哈工程核学院压水堆热力系统初步设计说明书

~1~压水堆核电厂二回路热力系统初步设计指导书哈尔滨工程大学核科学与技术学院~2~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。二回路系统的组成以郎肯循环为基础，由蒸汽发生器二次侧、汽轮机、汽水分离再热器、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。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。本文将对对压水堆核电厂二回路热力系统进行拟定与热平衡计算，并通过编写C语言程序来对结果进行迭代计算，最终得出满足要求的结果，并对该热力系统提出的热效率提出建议和改进措施。最后制定一张二回路热力系统热力图。一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~3~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）根据计算原始资料，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。本课程设计的主要要求,通过课程设计使我们进一步巩固、加深所学的理论知识并有所扩展，锻炼提高运算、制图和计算机应用的基本技能；增强工程概念，培养我们对工程技术问题的严肃、认真和负责的态度。故应达到以下要求：（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。二热力系统原则方案说明2.1总体要求和已知条件2.1.1热力系统方案的基本要求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~4~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。2.1.2已知条件表.1已知条件的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NeMW10002一回路能量利用系数η11.03蒸汽发生器排污率ξd1.05%4蒸汽发生器出口蒸汽干度Xfh%99.755汽轮机组机械效率ηi%986高压缸内效率ηh,i好，%82.077低压缸内效率ηl,i%83.598发电机效率ηge%989新蒸汽压损∆PfhMPa∆Pfh=0.067Pfh10再热蒸汽压损∆PrhMPa∆Prh=0.02Phz11回热抽汽压损∆Pe,jMPa∆Pe,j=4%Pe,j12低压缸排汽压损∆PcdkPa5%13高压给水加热器出口端差θh,u℃3~5~14低压给水加热器出口端差θl,u℃215加热器效率ηh0.9816给水泵效率ηfwp,p0.5817给水泵汽轮机内效率ηfwp,ti0.8018给水泵汽轮机机械效率ηfwp,tm0.9019给水泵汽轮机减速器效率ηfwp,tg0.9820循环冷却水进口温度Tsw,1℃242.2热力系统原则方案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，本设计的热力系统图已在后面附出：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„„（相关参数下文介绍到设备给出）,下面分别阐述这些系统的选取方案：1）汽轮机组：依照设计要求，本设计汽轮机主要由1个高压缸和3个低压缸组成，高、低压缸之间需要设置外置式汽水分离器，以达到将高压缸的排气进行分离再热后成为相应压力下的过热蒸汽。高压缸发出整个机组功率的40.4%，低压缸发出整个机组功率的59.6%。满足设计4:6的要求。高压缸分压比为13.76%。汽轮机运行参数详见热平衡计算部分。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。本设计中汽水分离-再热器由一级分离器、两级再热器组成，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，疏水用于加热第六级回水；第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热，疏水用于加热第七级回水。最终再~6~热蒸汽达到相应压力下的过热蒸汽，流入低压缸做功。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，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，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并且参考大亚湾核电站母型，最终选择7级回热：低压回热4级，除氧器1级、高压回热2级。高压、低压给水加热器为表面式换热器，考虑换热效率为均98%。除氧器为混合式加热器。给水的焓升在各级回热器中平均分配，每级焓升为110.72kJ/kg。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。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经减压后排汽、高压给水加热器的疏水以及排污水经净化的蒸汽加热到除氧器运行压力0.765MPa下的饱和温度168.57℃，经过除氧的饱和水再由给水泵输送到高压给水加热器，被加热到934.23℃的最佳给水温度后再送入蒸汽发生器。2.3主要热力参数的确定2.3.1一回路冷却剂的参数选择参考大亚湾核电站母型：选取主回路工作压力Pc为15.5MPa，查软件知对应饱和温度为Tc,s为344.79℃。依据反应堆热工安全准则，选取反应堆出口冷却剂的欠饱和度Tsub=18℃。可得一回路参数：表2一回路参数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PcMPa母型15.52反应堆冷却剂的饱和温度Tc,d℃查水和水蒸汽表确定344.79~7~3反应堆出口冷却剂过冷度ΔTsub℃选定，15~20184反应堆出口冷却剂温度Tco℃Tco=Tc,s−∆Tsub326.795反应堆进出口冷却剂温升ΔTc℃选定，30~40366反应堆进口冷却剂温度Tci℃Tci=Tco−∆Tc290.79说明:该表中参数、公式较为简单，故不给出计算过程。2.3.2二回路工质的参数选择1)蒸汽初参数的选择参考大亚湾核电站母型：表.3蒸汽初参数序号项目符号单位计算公式或来源数值1蒸汽发生器饱和蒸汽压力PsMPa母型6.12蒸汽发生器出口新蒸汽温度Tfh℃Ps对应的饱和温度276.673一、二次侧对数平均温差Tm℃lncocimcoscisTTTTTTT给定28.42说明:该表中参数、公式较为简单，故不给出计算过程。2）蒸汽终参数的选择；参照课程设计要求选取：表.4蒸汽终参数的选择序号项目符号单位计算公式或来源数值1循环冷却水温升ΔTfh℃选定，6~872冷凝器传热端差δT℃选定，3~1073冷凝器凝结水饱和温度Tcd℃Tcd=Tsw,1+∆Tsw+δT384冷凝器的运行压力PcdKpaTcd对应的饱和压力6.635凝水焓值hcdkJ/kg查表Pcd对应饱和水焓值159.18~8~说明:循环冷却水进口温度：,=24swlTC，冷凝器凝结水饱和温度：,247738cdswlswTTTTC，查表得，对应温度的饱和参数：6.62159.18/9,cdcdPkkPaghJk，低压缸排气压损为5%，故排气压力为：,6.6296.9895%95%cdlzPPkPa。3）高压缸进出口各参数的确定：由于中间再热蒸汽的再热压力取决于高压缸的参数，故先参考母型大亚湾核电站选择高压缸参数为：表.5高压缸进出口各参数序号项目符号单位计算公式或来源数值1高压缸进口蒸汽压力Ph,iMPa母型5.692高压缸进口蒸汽干度xh,i%等焓过程查得99.483高压缸进口蒸汽熵值Sh,ikJ/(kg℃)等焓过程查得5.8998214高压缸排汽压力Ph,zMPa考虑分压比13.67%0.7835高压缸排汽理想焓值hh,z‘kJ/kg等熵过程，根据（ph,z、Sfh）查表2426.986高压缸排汽实际焓值hh,zkJ/kgηh,i=（hfh-hh,z）/（hfh-hh,z‘）2490.207高压缸排汽干度xh,z%根据（ph,z、hh,z）查表，=0.8686.48说明:已知高压缸排汽理想焓值后，用高压缸内效率计算公式：ηh,i=（hfh-hh,z）/（hfh-hh,z‘）求得高压缸排汽实际焓值为2490.20kJ/kg。再与高压缸排气压力查得高压缸排汽干度为0.8648.满足高压缸排气要求。4）蒸汽中间再热参数选择表.6蒸汽中间再热参数序号项目符号单位计算公式或来源数值1汽水分离器进口蒸汽压力Psp,iMPapsp,i=ph,z0.7832汽水分离器进口蒸汽干度xsp,i%xsp,i=xh,z86.483第一级再热器进口蒸汽压力Prh1,iMPa压损1.5%psp,0.771~9~4第一级再热器进口蒸汽干度xrh1,i%湿度0.5~1%，选定0.9935第一级再热器进口蒸汽焓值hrh1,ikJ/kg根据（prh1,i、xrh1,i）查、算2752.366第二级再热器出口蒸汽压力prh2,zMPa再热器压损选定2%Psp,i0.7677第二级再热器出口蒸汽温度Trh2,z℃比新蒸汽低10~20℃，选定2638第二级再热器出口蒸汽焓值hrh2,zkJ/kg根据（prh2,z、Trh2,z）查表2979.529第二级再热器进口蒸汽压力prh2,iMPa两级再热器等压损0.7710第二级再热器进口蒸汽焓值hrh1,2kJ/kg蒸汽在两级再热器焓升相等(焓升113左右)2866.00511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210.79说明:再热器中压损