压水堆二回路热力系统设计报告最终版.docx
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压水堆二回路热力系统设计报告最终版
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
班级：
学号:
姓名：
院系名称：
专业名称：
指导教师：
3.3主要参数汇总表..................................................................................................5
摘要
该说明书介绍了一个1000MW核电厂二回路热力系统设计过程。
该设计以大亚湾900MW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5.8MPa，高压缸排气压力为0.77MPa，一级再热器抽汽压力2.76MPa，低压缸进口过热蒸汽压力为0.74MPa,温度为259.34℃，冷凝器的运行压力为5.32kPa，给水温度为216.53℃。
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。
各级回热器和再热器的蒸汽采用平均分配，抽汽流过高、低压热器后，蒸汽全部冷凝成疏水，疏水为对应压力下的饱和水。
进行热力计算时，采用热平衡求出各设备的耗汽量，再采用迭代法，根据电功率要求可求出蒸汽发生器蒸汽产量，进而求出堆芯热功率，即可得出电厂效率。
对效率不满意时可调整合理调整各设备的运行参数，直至求出电厂效率满意为止。
经过迭代计算得到整个系统电厂效率为31.77%。
1、设计内容及要求
1.1设计要求
Ø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；
Ø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；
Ø提高计算机绘图、制表、数据处理的能力；
Ø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。
1.2设计内容
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：
Ø确定二回路热力系统的形式和配置方式；
Ø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；
Ø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；
Ø编制课程设计说明书，绘制原则性热力系统图。
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，其典型的热力系统组成见附图。
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5.8MPa，冷凝器的运行压力为5.32kPa。
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、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。
高压缸进口蒸汽压力为5.51MPa，高压缸内效率为82.07%，出口压力为0.77MPa，出口蒸汽干度为86.77%，低压缸进口压力为0.74MPa，温度为259.34℃，低压缸内效率为83.59%，排汽压力为5.88kPa，干度为89.76%。
高压缸发出整个机组功率的40%，低压缸发出整个机组功率的60%。
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汽（压力2.76MPa,干度93%）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（压力5.8MPa，干度99.5%）加热，疏水排放到第7级高压给水加热器；中间分离器的疏水排放到除氧器。
蒸汽经分离器后干度达到99.65%，经两级再热器加热后达到压力为0.75MPa、温度为259.34℃的过热蒸汽。
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。
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。
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。
3、主要热力参数选定
本设计在选定热力参数时参考了《900MW压水堆核电厂系统和设备》中的参数。
3.1一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15.4MPa，对应的饱和温度为344.31℃。
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℃。
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。
3.2.1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，为了提高核电厂经济性，二回路蒸汽参数选为5.8MPa。
蒸汽发生器一、二次侧之间的对数平均传热温差:
式中，
——分别为反应堆出口、进口冷却剂温度，℃；
——蒸汽发生器二次侧饱和蒸汽温度，℃；
一般情况下，
应该在20-30℃范围内，本设计中取32.24℃。
3.2.2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。
凝结水温度
设计时取
=24℃，
=6℃，
=4℃。
凝结水的温度选为34℃，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5.32KPa。
3.2.3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14℃，既259.34℃，这样保证具有适当的传热温差。
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，据此选择中间分离器进口压力等于高压缸排汽压力。
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。
3.2.4给水回热参数的选择
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。
每一级低压加热器及除氧器内的给水焓升为113.85kj/kg。
每一级高压缸内的给水焓升为108.54Kj/Kg。
除氧器压力略低于高压缸排汽压力，取除氧器压力Pdea=0.76MPa,凝水泵出口压力Pcwp=3.1Pdea=2.356MPa,给水泵出口压力Pfwp=1.2Ps=6.96MPa.
3.3主要参数汇总表
表一已知条件和给定参数
序号
项目
符号
单位
取值范围或数值
1
核电厂输出电功率
Ne
MW
1000
2
一回路能量利用系数
η1
0.995
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
高压缸内效率
ηhi
%
82.07
6
低压缸内效率
ηli
%
83.59
7
汽轮机组机械效率
ηm
0.985
8
发电机效率
ηge
0.99
9
新蒸汽压损
ΔPfh
Mpa
ΔPfh=5%Pfh
10
再热蒸汽压损
ΔPrh
Mpa
ΔPrh≤10%Phz
11
回热抽汽压损
Δpej
Mpa
Δpej=4%Pej
12
低压缸抽汽压损
ΔPcd
Mpa
ΔPcd=5%Pcd
13
高压缸给水加热器出口端差
θhu
℃
3
14
低压缸给水加热器出口端差
θlu
℃
2
15
加热器效率
ηh
0.98
16
给水泵效率
ηfwpp
0.58
17
给水泵汽轮机内效率
ηfwpti
0.8
18
给水泵汽轮机机械效率
ηfwptm
0.9
19
给水泵汽轮机减速器效率
ηfwptg
0.98
20
循环冷却水进口温度
Tswl
℃
24
表二主要热力参数汇总表
序号
项目
符号
单位
计算公式或来源
取值范围或数值
1
反应堆冷却剂系统运行压力
Pc
Mpa
选定，15-16
15.4
2
冷却剂压力对应的饱和温度
Tcs
℃
查水和水蒸气表确定
344.31
3
反应堆出口冷却剂过冷度
ΔTsub
℃
选定，15-20
16
4
反应堆出口冷却剂温度
Tco
℃
328.31
5
反应堆进出口冷却剂温升
ΔTc
℃
选定，30-40
38
6
反应堆进口冷却剂温度
Tci
℃
290.31
7
蒸汽发生器饱和蒸汽压力
Ps
Mpa
选定，5.0-7.0
5.8
8
蒸汽发生器饱和蒸汽温度
Ts
℃
Ps对应的饱和温度
273.42
9
一、二次侧对数平均温差
ΔTm
℃
32.24
10
冷凝器中循环冷却水温升
ΔTsw
℃
选定，6-8
6
11
冷凝器传热端差
δT
℃
选定，3-10
4
12
冷凝器凝结水饱和温度
Tcd
℃
34
13
冷凝器的运行压力
Pcd
Kpa
Tcd对应的饱和压力
5.32
14
高压缸进口蒸汽压力
Phi
MPa
5.51
15
高压缸进口蒸汽干度
Xhi
%
考虑部分压损后选定
99.5
16
高压缸排汽压力
Phz
MPa
0.77
17
高压缸排汽干度
Xhz
%
根据汽轮机内效率求得
86.77
18
汽水分离器进口蒸汽压力
Pspi
MPa
等于高压缸排汽压力
0.77
19
汽水分离器进口蒸汽干度
Xspi
%
等于高压缸排汽干度
86.77
第一级再热器
20
再热蒸汽进口压力
Prh1i
MPa
考虑汽水分离器压力损失
0.76
21
再热蒸汽进口干度
Xrh1i
%
选定
99.65
22
加热蒸汽进口压力
Prh1hs
MPa
高压缸第一级抽汽
2.76
23
加热蒸汽进口干度
Xrh1hs
%
根据高压缸内效率求得
93
第二级再热器
24
再热蒸汽进口压力
Prh2i
MPa
考虑第一级再热器压损
0.755
25
再热蒸汽进口温度
Trh2i
℃
根据平均焓升计算
210.19
26
再热蒸汽出口压力
Prh2z
MPa
考虑第二级再热器压损
0.75
27
再热蒸汽出口温度
Trh2z
℃
根据平均焓升计算
259.34
28
加热蒸汽进口压力
Prh2hs
MPa
考虑压损，认为与高压缸入口相同
5.51
29
加热蒸汽进口干度
Xrh2hs
%
考虑压损，认为与高压缸入口相同
99.5
低压缸
30
进口蒸汽压力
Pli
MPa
考虑压损
0.74
31
进口蒸汽温度
Tli
℃
选定
259.3
32
排汽压力
Plz
MPa
5.88
33
排汽干度
Xlz
%
根据低压缸内效率求得
89.76
34
回热级数
Z
选定
7
35
低压给水加热器级数
Zl
选定
4
36
高压给水加热器级数
Zh
选定
2
37
第一次给水回热分配
Δhfw
KJ/Kg
112.33
第二次给水回热分配
38
高压给水加热器给水焓升
Δhfwh
KJ/Kg
108.54
39
除氧器及低压给水焓升
Δhfwl
KJ/Kg
113.85
低压加热器给水参数
40
凝水泵出口压力
Pcwp
MPa
Pcwp=3.1*Pdea
2.356
41
第1级进口给水比焓
hlfwi1
KJ/Kg
hlfwi1=hcd
142.43
42
第1级出口给水比焓
hlfwo1
KJ/Kg
hlfwo1=hlfwi1+Δhfwl
256.28
43
第1级进口给水温度
Tlfwi1
℃
按（Pcwp,hlfwi1）查水蒸气表
33.52
44
第1级出口给水温度
Tlfwo1
℃
按（Pcwp,hlfwo1）查水蒸气表
60.78
45
第2级进口给水比焓
hlfwi2
KJ/Kg
hlfwi2=hlfwo1
256.28
46
第2级出口给水比焓
hlfwo2
KJ/Kg
hlfwo2=hlfwi2+Δhfwl
370.13
47
第2级进口给水温度
Tlfwi2
℃
按（Pcwp,hlfwi2）查水蒸气表
60.78
48
第2级出口给水温度
Tlfwo2
℃
按（Pcwp,hlfwo2）查水蒸气表
87.97
49
第3级进口给水比焓
hlfwi3
KJ/Kg
hlfwi3=hlfwo2
370.13
50
第3级出口给水比焓
hlfwo3
KJ/Kg
hlfwo3=hlfwi3+Δhfwl
483.98
51
第3级进口给水温度
Tlfwi3
℃
按（Pcwp,hlfwi3）查水蒸气表
87.97
52
第3级出口给水温度
Tlfwo3
℃
按（Pcwp,hlfwo3）查水蒸气表
114.99
53
第4级进口给水比焓
hlfwi4
KJ/Kg
hlfwi4=hlfwo3
483.98
54
第4级出口给水比焓
hlfwo4
KJ/Kg
hlfwo4=hlfwi4+Δhfwl
597.83
55
第4级进口给水温度
Tlfwi4
℃
按（Pcwp,hlfwi4）查水蒸气表
114.99
56
第4级出口给水温度
Tlfwo4
℃
按（Pcwp,hlfwo4）查水蒸气表
141.72
除氧器
57
进口给水比焓
hdeai
KJ/Kg
hdeai=hlfwo4
597.83
58
出口给水比焓
hdeao
KJ/Kg
hdeao=hdeai+Δhfwl
711.67
59
出口给水温度
Tdea
℃
hdeao对应的饱和水的温度
168.30
60
运行压力
Pdea
Mpa
Tdea对应的饱和压力
0.76
高压加热器给水参数
61
给水泵出口压力
Pfwp
MPa
Pfwp=1.2*Ps
6.96
62
第6级进口给水比焓
Hhfwi6
KJ/Kg
Hhfwi6=hdeao
711.67
63
第6级出口给水比焓
Hhfwo6
KJ/Kg
Hhfwo6=Hhfwi6+Δhfwh
820.21
64
第6级进口给水温度
Thfwi6
℃
按（Pfwp,hlfwi6）查水蒸气表
167.52
65
第6级出口给水温度
Thfwo6
℃
按（Pfwp,hlfwo6）查水蒸气表
192.28
66
第7级进口给水比焓
Hhfwi7
KJ/Kg
Hhfwi7=Hhfwo6
820.21
67
第7级出口给水比焓
Hhfwo7
KJ/Kg
Hhfwo7=Hhfwi7+Δhfwh
928.75
68
第7级进口给水温度
Thfwi7
℃
按（Pfwp,hlfwi7）查水蒸气表
192.28
69
第7级出口给水温度
Thfwo7
℃
按（Pfwp,hlfwo7）查水蒸气表
216.45
高压缸抽汽
70
第6级抽汽压力
Phes6
MPa
根据Ths6=Thfwo6+θhu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
1.4657
71
第6级抽汽干度
Xhes6
%
根据高压缸内效率求得
90.20
72
第7级抽汽压力
Phes7
MPa
根据Ths7=Thfwo7+θhu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
2.3912
73
第7级抽汽干度
Xhes7
%
根据高压缸内效率求得
92.88
低压缸抽汽
74
第1级抽汽压力
Phes1
MPa
根据Ths1=Thfwo1+θlu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
0.0236
75
第1级抽汽干度
Xhes1
%
根据低压缸内效率求得
93.73
76
第2级抽汽压力
Phes2
MPa
根据Ths2=Thfwo2+θlu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
0.0730
77
第2级抽汽干度
Xhes2
%
根据低压缸内效率求得
97.63
78
第3级抽汽压力
Phes3
MPa
根据Ths3=Thfwo3+θlu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
0.1878
79
第3级抽汽干度
Xhes3
%
根据低压缸内效率求得
100
80
第4级抽汽压力
Phes4
MPa
根据Ths4=Thfwo4+θlu查疏水压力，考虑回热抽汽压损
0.4178
81
第4级抽汽干度
Xhes4
%
根据低压缸内效率求得
100
4、热力计算方法与步骤
在进行机组原则性热力系统计算中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。
4.1计算步骤如下面的流程图
4.2根据流程图而写出的计算式
1.核蒸汽供应系统热功率计算：
已知核电厂输出功率为Ne=1000MW=1000000kW，假设电厂效率为neff，则反应堆热功率为：
Qr=Ne/neff。
蒸汽发生器的蒸汽产量为：
Ds=Qr*n1/[（Hfh-Hs）+（1+Ed）*（Hs-Hfw）]，
其中：
n1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，利用蒸汽发生器运行压力Ps=5.8Mpa，干度99.75%，算得该值为2784.17kJ/kg；
Hs为蒸汽发生器运行压力下的饱和水焓1202.35KJ/Kg；Hfw为蒸汽发生器给水比焓（5.8MPa，216.53℃），928.75；
Ed为蒸汽发生器排污率，取为1.05%；
另外,给水量Gfw=Ds×（1+1.05%）。
2.二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:
1、低压给水加热器抽汽量计算：
Gles4=Gcd*Hlg/nh/（Hc4-Hw4）;Gles3=（Gcd*Hlg-Gles4*（Hw4-Hw3）*nh）/nh/（Hc3-Hw3）;
Gles2=（Gcd*Hlg-（Gles3+Gles4）*（Hw3-Hw2）*nh）/nh/（Hc2-Hw2）;Gles1=（Gcd*Hlg-（Gles2+Gles3+Gles4）*（Hw2-Hw1）*nh）/nh/（Hc1-Hw1）;
2、高压给水加热器抽汽量计算：
Ghes7=（Gfw*Hhg-Gsrh2*（Hrh2w-Hw7）*nh）/nh/（Hc7-Hw7）;Ghes6=（Gfw*Hhg-Gsrh1*（Hrh1w-Hw6）*nh-（Gsrh2+Ghes7）*（Hw7-Hw6）*nh）/nh/（Hc6-Hw6）;
Hlg=113.85KJ/Kg为低压给水回热分配每一级的焓降，Hhg=108.54KJ/Kg为高压给水回热分配每一级的焓降，后面表格中会对该值进行说明。
Hcj和Hwj分别为第j级给水加热器加热蒸汽（即抽汽）和疏水的比焓，抽汽焓可通过抽汽压力Phes和Ples及各级的抽汽干度确定（压力和干度都在后面的表格中），疏水比焓是抽汽压力对应下的饱和水焓，也可以得到；
nh是第j级给水加热器的热效率，取为0.98。
（2）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:
低压缸耗汽量Gslp，根据能量平衡，有：
Gslp=（N1+Gles4*（Hc4-Hlo）+Gles3*（Hc3-Hlo）+Gles2*（Hc2-Hlo）+Gles1*（Hc1-Hlo））/（Hli-Hlo）;
该式中，N1是低压缸内功率，N1=60%Ne/nm/nge，60%是低压缸所占功率份额，nm和ngee分别是汽轮机组机械效率和发电机效率；Hlo是低压缸出口比焓，Hli是低压缸入口比焓，根据表格中选定的低压缸出、入口参数可以确定其比焓；
汽水分离再热器：
第二级再热器用新蒸汽加热，其耗汽量
Gsrh2=Gslp*（Hrh2o-Hrh2i）/（Hfh-Hrh2w）;
式中，Hrh2o和Hrh2i分别是第二级再热器出口和入口比焓，可以通过表格中第二级再热器出口和入口参数确定比焓，Hfh是蒸汽发生器出口新蒸汽比焓，可通过其出口参数确定，Hrh2w是第二级再热器的疏水比焓，疏水为对应压力下的饱和水;
第一级再热器用高压缸抽汽加热，其耗汽量为：
Gsrh1=Gslp*（Hrh2i-Hrh1i）/（Hrhhs-Hrh1w）;
同第二级一样，式中，Hrh2i是第一级再热器出口（即第二级入口）比焓，Hrh1i是第一级再热器入口比焓，可通过其入口参数确定，Hrhhs即高压给水加热器第一级抽汽的比焓，Hrh1w为对应压力下的饱和水焓;
分离器疏水G0=Gslp×（Xspo-Xspi）/Xspi，其中Xspi是汽水分离器进口蒸汽干度,Xspo汽水分离器出口蒸汽干度.
高压缸耗汽量Gshp，根据能量平衡，有：
Gshp=（N2+Ghes7*（Hc7-Hho）+Gsrh1*（Hrhhs-Hho）+Ghes6*（Hc6-Hho））/（Hhi-Hho）;
与低压缸一样，N2是高压缸内功率，N2=40%Ne/nm/nge，40%是高压缸所占功率份额；
Hho是高压缸出口比焓,Hhi是高压缸入口比焓，这些数值都可以通过表格中的相关参数确定。
除氧器：
利用高压缸排汽进行加热，其耗汽量
Gsdea=（Gfw*Hdeao-（Ghes7+Ghe
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