压水堆二回路课程设计报告.docx

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压水堆二回路课程设计报告

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................................................9

3.1热平衡计算方法...............................................9

3.2热平衡计算流程..............................................10

3.3热平衡计算步骤及代数过程....................................10

3.4计算中的问题分析............................................16

4．数据分析及结论..................................................17

附录...............................................................18

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..................................20

附表3热平衡计算结果汇总表......................................28

附图原则性热力系统图..............................................30

参考文献...........................................................31

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。

二回路系统的以郎肯循环为基础，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热力循环，实现能量的传递和转换。

本说明书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和模型的建立，对二回路系统各个环节确定其主要的工质参数。

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额定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基础。

1.设计内容及要求

1.1设计内容

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。

1.2设计要求

本课程设计是学生在学习《核动力装置与设备》、《核电厂运行》课程后的一次综合训练，是实践教学的一个重要环节。

通过课程设计使学生进一步巩固、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，培养学生对工程技术问题的严肃、认真和负责态度。

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。

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。

（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。

2.3主要热力参数选择

典型压水堆核电厂一、二回路工质温度之间的制约关系

（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=15.60MPa，冷却剂压力对应的饱和温度为Tcs=345.31℃，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=Tcs–ΔTsub=345.31−18=327.31℃

选定反应堆进出口冷却剂的温升为ΔTc=37℃,则反应堆进口冷却剂的温度：

Tci=Tco–ΔTc=327.31−37=290.31℃

（2）蒸汽发生器

蒸汽发生器的运行压力为Ps=6.5MPa，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=283.88℃，对应的饱和水比焓为hsˊ=1257.8kJ/kg，新蒸汽的干度xfh=0.9975，查表得新蒸汽的焓值hfh=2771.34kJ/kg，一、二次侧对数平均温差为：

℃

大致符合要求。

（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=150.82kJ/kg。

（4）高压缸

高压缸进口蒸汽压力为Ph,i=Pfh−ΔPfh=6.8−0.05×6.8=6.46MPa，高压缸进口蒸汽干度根据焓相等的近似过程按（ph，i，hfh）查表得高压缸进口蒸汽xh，i=0.9948，据此可查得高压缸进气的各个参数:

进气温度Th,i=280.45℃，高压缸进口蒸汽熵值Sh，i=5.8401kJ/（kg℃）。

选定最佳分缸压力为高压缸进气压力的14％，则高压缸排汽压力ph，z=0.14×6.46=0.904MPa。

高压缸排汽理想焓值熵相等过程，按（ph，z，Sh，i）查表得hh,z*=2423.4kJ/kg，高压缸排汽实际焓值hh，z=hfh-ηh，i（hfh-hh,z*）=

2771.34-0.8207×（2771.34-2423.4）=2485.79kJ/kg。

根据压力和焓值可以确定其他参数：

排气温度Th，z=175.55℃，排气干度xh，z=0.8584。

（5）汽水分离器

汽水分离器的进口蒸汽压力为psp,i=0.904MPa，汽水分离器的进口蒸汽干度xsp,i=0.8584，分离器考虑汽水分离器再热器3%的压力损失，均匀分配到每部分设备，则汽水分离器的出口压力prh1,i=0.99ph,z=0.99×0.904=0.895MPa，汽水分离器的出口干度选定为xrh1,i=0.9973。

（6）第一级再热器

第一级再热器的进口蒸汽压力prh1,i=prh1,i=0.895MPa，第一级再热器的进口蒸汽干度xrh1,i=0.9973,进口蒸汽的焓值查表得hrh1，i=2767.33kJ/kg，温度Trh1，i=175.12℃。

选定加热蒸汽进口压力（参照压水堆核电厂参数）prh1,hs=3.0MPa，加热蒸汽进口干度xrh1,hs=0.96，根据（prh1,hs，xrh1,hs）查表得加热蒸汽焓hrh1，hs=2731.47kJ/kg，一级疏水焓hrh1,hs=1008.37kJ/kg，一级疏水温度Trh1,hs=233.86kJ/kg。

（7）第二级再热器

考虑均匀分配压损，第二级再热器的进口蒸汽压力prh2,i=0.99prh1,i=0.886MPa,第二级再热蒸汽出口压力prh2,z=0.99prh2,i=0.878MPa，再热器出口蒸汽温度比加热蒸汽进口温度低15℃，再热蒸汽出口蒸汽温度为Trh2,z=268.88℃，利用水及水蒸汽表查得第二级再热器出口蒸汽焓值为hrh2,z=2988.52kJ/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=（2988.52-2767.33）/2=110.60kJ/kg

进而可知再热器进口蒸汽焓值hrh1,2=2767.33+110.60=2877.93kJ/kg,利用水蒸汽表查得第二级再热器进口蒸汽温度Trh2,i=219.54℃。

二级加热蒸汽进口压力（假设和进入高压缸汽损一样）prh2,hi=6.46MPa，那么干度xrh2,hi=0.9948，Trh2,hi=280.45℃，hrh2,hi=2771.3kJ/kg，疏水焓hrh1,hs=1239.02kJ/kg，疏水温度Trh2,hs=280.45℃。

（8）低压缸

假设不计第二级再热器出口过热蒸汽进入低压缸的压力损失，则低压缸进口蒸汽压力为pl,i=prh2,z=0.878MPa，焓值hl,i=hrh2,z=2988.52kJ/kg,进口蒸汽温度Tl,i=Trh2,z=268.88℃，利用水蒸汽表查得进口蒸汽熵值Sl,i=7.07kJ/（kg℃）。

低压缸排汽压力根据排汽压损，pl,z=pcd+5%pcd=6.24kPa，排汽理想焓值按照等熵过程，据（pl,z、Sl,i）查表得hl,z*=2181.86kJ/kg，排汽实际焓值hl,z=hl,i–ηl,i（hl,i–hl,z*）=2314.23kJ/kg，按（pl,z,hl,z）查水蒸汽表得xl,z=0.8949。

（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6.8MPa下对应的饱和水比焓为hsˊ=1257.08kJ/kg，冷凝器凝结水焓hcd=150.82kJ/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=150.82+7×138.28=1118.78kJ/kg

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0.88，则可求得实际给水温度Tfw=0.88Tfw,op=0.88×256.81=225.99℃，利用水蒸汽表查得理论给水焓值hfw=971.45kJ/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。

经过运算查表得除氧器的运行压力pdea=0.734MPa小于高压缸排气压力，满足要求。

对应的除氧器出口给水温度Tdea=166.9℃，除氧器出口给水焓值hdea=705.94kJ/kg。

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，高压给水加热器每一级的焓升为：

kJ/kg，

低压给水加热器每一级的焓升为：

kJ/kg。

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3.1倍，则第一级低压给水加热器的进口压力为plfwi,1=3.1×0.734=2.277MPa,由于凝水泵对给水加压为等熵过程，根据压力和熵查水蒸汽表得出第一级低压给水加热器进口给水比焓hlfwi,1=153.11kJ/kg，考虑均匀压降，低压加热器通过运算可知每级压降取△p=（pcwp-pdea）/4，则第一级低压给水加热器出口给水压力为p1fwi,1=1.89MPa，利用平均焓升可知出口给水比焓值为hlfwo,1=264.13kJ/kg,利用水蒸汽表查得出口给水温度Tlfwo,1=62.73℃,进出口给水温度T1fwi,1=36.06℃。

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64.73℃，查水蒸汽表知对应的疏水比焓值是270.61kJ/kg，第一级汽侧饱和压力为0.0247MPa。

利用同样的方法，可求得其它各级给水加热器的相应参数如下：

①第一级进口给水压力：

p1fwi,1=2.277MPa第一级出口给水压力：

p1fwo,1=1.891MPa

第一级进口给水比焓：

hlfwi,1=153.11kJ/kg第一级出口给水比焓：

hlfwo,1=264.13kJ/kg

第一级进口给水温度：

Tlfwi,1=36.06℃第一级出口给水温度：

Tlfwo,1=62.65℃

第一级疏水温度：

Tw，1=64.65℃第一级疏水比焓：

Hw，1=270.61kJ/kg

第一级疏水压力：

Pw，1=0.0247MPa

②第二级进口给水压力：

p1fwi,2=1.891MPa第二级出口给水压力：

p1fwo,2=1.506MPa

第二级进口给水比焓：

hlfwi,2=264.13kJ/kg第二级出口给水比焓：

hlfwo,2=375.16kJ/kg

第二级进口给水温度：

Tlfwi,2=62.65℃第二级出口给水温度：

Tlfwo,2=89.16℃

第二级疏水温度：

Tw，2=91.16℃第二级疏水比焓：

Hw，2=381.85kJ/kg

第二级疏水压力：

Pw，2=0.0733MPa

③第三级进口给水压力：

p1fwi,2=1.506MPa第三级出口给水压力：

p1fwo,2=1.120MPa

第三级进口给水比焓：

hlfwi,2=375.16kJ/kg第三级出口给水比焓：

hlfwo,2=486.18kJ/kg

第三级进口给水温度：

Tlfwi,2=89.16℃第三级出口给水温度：

Tlfwo,2=115.50℃

第三级疏水温度：

Tw，3=117.50℃第三级疏水比焓：

Hw，3=493.16kJ/kg

第三级疏水压力：

Pw，3=0.1834MPa

④第四级进口给水压力：

p1fwi,4=1.120MPa第四级出口给水压力：

p1fwo,4=0.734MPa

第四级进口给水比焓：

hlfwi,4=486.18kJ/kg第四级出口给水比焓：

hlfwo,4=597.21kJ/kg

第四级进口给水温度：

Tlfwi,4=115.50℃第四级出口给水温度：

Tlfwo,4=137.61℃

第四级疏水温度：

Tw，4=139.61℃第四级疏水比焓：

Hw，4=587.53kJ/kg

第四级汽侧疏水压力：

Pw，4=0.400MPa

⑤除氧器进口给水比焓：

hdea,i=597.21kJ/kg除氧器出口给水比焓：

hdea,o=705.94kJ/kg

除氧器出口给水温度：

Tdea=166.9℃除氧器运行压力：

pdea=0.734MPa

取给水泵出口压力为蒸汽发生器二次侧蒸汽压力的1.25倍，则pfwp=1.25pfh=8.5MPa，给水泵加压为等熵过程，查的出口焓为714.27kJ/kg，按照压力在高压加热器上均匀递减，那么：

⑥第六级进口给水压力：

p1fwi,6=8.5MPa第六级出口给水压力：

p1fwo,6=7.65MPa

第六级进口给水比焓：

hlfwi,6=714.27kJ/kg第六级出口给水比焓：

hlfwo,6=847.03kJ/kg

第六级进口给水温度：

Tlfwi,6=167.88℃第六级出口给水温度：

Tlfwo,6=198.15℃

第六级疏水温度：

Tw，6=201.15℃第六级疏水比焓：

Hw，6=857.58kJ/kg

第六级疏水压力：

Pw，6=1.592MPa

⑦第七级进口给水压力：

p1fwi,7=7.65MPa第七级出口给水压力：

p1fwo,7=6.8MPa

第七级进口给水比焓：

hlfwi,7=847.03kJ/kg第七级出口给水比焓：

hlfwo,7=979.78kJ/kg

第七级进口给水温度：

Tlfwi,7=198.15℃第七级出口给水温度：

Tlfwo,7=227.53℃

第七级疏水温度：

Tw，7=230.53℃第七级疏水比焓：

Hw，7=992.70kJ/kg

第七级疏水压力：

Pw，7=2.825MPa

（10）抽气和再热参数

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0.0247MPa，考虑抽气回热5%的压力损失，则第一级抽气压力为ples,1=0.0247/0.95=0.0256MPa,第一级抽汽理想焓值根据等熵过程查出hlest，1=2364.11kJ/kg，实际焓值据效率计算得出hles,1=2466.58kJ/kg.运用和求高压缸排气干度一样的方法可得第一级抽气干度xles,1=0.9353。

运用相同的方法可求得其他加热器的抽汽参数其下：

①第一级抽汽压力：

ples,1=0.0256MPa第一级抽汽干度：

xles,1=0.9353

第一级抽汽比焓：

hles,1=2466.58kJ/kg

②第二级抽汽压力：

ples,2=0.0763MPa第二级抽汽干度：

xles,2=0.9725

第二级抽汽比焓：

hles,2=2600.51kJ/kg

③第三级抽汽压力：

ples,3=0.191MPa第三级抽汽干度：

xles,3=1（过热）

第三级抽汽比焓：

hles,3=2726.98kJ/kg

④第四级抽汽压力：

ples,4=0.416MPa第四级抽汽干度：

xles,4=1（过热）

第四级抽汽比焓：

hles,4=2848.91kJ/kg

⑤第六级抽汽压力：

phes,6=1.658MPa第六级抽汽干度：

xhes,6=0.8810

第六级抽汽比焓：

hhes,6=2562.47kJ/kg

⑥第七级抽汽压力：

phes,7=2.942MPa第七级抽汽干度：

xhes,7=0.9105

第七级抽汽比焓：

hhes,7=2644.76kJ/kg

2.两级再热器抽汽参数

根据上述关于再热器的参数计算，可以得出如下参数：

①第一级再热器抽汽压力：

prh1,hs=3.0MPa第一级再热器抽汽干度：

xrh1,hs=0.96

第一级再热器抽汽比焓：

hrh1,hs=2731.43kJ/kg

第一级再热器疏水焓：

Hzc，1=1008.37kJ/kg第一级再热器疏水温度：

Tzc，1=233.86℃

②第二级加热汽进口压力：

prh2,hs=6.46MPa第二级再热器抽汽干度：

xrh2,hs=0.9948

第二级再热器抽汽比焓：

hrh1,hs=2771.30kJ/kg

第二级再热器疏水焓：

Hzc，2=1239.20kJ/kg第二级再热器疏水温度：

Tzc，2=280.45℃

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