压水堆核电厂二回路热力系统初步设计说明书专业课程设计说明书.docx

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压水堆核电厂二回路热力系统初步设计说明书专业课程设计说明书

压水堆核电厂二回路热力系统初步设计说明书——专业课程设计说明书

专业课程设计说明书

压水堆核电厂二回路热力系统初步设计

班级：

20111513

学号：

2011151327

姓名：

朱智强

指导老师：

王贺

核科学与技术学院

2014年6月

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.............................................4

3热力系统热平衡计算...............................................10

3.1热平衡计算方法..............................................10

3.2热平衡计算模型..............................................10

3.3热平衡计算流程..............................................14

3.4计算结果及分析..............................................15

4结论.............................................................15

附录...............................................................16

附表1已知条件和给定参数........................................16

附表2选定的主要热力参数汇总表..................................17

附表3热平衡计算结果汇总表......................................24

附图原则性热力系统图..........................................25

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

摘要

二回路系统的组成以郎肯循环为基础，由蒸汽发生器二次侧、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。

初步设计压水堆核电厂二回路热力系统，使二回路能安全经济的完成其主要功能：

反应堆内核燃料裂变产生的热量由流经堆芯的冷却剂带出，在蒸汽发生器中传递给二回路工质，二回路工质吸热后产生一定温度和压力的蒸汽，通过蒸汽系统输送到汽轮机高压缸做功或耗热设备的使用，汽轮机高压缸做功后的乏汽经汽水分离再热器再热后送入低压缸继续做功，低压缸做功后的废气排入冷凝器中，由循环冷却水冷凝成水，经低压给水加热器预热，除氧后用高压给水加热器进一步加热，后经过给水泵增压送入蒸汽发生器，开始下一次循环。

在确定二回路系统原则方案的基础之上，通过合理的参数选择与相关模型（物理模型、数学模型）的建立，对二回路系统各个环节确定其主要的工质参数。

之后利用迭代（通过编程）结合热量平衡方程、质量平衡方程和汽轮机功率方程进行二回路系统原则方案进行100%功率下的热平衡计算，确定核电厂效率、总蒸汽产量、总给水量、汽轮机耗气量、给水泵功率和扬程等主要参数，为二回路热力系统方案的进一步设计和优化提供参考。

1.设计内容及要求

1.1设计内容

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。

1.2设计要求

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

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（本次设计将给水泵的排气送入汽水分离再热器进行再热）。

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

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。

压水堆核电厂二回路热力系统原理流程图如附图一所示。

（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再热器。

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）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，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，也可以部分采用疏水汇流方式，将疏入送入给水管道。

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。

（本次设计将给水泵的排气送入汽水分离再热器进行再热）

2.3主要热力参数选择

（1）一回路冷却剂的参数选择

反应堆冷却剂系统的运行压力Pc=15.5MPa，冷却剂压力对应的饱和温度为Tcs=344.79Mpa，选定反应堆出口冷却剂的过冷度ΔTsub=18℃，反应堆出口冷却剂温度

Tco=Tc,s–ΔTsub=344.79−18=326.79℃

选定反应堆进出口冷却剂的温升为ΔTc=36℃,则反应堆进口冷却剂的温度：

Tci=Tco–ΔTc=326.79−36=290.79℃

（2）蒸汽发生器

蒸汽发生器的运行压力为Ps=6.0MPa，通过查水及水蒸汽表可知，对应的蒸汽发生器饱和蒸汽温度为Tfh=275.63℃，对应的饱和水比焓、饱和蒸汽比焓分别为hsˊ=1213.3kJ/kg，hs”=2783.82kJ/kg，新蒸汽的干度xfh=99.75％，则新蒸汽的焓值hfh=1213.3+0.9975（2783.82−1213.3）=2779.89kJ/kg，一、二次侧对数平均温差为：

℃

对数平均温差在20℃~33℃范围内，符合要求。

（3）冷凝器

循环冷却水的进口温度Tsw,1=24℃，冷凝器中循环冷却水温升ΔTsw=7℃，冷凝器传热端差δT=5℃，则冷凝器凝结水饱和温度：

Tcd=Tsw,1+ΔTsw+δT=24+7+5=36℃

对应的冷凝器运行压力Pcd=5.945kPa，冷凝器运行压力对应的饱和水焓hcd=150.77kJ/kg。

（4）高压缸

高压缸进口蒸汽压力为Ph,i=Pfh−ΔPfh=6*（1−5％）=5.7MPa，对应的饱和水比焓和饱和蒸汽比焓分别为，hh,isˊ=1196.63kJ/kg，hh,is”=2787.73kJ/kg。

通过热平衡计算hfh=hh,isˊ+xh,z（hh,is”-hh,isˊ），可得高压缸进口蒸汽干度xh,i=99.55％，进口蒸汽比焓值hh,i=2780.57kJ/kg,进口蒸汽的比熵sh,i=5.901kJ/（kg˙K），高压缸的排气压力ph,z=13％×ph,i=13％×5.7=0.741，假设工质在高压缸内为等熵膨胀过程，则ph,z=0.741MPa对应的比焓值为2418.701kJ/kg，高压缸的内效率ηh,i=82.07%，故实际焓值为2780.57-（2780.57-2418.701）×0.8207=2483.58kJ/kg。

压力0.741MPa下对应的饱和水焓与饱和蒸汽焓值分别为：

hh,zsˊ=707.23kJ/kg，hh,zs”=2765.14kJ/kg

高压缸出口蒸汽干度可求得为：

xsp,i=（2483.58-707.23）/（2765.14-707.23）=0.8632

（5）汽水分离器

汽水分离器的进口蒸汽压力为psp,i=0.741MPa，汽水分离器的进口蒸汽干度xsp,i=86.32%，考虑汽水分离器3%的压力损失，则汽水分离器的出口压力prh1,i=0.719MPa，汽水分离器的出口干度选定为99.5%.

（6）第一级再热器

第一级再热器的进口蒸汽压力prh1,i=psp,i-Δpsp=0.741*（1-3％）=0.719MPa，第一级再热器的进口蒸汽干度xrh1,i=99.5%,进口蒸汽的焓值2753.57kJ/kg.

（7）第二级再热器

考虑第一级再热器2%的压损，第二级再热器的进口蒸汽压力prh2,i=prh1,i-Δprh1=0.705MPa。

考虑新蒸汽进入第二级再热器5%的压力损失，则第二级再热器加热蒸汽的进口压力为6×0.95=5.7MPa,对应的饱和温度为272.26℃，干度为0.9955，焓值为2780.57kJ/kg，考虑第二及再热器的1%的压损，则其出口蒸汽压力为prh2,hs=0.698MPa,第二级再热器出口蒸汽温度比加热蒸汽进口温度低14℃，再热蒸汽出口蒸汽温度为Trh2,z=258.26℃，利用水及水蒸汽表查得第二级再热器出口蒸汽焓值为hrz2,o=2971.73kJ/kg。

第一级再热器与第二级再热器平均焓升相同，可求得平均焓升为：

Δhrz=（2971.73-2753.57）/2=109.08kJ/kg

进而可知第一级再热器的出口焓值为hrh1,o=2753.57+109.08=2862.65kJ/kg,利用水蒸汽表查得第一级再热器出口蒸汽温度Trh1,o=207.89℃。

（8）低压缸

考虑第二级再热器出口过热蒸汽进入低压缸的压力损失很小，取低压缸进汽压力与第二级再热器出口过热蒸汽压力近似相等。

则低压缸进口蒸汽压力为pl,i=0.698MPa，焓值是2971.73kJ/kg，温度是Tl,i=258.26℃，进口蒸汽的比熵为sl,i=7.1498kJ/（kg˙K）。

冷凝器的运行压力为0.005945MPa，考虑低压缸排气至冷凝器5%的压力损失，则可求得低压缸的排气压力为pl,z=0.005945/（1-5％）=0.00626Mpa,利用同求高压缸出口干度一样的方法（等熵过程和内效率）求得低压缸的排气干度为xl,z=90.35%,对应的焓值是hl,z=2335.17kJ/kg。

（9）给水回热参数的选择

1）平均焓升分配

蒸汽发生器运行压力6.0MPa下对应的饱和水比焓为hsˊ=1213.73kJ/kg，冷凝器运行压力5.945kPa下对应的凝结水比焓为150.77kJ/kg，每一级加热器的理论焓升为：

kJ/kg

蒸汽发生器的最佳给水比焓为：

hfw,op=hcd+ZΔhfw,op=150.77+7×132.87=1080.86kJ/kg

由于蒸汽发生器进口给水压力比新蒸汽压力高0.1MPa，故给水压力为6.1MPa，利用水蒸汽表可知最佳给水温度Tfw,op=249.01℃，实际给水温度Tfw往往低于理论上的最佳给水温度Tfw,op，取系数为0.87，则可求得实际给水温度Tfw=0.87Tfw,op=0.87×249.01=216.64℃，结合给水压力6.1MPa，利用水蒸汽表查得实际给水焓值hfw=927.99kJ/kg，再次等焓升分配确定每一级加热器内给水的实际焓升：

kJ/kg

因为规定除氧器的运行压力略低于高压缸的排气压力，且除氧器出口水温等于除氧器运行压力对应的饱和温度。

结合平均焓升分配法亦可以定出除氧器的运行压力。

经过简单运算与查表定出除氧器的运行压力pdea=0.735MPa＜0.741MPa，对应的除氧器出口给水温度Tdea=166.95℃，除氧器出口给水焓值hdea=705.92kJ/kg。

由于求得的除氧器运行压力满足略小于高压缸排汽压力的要求，故不再进行第二次焓升分配。

2）对每级加热器及除氧器工质参数的确定

取凝水泵的出口压力为除氧器运行压力的3.117倍，则第一级低压给水加热器的进口压力为plfwi,1=3.117×0.735=2.291MPa,由于凝水泵对给水比焓影响小，可以忽略掉。

则第一级低压给水加热器进口给水比焓hlfwi,1=150.77kJ/kg，查水蒸汽表可知第一级低压给水加热器进口给水温度，Tlfwi,1=35.5℃。

考虑均匀压降，低压加热器通过运算可知每级压降取0.389MPa为宜，则第一级低压给水加热器出口给水压力为1.902MPa，利用平均焓升可知出口给水比焓值为hlfwo,1=261.80kJ/kg,利用水蒸汽表查得出口给水温度为Tlfwo,1=62.17℃。

对于低压给水加热器上端差为2℃，故可得第一级汽侧疏水温度为64.17℃，查水蒸汽表知对应的疏水比焓值是268.60kJ/kg，第一级汽侧饱和压力为0.02413MPa。

利用同样的方法，可求得其它低压级及高压给水加热器的相应参数，现将其列如其下：

第一级进口给水压力：

p1fwi,1=2.291MPa

第一级进口给水比焓：

hlfwi,1=150.77kJ/kg

第一级进口给水温度：

Tlfwi,1=35.50℃

第一级出口给水温度：

Tlfwo,1=62.17℃

第一级出口给水压力：

p1fwo,1=1.902MPa

第一级出口给水比焓：

hlfwo,1=261.80kJ/kg

第一级汽侧疏水温度：

64.17℃

第一级汽侧疏水比焓：

268.60kJ/kg

第一级汽侧疏水压力：

0.02413MPa

第二级进口给水压力：

p1fwi,2=1.903MPa

第二级进口给水比焓：

hlfwi,2=261.80kJ/kg

第二级进口给水温度：

Tlfwi,2=62.17℃

第二级出口给水压力：

p1fwo,2=1.513MPa

第二级出口给水比焓：

hlfwo,2=372.83kJ/kg

第二级出口给水温度：

Tlfwo,2=88.75℃

第二级汽侧疏水温度：

90.75℃

第二级汽侧疏水比焓：

380.12kJ/kg

第二级汽侧疏水压力：

0.07221MPa

第三级进口给水压力：

p1fwi,2=1.515MPa

第三级进口给水比焓：

hlfwi,2=372.83kJ/kg

第三级进口给水温度：

Tlfwi,2=88.75℃

第三级出口给水压力：

p1fwo,2=1.124MPa

第三级出口给水比焓：

hlfwo,2=483.86kJ/kg

第三级出口给水温度：

Tlfwo,2=115.15℃

第三级汽侧疏水温度：

117.15℃

第三级汽侧疏水比焓：

491.68kJ/kg

第三级汽侧疏水压力：

0.1814MPa

第四级进口给水压力：

p1fwi,4=1.127MPa

第四级进口给水比焓：

hlfwi,4=483.86kJ/kg

第四级进口给水温度：

Tlfwi,4=115.15℃

第四级出口给水压力：

p1fwo,4=0.735MPa

第四级出口给水比焓：

hlfwo,4=594.89kJ/kg

第四级出口给水温度：

Tlfwo,4=141.27℃

第四级汽侧疏水温度：

143.27℃

第四级汽侧疏水比焓：

603.25kJ/kg

第四级汽侧疏水压力：

0.3962MPa

除氧器进口给水比焓：

hdea,i=594.89kJ/kg

除氧器出口给水比焓：

hdea,o=705.92kJ/kg

除氧器出口给水温度：

Tdea=166.95℃

除氧器运行压力：

pdea=0.735MPa

第六级进口给水压力：

p1fwi,6=7.2MPa

第六级进口给水比焓：

hlfwi,6=705.92kJ/kg

第六级进口给水温度：

Tlfwi,6=166.12℃

第六级出口给水压力：

p1fwo,6=6.65MPa

第六级出口给水比焓：

hlfwo,6=816.95kJ/kg

第六级出口给水温度：

Tlfwo,6=191.56℃

第六级汽侧疏水温度：

194.56℃

第六级汽侧疏水比焓：

827.95kJ/kg

第六级汽侧疏水压力：

1.385MPa

第七级进口给水压力：

p1fwi,7=6.65MPa

第七级进口给水比焓：

hlfwi,7=816.95kJ/kg

第七级进口给水温度：

Tlfwi,7=191.56℃

第七级出口给水压力：

p1fwo,7=6.1MPa

第七级出口给水比焓：

hlfwo,7=927.99kJ/kg

第七级出口给水温度：

Tlfwo,7=216.34℃

第七级汽侧疏水温度：

219.34℃

第七级汽侧疏水比焓：

940.59kJ/kg

第七级汽侧疏水压力：

2.290MPa

（10）抽气参数

1）低压缸抽气与高压缸抽汽参数

第一级加热器汽侧压力为0.02413MPa，考虑回热抽气低压缸（3%）和高压缸（4％）的压力损失，则第一级抽气压力为ples,1=0.02413/0.97=0.02487MPa,运用同求高压缸排气干度一样的方法（等熵过程和内效率），结合查水蒸气表可得第一级抽气干度xles,1=94.38%，第一级抽汽比焓为，hles,1=2485.41kJ/kg.运用相同的方法可求得其他两级高压和四级低压加热器的抽汽参数，现将其列如其下：

第一级抽汽压力：

ples,1=0.02487MPa

第一级抽汽干度：

xles,1=94.38%

第一级抽汽比焓：

hles,1=2485.41kJ/kg

第二级抽汽压力：

ples,2=0.07444MPa

第二级抽汽干度：

xles,2=98.22%

第二级抽汽比焓：

hles,2=2621.50kJ/kg

第三级抽汽压力：

ples,3=0.1870MPa

第三级抽汽干度：

xles,3=100%

第三级抽汽比焓：

hles,3=2750.18kJ/kg

第四级抽汽压力：

ples,4=0.4084MPa

第四级抽汽干度：

xles,4=100%

第四级抽汽比焓：

hles,4=2877.13kJ/kg

第六级抽汽压力：

phes,6=1.4427MPa

第六级抽汽干度：

xhes,6=88.90%

第六级抽汽比焓：

hhes,6=2573.00kJ/kg

第七级抽汽压力：

phes,7=2.3854MPa

第七级抽汽干度：

xhes,7=91.57%

第七级抽汽比焓：

hhes,7=2645.41kJ/kg

2）两级再热器用于加热的抽汽参数

第一级再热器抽汽压力：

prh1,hs=2.6MPa

第一级再热器抽汽干度：

xrh1,hs=92.14%

第一级再热器抽汽比焓：

hrh1,hs=2658.56kJ/kg

第二级再热器抽汽压力：

prh2,hs=5.7MPa

第二级再热器抽汽干度：

xrh2,hs=99.55%

第二级再热器抽汽比焓：

hrh1,hs=2780.57kJ/kg

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，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。

3.2热平衡计算模型

（1）蒸汽发生器总蒸汽产量的计算

已知核电厂的输出电功率为Ne，假设电厂效率为ηe,NPP（第一次取0.33）,则反应堆功率为

（MW）

通