Расчет тепловой схемы парогенератора ПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты

ВВЕДЕНИЕ

Парогенераторы АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой, вырабатывают насыщенный пар. Требование поддержания высокой частоты теплоносителя обусловливает выполнение поверхностей теплообмена таких парогенераторов из аустенитной нержавеющей стали с электрополированными поверхностями. Трубы из такой стали промышленностью выпускаются длиной до 14 метров. Использование для поверхностей теплообмена труб из нержавеющей стали целесообразно только при минимально допустимых по условиям прочности толщинах стенок d_ст . Для высокого давления теплоносителя d_ст £ 1.5 мм, а для среднего d_ст £ 1.2 мм. По условиям технологии изготовления трубы из нержавеющей стали выпускаются с наименьшей толщиной 1.4 мм. Применение труб с толщиной стенки, оптимальной по условиям сварки (d_ст » 2.5 мм), противоречит требованиям создания агрегата с возможно меньшими капитальными затратами. Кроме того, необходимо считаться с недопустимостью неоправданного увеличения расхода дефицитного очень дорогостоящего материала. Такие ограничения, стоявшие перед проектировщиками и конструкторами, в какой-то мере даже способствовали созданию наиболее оптимальной конструкции ПГ для АЭС с ВВЭР: однокорпусного с погруженной поверхностью теплообмена, с естественной циркуляцией рабочего тела. В течениепоследующего двадцатилетия с переходом на более высокие единичные мощности агрегатов созданная конструкция ПГ принципиальных изменений не претерпела. Однако осуществлялись весьма серъезное усовершенствование ее узлов и рационализация протекания процессов генерации пара. Практика показывает, что даже для условий больших мощностей реактора ВВЭР-1000ПГ погруженной поверхностью теплообмена обеспечивает требуемую производительность.

Данная расчетно-пояснительная записка включает в себя расчет тепловой схемы парогенератора ПГВ-1000 с построением диаграмм t-Q, тепловой и гидродинамический расчеты.

1. Исходные данные для шифра 149 02 представлены в таблице 1

Таблица 1

1.Расчет тепловой схемы ПГ

В выбранной конструкционной схеме питательная вода через коллектор питательной воды и систему раздающих труб подается на горячую сторону теплопередающей поверхности. Здесь она смешивается с котловой водой парогенератора и нагревается до температуры насыщения t_s .

Подача питательной воды на горячую сторону парогенератора служит выравнивания паровых нагрузок по площади зеркала испарения.

Получение сухого насыщенного пара осуществляется в жалюзийном сепараторе.

1. Определяем тепловую мощность ПГ.

Q _ПГ =G₁ *(i₁ '-i₁ '')* h ,

где: i₁ ', i₁ '' - энтальпия теплоносителя во входном (при t₁ '=318°C) и выходном (при t₁ ''=291 °C) сечениях соответственно.

Значения (при t₁ '=316 °C) i₁ ' и i₁ '' определяем из таблицы "Термодинамические и теплофизические свойства воды и водяного пара" /1/, при

P₁ =15,7 ;

i₁ '=14,31 ;

i₁ ''=12,89;

h - КПД парогенератора, принимаем h=0,99.

Q _ПГ =18*(10⁶ /3600)(14,28-12,58)* 10⁵ *0,99=7,029 *10⁵ кДж/с

2. Определяем паропроизводительность парогенератора (2-ой контур).

Q _ПГ = Д *[(i₂ '-i _ПВ )+r]+ Д_ПР *(i₂ '-i _ПВ ),

где: Д - паропроизводительность ПГ,

r - теплота парообразования,

Д_ПР - расход продувки.

По давлению 2-го контура при помощи таблицы "Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения" /1/ определяем:

При P =3,0 Мпа, t_s =233,84 С;

i₂ ' = 1,008 *10⁶ Дж / кг ;

r =1,794 *10⁶ Дж/кг;

По таблице определяем энтальпию питательной воды:

При t_ПВ = 225 , P₂ =3,0 МПа,

i _ПВ= 9,67 *10⁵ Дж/кг

Принимаем величину продувки ПГ: Д_ПР = 0,01 Д.

Д= Q _ПГ / ( (i₂ '-i _ПВ )*1,02+r) =

7,029 *10⁵ / (1,008*(1,24-0,967)*10³ +1,794 *10³⁾ =7,029 *10⁵ /1,836*10³⁼ =383 кг/с.

3. Определяем больший и меньший температурные напоры.

D t _б = t₁ ' - t_s ' =318-234=94 ° C,

D t _м = t₂ '' - t_s ' = 291-234=57 ° C

,

Характерные пара изменения температуры вдоль поверхности нагрева представлены на t-Q диаграмме

Для изготовления коллекторов теплоносителя и корпуса парогенератора применяется сталь 10ГН2МФА, коллектора теплоносителя изнутри плакируются сталью ОХ18Н10Т. По заданию трубчатка ПГ выполняется из стали ОХ18Н10Т, труба 16х1,5.

Поверхность теплообмена состоит из U-образных горизонтальных змеевиков, скомпонованных в два U-образных пучка, имеющих по три вертикальных коридора для обеспечения циркуляции котловой воды. Концы змеевиков привариваются к плакировке коллекторов аргонодуговой сваркой и вальцуются взрывом на всю толщину стенки. Расположение отверстий в коллекторах для завальцовки труб шахматное.

Определим число труб теплопередающей поверхности.

Определим внутренний диаметр трубы:

d _в = d _н -2 d =16-2*1,5=13 мм.

Определим площадь сечения трубы:

F _тр = p * d _н ² /4=3,14*13² /4=1,33*10^-4 м²

Зададимся скоростью теплоносителя на входе в трубчатку:

W ₁ вх=5 м/с.

Определим расчетное число труб теплопередающей поверхности из уравнения сплошности потока:

G _вн = f _вн * W _1вх / n ₁ ',

где f _вн = f _тр * n ,

n ₁ '=1,694*10^-3 м³ /кг, тогда

n =( G * n ₁ ')/( f _тр * W _1вх )=12736 шт.

4. Тепловой расчет.

1. Определим средний температурный напор воль поверхности нагрева:

D t _б =84 ° C ,

D t _м =57 ° C ,

D t _б / D t _м =1,4<1,7

Поскольку температурный напор и, следовательно, удельный тепловой поток, изменяются значительно, то коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде и коэффициент теплопередачи рассчитываются раздельно на границах участка. Коэффициент теплопередачи рассчитывается, как среднее арифметическое этих двух значений. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы рассчитывается по средней температуре теплоносителя и принимается одинаковым для всего участка:

D t _ср =( D t _б + D t _м )/2 = (84+57)=70,5 ° C .

2.Определим коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

2.1. Средняя температура теплоносителя на участке

t _1ср =( D t _ср + D t _ср )/2=(318+291)/2=305 ° C .

2.2. Физические параметры воды при t _1ср =305 ° C :

плотностьr ₁ =799 кг/м³ ,

коэффициент теплопроводности l ₁ =0,531 Вт/(м*К),

вязкостьm ₁ =88,3 *10^-6 Па*с,

число ПрандтляPr =0,98,

удельный объем^- u ₁ =1,425*10^-3 м³ /кг.

2.3. Скорость теплоносителя

W ₁ =( G _м * ^- u ₁ )/( F _тр * n )=4,19 м/с.

2.4. Число Рейнольдса

Re =( W ₁ * d _вн )/(^- u ₁ * m ₁ )= (4,19 *0,013)/( 1,425*10^-3 * 88,3 *10^-6 )=4,42 *10⁵

2.5. Определяем средний для участка коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к трубе по формуле:

a ₁ =0,021*( l ₁ /d)*Re^0,8 *Pr^0,43 =

=0,021*(0,53/0,013)*(4,42 *10⁵ )^0,8 *0,98^0,43 =

=2,73 *10⁴ Вт/(м² *К).

2.6. Термическое сопротивление:

R ₁ =1/ a ₁ =3.66 * 10^-5 (м² *К)/ Вт.

2.7. Температура стенки:

t _ст = t ₁ ^ср -(1/3)*( t ₁ ^ср - t_s )=305-(1/3)*(305-224)=281 ° C .

2.8. Теплопроводность стали 12Х18Н10Т при t _ст =281 ° C

l _ст =18,51 Вт/(м*К) (приложение IX учебника)

Термическое сопротивление стенки:

R _ст = d _ст / l _ст =1,5*10^-3 /(18,51)=8, 1* 10^-5 (м² *К)/ Вт.

2.9. Термическое сопротивление окисных пленок:

2 R _ок =1,5* 10^-5 (м² *К)/ Вт.

2.10. Сумма термических сопротивлений:

R = R ₁ + R _ст + 2 R _ок= 3,66* 10^-5 + 8, 1* 10^-5 +1,5* 10^-5 =

=13,26 * 10^-5 (м² *К)/ Вт.

3. Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде во входном сечении:

3.1. Проведем расчет методом последовательных приближений. Первое значение теплового потока q для расчета берем из диапазона:

q=(0,8 ¸ 0,9)* D t _б /R =(0,8 ¸ 0,9)* 84/13,26 * 10^-5 =(5,67 ¸ 6,38) * 10^-5

Принимаем: q '=6,2

3.2. Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде по формуле:

a ₂ '=(10,45/(3,3-0,0113(T_s - 373)))* (q')^0,7 =62000 ( Вт / м ² *K)

3.3. Термическое сопротивление:

R ₂ '=1/ a ₂ '=1,61 * 10^-5 (м² * K /Вт)

3.4. Определяем коэффициент теплопередачи во входном сечении.

Полное термическое сопротивление во входном сечении:

R _полн '= R ₁ '+ R ₂ '=(13,26 +1.61)* 10^-5 =14,87 * 10^-5 (м² * K /Вт).

Коэффициент теплопередачи во входном сечении.

k ₁ '= 1/ R _полн '=6720 (Вт/м² * K )

3.5 Удельный тепловой поток:

q_n ''= k ₁ '* D t _б =6720*84=6320 (Вт/м² )

3.6. Определяем отношение:

q ''/ q '=1,01 <1,05.

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

a ₂ '=62000 (Вт/м² * K ),

k ₁ '= 6720 (Вт/м² * K ).

4. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи и теплопередачи в выходном сечении:

4.1. Определяем коэффициент теплоотдачи в выходном сечении:

4.1.1 Первое значение теплового потока для расчета методом последовательных приближений q ₂ '=4,3 * 10^-5 (Вт/м² )

4.1.2 Вычисляем a₂ ''

a ₂ ''=(10,45/(3,3-0,0113( T _s - 373)))* ( q ')^0,7 =0,48*10 (Вт/м² * K )

R ₂ ''=2,05 *10^-5

4.1.3 Определяем коэффициент теплопередачи и полное термическое сопротивление в выходном сечении:

R _полн ''= R + R ₂ ''=(13,26 +2,08)* 10^-5 = 15,34* 10^-5 (м² * K /Вт).

k ₂ ''= 1/ R _полн ''= 6510(Вт/м² * K )

4.1.4 Удельный тепловой поток в выходном сечении:

q_n ''= k ₂ ''* D t _м =436000 (Вт/м² )

4.1.5 Определяем отношение

q ''/ q '=1,01 <1,05.

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

a ₂ ''=48000 (Вт/м² * K ),

k ₂ ''= 6510 (Вт/м² * K ).

4.1.6 Отношение коэффициентов теплопередачи на входе и на выходе:

k_вх / k_вых =6,72/6,51 =1,03 <1,25, ПОЭТОМУ, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ВСЕГО УЧАСТКА РАССЧИТЫВАЕМ, КАК СРЕДНЕАРИФМЕТИЧЕСКОЕ ЭТИХ ДВУХ ЗНАЧЕНИЙ k.

K=0,5(6,72+6,51)=6,615 КВТ/М*К

5.. Определяем площадь поверхности теплообмена, расчетную длину труб, расчетную длину среднего змеевика.

5.1 Определяем расчетную площадь поверхности теплообмена:

H^P = Q _ПГ /( k * D t _cр )=7,029 *10⁵ /(6,615 *70,5)=1,52 *10³ м²

5.2 Определяем среднюю расчетную длину труб:

L_P = H^P /( p *d_н )=1,52 *10³ /(3.14*0,016)=30,5 *10³ м

5.3 Определяем расчетную длину одной трубы среднего змеевика:

l_p = L_P /n=30,5 *10³ /12736=3,56 м

5.4 Пересчитаем характеристики теплопередающей поверхности с учетом коэффициента запаса:

К_з =1,125

Масса 1м трубы 16х1,5 ml =0,6 кг/м

5.5 Площадь теплопередающей поверхности ПГ

Н= H^P *Кз=1,52 *10³ *1,125=1,71 *10³ м² .

5.6 Длина труб ПГ:

L_P = L_P *1,125=30,5 *10³ *1,125=34,6 *10³ м

5.7 Средняя длина одного змеевика:

l = l_p *1,125=3,56 *1,125=4,05 м

5.8 Масса трубчатки

l_p = L * ml *10^-3 =34,6 *0,6=20,76тн

5. Гидравлический расчет ПГ

1. Гидравлический расчет первого контура ПГ

Исходные данные:

Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:

t ₁ = 318 ° C

n ₁ '=1,694*10^-3 м³ /кг

m ₁ '=83,7*10^-6 Па/кг

Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:

t ₂ =291

n ₂ '=1,371*10^-3 м³ /кг

m ₂ '=92,7 *10^-6 Па/кг

Удельный вес и вязкость теплоносителя при средней температуре теплоносителя ПГ (t_1ср =301):

n _{1 c р} =1,425 *10^-3 м³ /кг

m =88,3*10^-6 Па/кг

Абсолютная шероховатость поверхностей из стали Ох18Н10Т принята равной d _ш £ 0,05 мм.

1.1 Определяем гидравлическое сопротивление входного коллектора

1.1.1 Определяем переходное число Рейнольдса

Re _пер =120*( d _вк / d _ш )=120*1000/0,05=24*10⁵

1.1.2 Определяем переходное число Рейнольдса входного сечения

Re _вк ==( W _1вх * d _вх )/( n ₁ '* m ₁ ')=(7,8 *1)/( 1,694*10^-3 *83,7*10^-6 )=55,1 *10⁶

Re _вк > Re _пер

1.1.3 Для режимов течения с Re > Re_пер коэффициент трения x определяется по формуле:

x =(1,74+2* lg ( r _в / d _ш )) ^-2 = (1,74+2* lg (500/0,05)) ^-2 =10,5*10^-3

1.1.4 Длина коллектора теплоносителя:

l _к = l _{перф. части} + l _{уч. присоед. к патр} .=2130+760=2890 м

1.1.5 Определяем сопротивление трения входного коллектора теплоносителя по формуле:

D P_T = x *( l _к /d)*(1/ n ₁ ')*( W₁ ''² /2)=

=10,5*10^-3 * (2890/1000)*(1/1,694*10^-3 )*(7,8 ² /2)=0,545 k Ра

1.2 Определяем гидравлическое сопротивление выходного коллектора

1.2.1 Переходное число Рейнольдса

Re _пер =120*( d _вк / d _ш )=120*1000/0,05=24*10⁵

1.2.2 Определяем переходное число Рейнольдса выходного сечения

Re _вых ==( W _1вых * d _вых )/( n ₁ ''* m ₁ '')=(6,52 *1)/( 1,349*10^-3 *92,7 *10^-6 )=51,3 *10⁶

Re _вк > Re _пер

1.2.3 Коэффициент трения :

x =(1,74+2* lg ( r _в / d _ш )) ^-2 = (1,74+2* lg (500/0,05)) ^-2 =10,5*10^-3

1.2.4 Длина выходного коллектора:

l _к =2890 м

1.2.5 Определяем сопротивление трения выходного коллектора :

D P= x *( l _к /d)*(1/ n ₁ '')*( W₁ ''² /2)=

=10,5*10^-3 * (2890/1000)*(1/1,349*10^-3 )*(6,52 ² /2)=0,471 k Ра

1.3 Определяем гидравлическое сопротивление труб теплопередающей поверхности

1.3.1 Переходное число Рейнольдса

Re _пер =120*( d _вк / d _ш )=120*13,2/0,05=0,317*10⁵

1.3.2 Скорость теплоносителя в трубах:

W _тр = G /( f _тр * n * r _1ср )=

=(19*10³ )/(3,6*1,33*10^-4 * 12736*0,799*10^-3 )=3,7 м/с.

1.3.3 Число Рейнольдса

Re _тр =( W _тр * d _в )/( n _1ср * m _1ср )=(3,7 *0,013)/( 1,425 *10^-3 *88,310^-6 )=3,88 *10⁵

Re _тр > Re _пер

1.3.4 Коэффициент трения :

x _т =(1,74+2* lg ( r _в / d _ш )) ^-2 = (1,74+2* lg (6,4/ 0,05)) ^-2 =28,2 *10^-3

1.3.5 Коэффициент сопротивления входа теплоносителя в трубу определяем по таблице (с.114)

x _вх.тр =0,5

1.3.6 Коэффициент сопротивления при повороте теплоносителя на 180° внутри труб:

x _пов =0,5

1.3.7 Коэффициент сопротивления выхода теплоносителя из труб:

x _пов =1

1.3.8 Суммарный коэффициент местных сопротивлений:

x _сум = x _вх.тр + x _пов.тр + x _вых.тр =2

1.3.9 Суммарный коэффициент сопротивлений труб:

x _тр.сум = x _сум + x _т * r _в / d _в =2+28,2 *10^-3 *6,6 /0,0132=19,1

1.3.10 Гидравлическое сопротивление трубчатки:

D P _тр = x _тр.сум *(1/ n _1ср )*( W _1тр ² /2)=

=19, 1 * 0,799*10³ *3,7 ² /2=104 k Ра

1.4 Гидравлическое сопротивление I контура:

D P_I = S D P_i =0,545 +0,478 +104=105кПа

2. Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ.

Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ DP₂ , преодолеваемое питательным насосом, складывается из сопротивления жалюзийных сепараторов и выхода пара из ПГ.

Гидравлическое сопротивление пучка труб движению пароводяной смеси преодолевается напором, создающимся в контуре естественной циркуляции ПГ.

2.1 Сопротивление выхода питательной воды из входного патрубка в коллектор питательной воды:

D P _вх = x _вх.п * r ₂ '*( W _пит ² /2)=1,3*0,785 *10³ *5,4 ² /2=18,9 кПа

Скорость питательной воды определим по формуле:

W _пит =(Д+0,015*Д)* n ₂ '/(0,785* d в² )=

=(383+0,015*383)*1,216 *10^-3 /(0,785*0,3² )=5,4 м/с

Где n ₂ ' при t ₂ '=225 ° C и P ₂ =3,0МПа

2.2 Коэффициент местного сопротивления при повороте на 90 питательной воды в трубах раздачи:

x _т.раз =0,2

2.2.1Сопротивление, испытываемое потоком питательной воды при повороте в трубах раздачи питательной воды:

Скорость в трубе раздачи:

W _{2 раз} '=(Д+0,015*Д)* n ₂ '/(0,785* n * d _тр ² )=

=(383+0,015*383)*1,216 *10^-3 /(0,785*12*0,08² )=7,8 м/с

D P _{тр.разд} = x _т.раз * r ₂ '*( W _разд ² /2)=0,2*7,8 ² *1,216 *10³ /2=5,0 кПа

2.3 Сопротивление трубок раздачи питательной воды:

Сопротивление входа: x_вх =0,5,

Сопротивление выхода: x_вых =1,2,

D P _{тр.разд} = ( x _вх + x _вых )* r ₂ '*( W _разд ² /2)=1,7*6,86 ² *0,741*10³ /2=29,64 кПа

2.4 Суммарное сопротивление коллектора пит. воды:

D P _к.пит = D P _вх.п +2* D P _т.раз + D P _{тр.разд} =18,9+2*3,99 +42=68,8кПа

2.5 Сопротивление жалюзийного сепаратора:

D P _сеп =9 кПа.

2.6 Сопротивление выходных патрубков пара:

D P _{вых.патр} = x _вых * r ₂ ''*( W ₂ ''² /2)=0,5*51,6 ² *66,21 2=10,05 кПа

W₂ ''=Д* n ₂ ''/(0,785*n*d _в ² )=

=383*66,2 *10^-3 /(0,785*10*0,25² )=51.6 м/с

2.7 Сопротивление коллектора пара (x_к.п =1,3):

D P _кп = x _кп * r ₂ ''*( W _кп ''² /2)=1,3*55,7 ² *66,2 /2=30,4 кПа

W _кп ''=Д* n ₂ ''/(0,785* n * d _в ² )=

=383*66,2 *10^-3 /(0,785*10*0,58² )=55,7 м/с

2.8 Сопротивление второго контура ПГ

D P_II = D P _к.пит + D P _сеп + D P _{вых.патр} + D P _кп =68,8 +9+10,05+50,4 =118,2 кПа

3 Определяем мощность главного циркуляционного и питательного насосов N_I и N_II .

3.1 Мощность главного циркуляционного насоса определяем по формуле:

N_I =G* D P_I /* r _{1c р} * h _ГЦН ,

где h=0,76 - КПД главного циркуляционного насоса.

N_I =19000*105*1,404 *10^-3 /(3,6*0,76)=1014 кВт

3.2 Мощность питательного насоса определяем по формуле:

N_II =1,005*D* D P_II /* r ₂ '* h _ПН ,

, где h_ПН =0,82 - КПД питательного насоса.

N_II =1,005*383*118*1,216 *10^-3 /0,82=67,3 кВт

Библиографический список

1. Рассохин Н.Г. "Парогенераторные установки атомных электростанций" М.: Энергоатомиздат, 1987