蒸汽发生器课程设计

“蒸汽发生器”课程设计指导书Xxx2014151218哈尔滨工程大学1目录目录…………………………………………………………………………...1第一章绪论第一节蒸汽发生器概述…………………………………………………..2第二节蒸汽发生器的基本设计技术要求………………………………..3第三节蒸汽发生器的基本结构和主要零部件…………………………..4第四节设计任务…………………………………………………………..5第二章课程设计内容第一节给定条件…………………………………………………………..6第二节蒸汽发生器的热力计算…………………………………………..6第三节蒸汽发生器的管束结构设计及强度计算………………………..9第四节蒸汽发生器的水力计算…………………………………………12第五节蒸汽发生器循环倍率及循环速度确定………………………....20附录1蒸汽发生器热力计算表……………………………………………….21附录2蒸汽发生器水动力计算表……………………………………………25附录3蒸汽发生器强度计算表……………………………………………….332第一章绪论第一节蒸汽发生器概述一、目的和要求1、运用、巩固、充实和提高“核动力设备”课中所学的知识，掌握蒸汽发生器设计计算的基本方法；2、具备蒸汽发生器方案设计、结构设计、热设计和水动力设计及计算的能力，并能够在设计中综合考虑安全、法规、环境等因素；3、具备工程制图的相关基础知识并能将其运用于工程设计的能力；4、具备撰写蒸汽发生器设计说明书和绘制图纸等书面方式呈现设计成果的能力，并能够体现分析数据、分析问题，评价设计方案及其结果合理性的能力；6、能够就蒸汽发生器设计进行陈述发言、答辩，能够清晰表达观点，与答辩教师（工程技术同行）进行有效沟通和交流；7、能够在团队合作中与各成员进行有效沟通，共享信息，合作共事，在多学科背景下的团队中发挥团队协作精神；能够倾听和综合团队成员意见，合理决策。二、任务在课程设计中学生独立完成如下任务：1、完成蒸汽发生器的方案设计与论证2、完成蒸汽发生器的热力计算3、完成蒸汽发生器的水动力计算4、完成蒸汽发生器的强度计算5、完成蒸汽发生器的结构设计6、绘制蒸汽发生器的总图7、编写设计说明书。三、时间分配课程设计共安排三周，其具体时间安排如下：1、蒸汽发生器及其设计理论指导0.5天2、蒸汽发生器方案设计及结构设计论证1.5天3、蒸汽发生器的热力计算1.5天34、蒸汽发生器的水动力计算3天5、蒸汽发生器的强度计算0.5天6、蒸汽发生器的总图绘制5天7、编写设计说明书2天8、答辩1天第二节蒸汽发生器的基本设计技术要求在核动力装置中，由于一回路为带有放射性的回路，而二回路为非放射性回路，因此在研制蒸汽发生器时对结构、强度、材料抗腐蚀性、密封性等都提出了很高的要求，其中最基本的技术要求包括以下几方面。1、蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证核电站在任何运行工况下所需要的）蒸汽量及规定的蒸汽参数。只有满足这个要求才能保证核电站在不同负荷下经济运行。2、蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要，而且要求随着单机容量的增加，其技术经济指标得到相应的改善。3、蒸汽发生器的所有部件应该绝对安全可靠。蒸汽发生器的受热面是由大量的小直径管子组成的，因此在一回路（带有放射性）中就有大量的管子，使核电站运行的可靠性在很大程度上取决于蒸汽发生器的可靠性。这样，蒸汽发生器的屏蔽问题必须解决，所有部件必须保证工作可靠。4、蒸汽发生器各零部件的装配必须保证在密封面上排除一回路工质漏入二回路中去的可能性。一回路工质不允许漏入二回路工质中去的原因是汽轮机回路没有生物防护，任何这种漏入都将会导致放射性泄漏事故。5、必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。这主要是为了防止腐蚀产物对一回路工质的污染。腐蚀产物过多地进入到一回路中去，一方面引起一回路工质放射性的增加，另一方面导致放射性腐蚀产物在一回路测沉积。腐蚀产物在燃料元件上的沉积是极其危险的，它会使传热性能骤然下降。6、蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽过热器在高温下可靠地运行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。7、蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而即使排出，并有可能彻底疏干。8、保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选择结构方案、材料、传热尺寸、传热系数及冷却剂等，对取得蒸汽发生器最佳技术-经济指标是非常重要的。另外，必须采取见效向外散热损失的措施。4第三节蒸汽发生器的基本结构和主要零部件从反应堆来的冷却剂由蒸汽发生器进口接管进入下封头，下封头由水室隔板分成进口和出口两个水室。反应堆冷却剂由进口水室进入U型管，在流经U型管时将热量传递给二回路侧介质，而后经过出口水室和蒸汽发生器的出口接管流回反应堆。二回路给水由上筒体处的给水接管进入环形分配管，环形管上有一系列倒J形管，给水由倒J形管喷出，与汽水分离器的疏水混合后，经过下降套筒和下筒体之间的环形通道向下流动，再由下降套筒和管板之间的通道进入管束。水在通过管束上升时被加热，部分水变成蒸汽，形成汽水混合物。汽水混合物流出管数顶部后进入分离器进行粗分离，然后进入干燥器进行细分离（干燥）。干燥蒸汽经蒸汽出口接管流向汽轮机。蒸汽发生器的主要零部件为：1、传热管U型传热管是一、二回路之间的压力边界，管材一般为含Ni-Cr-Fe的Inconel-690合金，这种合金是在Inconel-600合金基础上经过一次特殊的热处理后改进而来的，其抗腐蚀性能有了较大的改善。本次设计采用Inconel-600合金φ20mm×1.3mm的传热管，弯曲半径最小的几排弯管处进行消除应力处理。管束采用正方形顺排方式。2、管板管板是一回路设备中最厚的实心锻件，材料为Mn-Mo-Ni低合金钢，要求有良好的塑韧性及淬透性。管板一次侧表面堆焊镍基合金，以保证与传热管有良好的焊接性能。管板开孔数量巨大，对管孔及管距的尺寸公差、垂直度及光洁度等都有很高的要求。管子管板表面平齐并与管板密封焊，然后进行全长度液压胀管，以保证一、二回路之间的严密性。3、下封头下封头为半球形，材料为Mn-Mo-Ni低合金钢锻件，内表面堆焊奥氏体不锈钢。下封头开有四个大孔，2个空连接冷却剂进、出口接管，另两个为人孔。下封头中间有水室隔板，将下封头分成进出口两个水室，水室隔板材料为Inconel-690合金。一次侧人孔用不锈钢（或镍基合金）石墨缠绕式垫片密封。4、筒体、衬筒和锥形体二次侧筒体分上、下两部分，为板焊或锻造结构。在管束和下筒体之间设置衬筒，衬筒材料为碳钢。上、下筒体之间由锥形体过渡，其材料均为Mn-Mo-Ni低合金钢锻件。5、上封头5上封头为标准椭球形封头，与蒸汽出口接管整体冲压成形，材料为Mn-Mo-Ni低合金钢锻件。6、管束支撑板和流量分配板管束直管段部分装有6块支撑板，管束支撑板为四叶梅花孔板，用以支撑管子以减少振动。管子与支撑板接触处为平台，可减少二次侧水在该处浓缩，并降低阻力。流量分配孔板位于管板上部与第一块支撑板之间，中间开有一个大孔。支撑板和流量分配板材料为405不锈钢，板厚为20mm。7、防振条管束U型弯曲处装有三组扁形防振条，用以隔开管子并防止弯管的横向振动和微振磨损，材料为405不锈钢。8、汽水分离装置汽水分离装置分两级对汽水混合物进行汽水分离。第一级为旋叶式汽水分离器，材料为碳钢或不锈钢。第二级为六角形带钩波形板分离器。设计要求汽水混合物经过汽水分离器、重力分离空间、波纹板分离器三重分离后，保证出口蒸汽干度达到本次设计给定的0.99。9、给水分配环管给水分配环管位于旋叶式分离器下部，其上有若干倒J形喷管，材料为不锈钢。10、排污管管板上表面中央水平地装设有两根多孔管道供连续排污用。第四节设计任务根据以上设计要求，对蒸汽发生器提出的设计要求如下：1、计算传热面积；2、完成传热管的排列，确定管束直径及高度，确定管子的固定支撑，确定隔板的数目和结构；3、确定衬筒、上筒体、下筒体、下封头及管板的尺寸结构，完成强度设计；4、完成热力计算，确定主要管道内径；5、完成水动力计算，确定一次侧总阻力、不同循环倍率下二次侧循环阻力及运动压头；6、用作图法确定二次侧循环倍率及循环速度；7、绘制蒸汽发生器的总图；8、编写设计说明书。6第二章课程设计内容第一节给定条件本次课程设计给定的主要参数条件为：1、蒸汽产量：D=126kg/s；2、蒸汽干度：x=0.99；3、蒸汽发生器的热效率：99.0；4、一回路侧额定工作压力：0.151pMPa；5、一回路侧设计压力：11,25.1pp设6、一回路侧冷却剂入口温度；3101t℃7、一回路侧冷却剂出口温度；2901t℃；8、二回路侧给水温度：220ft℃9、二回路侧额定工作压力：5spMPa；10、二回路侧设计压力：spp25.12,设11、传热管壁导热系数：4.17wW/m℃12、传热管壁许用应力：18][1kg/mm2；13、下筒体许用应力：18][2kg/mm2；14、上筒体许用应力：18][3kg/mm2；15、球形下封头许用应力：5.14][4kg/mm2；16、管板许用应力：1800][5kg/mm2；17、传热管最小节距：odt25.1，一般取为1.35~1.45od；18、上筒体内径3200mm，高度4000mm。19、下降空间：(1)入口阻力系数=1；(2)出口阻力系数=1；(3)定位装置阻力系数=1；(4)绝对粗糙度=0.15mm。20、流量分配管板：(1)单元面积=533mm2;(2)单元开孔面积=216mm2。第二节蒸汽发生器的热力计算一、热平衡计算1.一回路放热量为：𝑄=D∙r∙x+(D+𝐶𝑠∙D)∙(i𝑠−i𝑓)=231210.99kW其中，D为二回路蒸汽产量，126kg/s；7r为二回路水汽化潜热，查表得1639.04kJ/kg；x为蒸汽干度，0.99；Cs为排放系数，0.01；is为二回路饱和水比焓，1155.14kJ/kg；if为二回路给水比焓，944.88kJ/kg。2.一回路水流量为：𝐺1=𝑄𝜂∙(𝑖1′−𝑖1′′)=2118.94kg/s其中，𝑄为一回路放热量；𝜂为蒸汽发生器热效率，0.99；𝑖1′为一回路水进口比焓，查表得1396.04kJ/kg；𝑖1′′为一回路水出口比焓，查表得1285.82kJ/kg。二、传热计算1.计算传热管内径传热管外径选定为𝑑𝑜=22mm，则直管计算壁厚为：𝑆1′′=𝑃设1∙𝑑o200[σ1]+0.8𝑃设1=1.120mm其中，𝑃设1为一次侧设计压力，191.25kg/m2；𝑑o为传热管外径，22mm；[σ1]为传热管许用应力，18kg/mm2。节距t选定为1.4𝑑o，则弯曲减薄系数为：𝜑𝑅=1+𝑑𝑜4𝑅min=1+𝑑𝑜8𝑡=1.089其中，Rmin为最小节圆半径，2t。负公差修正系数选为𝜑=1.102，则传热管计算壁厚为：𝑆1′=𝑆1′′∙𝜑∙𝜑𝑅=1.350mm选定传热管壁厚为𝑆1=1.350mm，则传热管内径为：𝑑i=𝑑𝑜−2𝑆1=19.3mm，单管流通截面积为：a=𝜋𝑑I24⁄=2.93×10−4𝑚2。2.计算U型管数目一次侧水流速选为𝑢1=5.9m/s，则一回路流通面积为：𝐴=𝐺1∙𝜐̅1𝑢1=0.497m2则U型管数目为：𝑛=𝐴𝑎⁄=1700。3.计算传热面积8(1)计算传热管一次侧放热系数一次侧水雷诺数为：Re𝑓=𝑢1𝑑i𝜂1𝜐̅1=9.33∗10^5其中，𝑢1为一回路水流速，5.9m/s；𝑑𝑖为传热管内径，0.0193m；𝜂1为一次侧水动力粘度，查表得8.83×10-5kg/(m·s)；𝜐̅1为一次侧水比容，查表得0.001378m3/kg。则一次侧水放热系数为：𝛼1=0.023𝜆1𝑑𝑖Re𝑓0.8Pr𝑓0.4=38006W/(m2