
Ⅱ、汽水分离再热器：
第二级再热器用新蒸汽加热，其耗汽量：
Gs,rh2=Gs,lp×（hrh2,z-hrh2,i）/（hzes，2-hzew，2）；
第一级再热器用高压缸抽汽加热，其耗汽量为：
Gs,rh1=Gs,lp×（hrh1,z-hrh1,i）/（hzes，1-hzew，1）；
其中：
hrhj,z，hrhj,i第J级再热器出、进口蒸汽焓值，kJ/kg；
hzes，j，hzew，j第J级再热器抽汽、疏水焓值，kJ/kg；
Ⅲ、高压加热器抽气量：
Ghes,2=[Gfw*Δhfw，h-Gs,rh2*（hzew，2-hhew,2）*ηh]/[（hhes,2-hhew,2）*ηh]；
Ghes,1=[Gfw*Δhfw，h-Gs,rh1*（hzew，1-hhew,1）*ηh-Ghes,2*（hhew,2-hhew,1）*ηh]/[（hhes,1-hhew,1）*ηh]；
其中：
Δhfw，h高压加热器给水焓升，kJ/kg；
hhes,j，hhew,j第J级高压加热器抽气、疏水焓值，kJ/kg；
Ⅳ、高压缸耗汽量Gs，hp，根据能量平衡，有：
Nh=Ne/ηmηge-Nl；
Gs,hp=[Nh+Ghes,2×（hhes,2-hh,z）+Gs,rh1×（hzes，1-hh,z）+Ghes,1×（hhes,1-hh,z）]/（hh,i-hh,z）；
分离器疏水:
G0=Gs,lp×（1-Xsp,i）/Xsp,i;
其中：
ηm、ηge汽轮机组机械效率和发电机效率；
hh,i，hh,z高压缸进出口焓值，kJ/kg；
Xsp,i汽水分离器进口蒸汽干度
Ⅴ、除氧器：
利用高压缸排汽进行加热，其耗汽量：
Gs,dea=[Gfw×hdea,z-（Ghes,2+Ghes,1+Gs,rh1+Gs,rh2）×hhew,1-Gcd×hdea,i-G0×h0]/hh,z;
其中：
hdea,z，hdea,i除氧器进出口的焓值，kJ/kg；
h0汽水分离器疏水焓值，kJ/kg；
（4）确定对应的新蒸汽耗量Gs，进一步求出对应的给水量Gfw，由Gfw和各级加热器的疏水量，求出Gcd2，Gcd2=Gfw-（Gs,dea+G0+Ghes,6）
（5）比较Gcd与Gcd2，若相对误差大于1%，返回步骤
（1）进行迭代计算，直到满足精度要求为止。
（6）确定二回路系统总的新蒸汽耗量Ds2=Gs,fwp+Gs,rh2+Gs,hp
三，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：
Qr2=Ds2×[（hfh-hs,）+（1+0.0105）×（hs,-hfw）]/η1
进而可以计算出核电厂效率为：
ηe,NPP2=Ne/Qr2=1000000/Qr2
四,计算精度判断:
将计算得到的核电厂效率ηe,NPP2与初始假设的ηe,NPP比较,若绝对误差小于0.1%,即完成计算,否则以ηe,NPP2为初始值，返回进行迭代计算。
3.3、计算结果及分析
计算结果：
见附表3；
分析：
首先，计算书中未考虑部分管道的压损（主要包括加热器之间管道压损、加热器内抽气压损、再热器到低压缸压损等），这对计算结果会有一定的影响，但是影响不大；
其次，各再热器、加热器疏水都是相应压力下的饱和水；
最后，蒸汽发生器的排污水经过降温降压净化处理后排入冷凝器中。
4.结论
此次对压水堆核电厂二回路热力系统进行拟定与热平衡计算，最终初步确定了二回路热力系统的形式和配置方式，并得到了主要参数。
本次设计中的参数选择接近于压水堆核电厂的真实参数，所设计的压水堆核电厂二回路的热效率为30.04%，与在役核电厂的效率相接近，可以说本设计符合实际生产的需要，因此本设计是个较为成功的设计。
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，2003．
[2]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，2000．
[3]彭敏俊．船舶核动力装置.北京：
原子能出版社，2009.
附录：
附表一已知条件和给定参数
序号
项目
符号
单位
数值
1
核电厂输出电功率
Ne
MW
1000
2
一回路能量利用系数
η1
%
99.5
3
蒸汽发生器出口蒸汽干度
Xfh
%
99.75
4
蒸汽发生器排污率
ξd
%
1.05
5
压高缸内效率
ηl，i
%
82.07
6
低压缸内效率
ηh，i
%
83.59
7
汽轮机组机械效率
ηm
%
98.5
8
发电机效率
ηge
%
98.5
9
新蒸汽压损
Δpfh
MPa
3%pfh
10
再热蒸汽压损
Δprh
MPa
2%phz
11
回热抽汽压损
Δpe，j
MPa
4%pe，j
12
低压缸排汽压损
Δpcd
Mka
5%
13
高压给水加热器出口端差
θh，u
℃
3
14
低压给水加热器出口端差
θl，u
℃
2
15
加热器效率
ηh
0.98
16
给水泵效率
ηfwp，p
0.58
17
给水泵汽轮机内效率
ηfwp，ti
0.8
18
给水泵汽轮机机械效率
ηfwp，tm
0.9
19
给水泵汽轮机减速器效率
ηfwp，tg
0.98
20
循环冷却水进口温度
Tsm，1
℃
24
附表二确定的主要热力参数汇总表
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
pc
MPa
选定，15~16
15.2
2
反应堆冷却剂的饱和温度
Tc,s
℃
查水和水蒸汽表确定
343.26
3
反应堆出口冷却剂过冷度
ΔTsub
℃
选定，15~20
18
4
反应堆出口冷却剂温度
Tco
℃
Tco=Tc,s−ΔTsub
325.26
5
反应堆进出口冷却剂温升
ΔTc
℃
选定，30~40
32
6
反应堆进口冷却剂温度
Tci
℃
Tci=Tco−ΔTc
293.26
7
二回路蒸汽压力
ps
MPa
选定，5~7
6.5
8
蒸汽发生器出口新蒸汽温度
Tfh
℃
ps对应的饱和温度
280.9
9
一、二次侧对数平均温差
T
℃
25.04
10
蒸汽发生器出口新蒸汽干度
xfh
%
蒸汽发生器运行参数给定干度
99.75
11
蒸汽发生器出口新蒸汽焓值
hfh
kJ/kg
根据（ps、xfh）查水蒸汽表
2774.19
12
循环冷却水温升
ΔTsw
℃
选定，6~8
7
13
冷凝器传热端差
δT
℃
选定，3~10
5
14
冷凝器凝结水饱和温度
Tcd
℃
Tcd=TSW,1+ΔTsw+δT
36
15
冷凝器的运行压力
Pcd
kpa
Tcd对应的饱和压力
5.9
16
高压缸进口蒸汽压力
ph，i
MPa
新蒸汽压损3%Pfh
6.305
17
高压缸进口蒸汽干度
xh,i
%
近似焓相等过程，根据（ph，i、hfh）查表
99.6
18
高压缸排汽压力
ph,z
MPa
选定分压比12%ph，i
0.7566
19
高压缸排汽干度
xh,z
%
由（ph，z，Sh,i）查出理论值，由ηh,i求出
86.07
20
汽水分离器进口蒸汽压力
psp,i
MPa
psp,i=ph,z
0.7566
21
汽水分离器进口蒸汽干度
xsp,i
%
xsp,i=xh,z
86.07
22
第一级再热器进口蒸汽压力
prh1,i
MPa
选定分离器压损3%psp,i
0.7339
23
第一级再热器进口蒸汽干度
xrh1,i
%
分离后湿度0.5~1%，选定0.5%
99.5
24
第1级再热器抽汽压力
pzes，1
MPa
选定大亚湾参数
2.8
25
第1级再热器抽汽焓值
hzes，1
kJ/kg
由（pzes，1，Sh,i）查出理论值，由ηh,i求出
2649.65
26
第1级再热器抽汽干度
xzes，1
由（pzes，1，hzes，1）查水蒸汽表
91.54
27
第二级再热器出口蒸汽压力
prh2,z
MPa
再热器压损选定2%psp,i
0.7045
28
第二级再热器出口蒸汽温度
Trh2,z
℃
比新蒸汽低10~15℃，选定端差15℃
265.9
29
第二级再热器进口蒸汽压力
prh2,i
MPa
两级再热器等压损
0.7192
30
第二级再热器进口蒸汽焓值
hrh1,2
kJ/kg
蒸汽经过两级再热器焓升相等
2870.66
31
第二级再热器进口蒸汽温度
Trh2,i
℃
根据（prh2,i、hrh1,2）查水蒸汽表
212.5
32
第2级再热器抽汽压力
pzes，2
MPa
新蒸汽压损3%Pfh
6.305
33
第1级再热器抽汽干度
xzes，2
由（pzes，2，hzes，2）查水蒸汽表
99.6
34
低压缸进口蒸汽压力
pl,i
MPa
pl,i=prh2,z
0.7045
35
低压缸进口蒸汽温度
Tl,i
℃
Tl,i=Trh2,z
265.9
36
低压缸排汽压力
pl,z
MPa
根据排汽压损，pl,z=pcd/0.95
0.00621
37
低压缸排汽干度
Xl,z
%
根据（pl,z、hl,z）查水蒸汽表xl,z
90.77
38
回热级数
Z
参照大亚湾核电站选定
7
39
低压给水加热器级数
ZL
参照大亚湾核电站选定
4
40
高压给水加热器级数
ZH
参照大亚湾核电站选定
2
41
最佳给水焓升
Δhfw，op
kJ/kg
Δhfw，op=（hs‘-hcd）/（Z+1）
136.24
42
最佳给水焓值
hfw，op
kJ/kg
hfw，op=hcd+ZΔhfw，op
1104.45
43
最佳给水温度
Tfw，op
℃
根据（psg、hfw，op）查水蒸汽表
253.7
44
理论给水温度
Tfw
℃
选定，Tfw=0.88Tfw，op
223.256
45
理论给水焓值
hfw
kJ/kg
根据Tfw对应饱和水焓值
958.53
46
除氧器运行压力
pdea
MPa
选定，小于高压缸排气压力
0.71
47
除氧器出口给水温度
Tdea
℃
对应的饱和水温度
165.55
48
除氧器出口给水比焓
hdea
kJ/kg
对应饱和水的焓
699.8
49
高压加热器给水焓升
Δhfw，h
kJ/kg
Δhfw，h=（hfw-hdea）/2
129.365
50
除氧器及低加给水焓升
Δhfw，l
kJ/kg
Δhfw，l=（hdea-hcd）/5
109.346
51
凝水泵的扬程
H
m
选定
230
52
凝水泵出口压力
pcd，p
MPa
pcd，p=H*ρ*g+pcd
2.2599
53
低压加热器给水参数
第1级低加进口给水比焓
hlfwi,1
kJ/kg
凝水泵加压为等熵过程，查水蒸汽表
153.07
第1级低加出口给水比焓
hlfwo,1
kJ/kg
升级会员 