1、“蒸汽發生器”課 程 設 計 說 明 書 姓 名： 學 號： 班 級： 院 系：核科學與技術學院 指導教師： *年*月*日第一章 緒 論一、蒸汽發生器概述蒸汽發生器是核電動力設備中的一個主要部件，產生汽輪機所需蒸汽的換熱設備。在核能反應堆中，核能產生的熱量由冷卻劑帶出，通過蒸汽發生器傳給二回路的給水，使其產生具有一定壓力、一定溫度和一定干度的蒸汽，此蒸汽再進入汽輪機中做功，轉換為電能或機械能。在這個能量轉換過程中，蒸汽發生器既是一回路設備，又是二回路設備，所以被稱為一、二回路的樞紐。實際運行經驗表明，蒸汽發生器能否安全、可靠地運行，對整個核動力裝置的經濟性和安全性具有十分重要的影響。國外壓水堆

2、核電站的運行經驗表明，蒸汽發生器的性能（無論是靜態性能還是動態性能）均能滿足使用要求，但在可靠性方面卻難以令人滿意。在運行中發生蒸汽發生器傳熱管破損事故的裝置數目，接近壓水堆動力裝置總數的四分之一。各國都把研究和改進蒸汽發生器當做完善壓水堆核電技術的重要環節，并制定了龐大的研究計劃，主要包括蒸汽發生器的熱工水利分析；腐蝕理論和傳熱管材料的研制；無損探傷計數；振動、磨損、疲勞研究；改進結構設計，減少腐蝕化學物的濃縮；改進水質控制等。二、蒸汽發生器的基本技術要求在核動力裝置中，由于一回路為帶有放射性回路，而二回路為無放射性回路，因此在研制蒸汽發生器時對結構、強度、材料抗腐蝕性、密封性等都提出了很高

3、的要求，其中最基本的技術要求為：(1)蒸汽發生器及其部件的設計，必須供給核電站在任何運行工況下所需的蒸汽量及規定的蒸汽參數。只有滿足這個要求才能保證電站在任何負荷下經濟運行。(2)蒸汽發生器的容量應該最大限度地滿足功率負荷的需要，而且要求隨著單機容量的增加，其技術經濟指標得到相應改善。(3)蒸汽發生器的所有部件應該絕對地安全可靠。(4)蒸汽發生器單個零、部件的裝配必須保證在密封面上排除一回路工質漏入二回路中去的可能性。(5)必須排除加劇腐蝕的任何可能性，特別是一回路中的腐蝕。(6)蒸汽發生器必須產生必要純度的蒸汽，以保證蒸汽發生器在高溫下可靠地運行，并保證汽輪機也可靠而經濟地運行。(7)蒸汽發

4、生器應設計得簡單緊湊，便于安裝使用，同時易于發現故障而及時排除，并有可能徹底疏干。(8)保證蒸汽發生器具有較高的技術經濟指標。在設計蒸汽發生器時，要考慮一、二回路兩種工質的種類和參數，正確地選擇結構方案、材料、傳熱管尺寸、傳熱系數以及冷卻劑等。另外，必須采取減少向外散熱損失的措施。三、蒸汽發生器的設計與計算蒸汽發生器的設計計算包括熱力計算、水動力計算、強度計算、結構設計等。熱力學計算主要通過傳熱學知識計算傳熱管傳熱面積，然后與管束結構設計相結合可以得到傳熱管長度、管束直徑等結構參數。強度計算通過壓力校驗等用于選取蒸汽發生器結構材料、確定結構尺寸等。蒸汽發生器中要通過強度計算得出的參數有傳熱管、

5、上下筒體、球形下封頭管板等的壁厚。在強度計算得出參數后要留取一定余量，以滿足變工況下出現超壓情況的需求。水動力計算是最后一步，因為只有結構尺寸確定，運動狀態已知的情況下水力情況才得以確定。水力計算包括一回路水阻力計算、二回路水循環阻力計算、運動壓頭計算等。其中一回路水阻力計算相對簡單主要包括單相水U型管管內摩擦阻力和局部阻力兩項；二回路水循環阻力計算及運動壓頭計算比較復雜。因為蒸汽發生器內二回路側流體的水力特性取決于流體工質的性質和狀態、流道的結構和幾何形態，以及工質的流動形式。而且計算過程誤差較大，往往需要在試驗中進一步修正。二回路水循環阻力包括下降空間阻力、上升空間阻力、汽水分離器阻力等。

6、而上升空間阻力又包括摩擦阻力、局部阻力、彎管區阻力、加速阻力、流量分配孔阻力五項。設計中常用圖解法來確定循環倍率，即先假設幾個不同的循環倍率分別計算其運動壓頭和總阻力，在直角坐標系作出相應曲線，兩根曲線交點即為穩定工況的循環倍率值。循環倍率值一般取25為宜，其值過小會導致傳熱惡化，腐蝕加劇等；而過大則會增大汽水分離器負荷，使蒸汽干度降低，危機汽輪機安全。 計算過程中水力計算是在結構選型和熱力計算之后進行，但是結構設計和熱力計算又需要水力計算數據，因此三者往往要反復交替進行，以使設計逐步完善。四、目的和要求： 1、運用“核動力設備”課中所學的知識，并加以鞏固、充實和提高。 2、掌握蒸汽發生器設計

7、計算的標準方法。 3、具有初步綜合考慮蒸汽發生器結構設計的能力。 4、培養學生查閱資料，合理選擇和分析數據的能力，提高學生的運算、繪圖等基本技能。 5、培養學生對工程技術問題的嚴肅認真和負責態度。五、任務：在課程設計中學生獨立完成如下任務： 1、完成蒸汽發生器的方案設計與論證 2、完成蒸汽發生器的熱力計算 3、完成蒸汽發生器的水動力計算 4、完成蒸汽發生器的強度計算 5、完成蒸汽發生器的結構設計 6、繪制蒸汽發生器的總圖 7、編寫設計說明書。六、時間分配：課程設計共安排兩周，其具體時間安排如下： 1、蒸汽發生器的熱力計算 1.5天 2、蒸汽發生器的水動力計算 3天 3、蒸汽發生器的強度計算 0

8、.5天 4、蒸汽發生器的結構設計 1天 5、蒸汽發生器的總圖繪制 2天 6、編寫設計說明書 1天7、答辯 1天1、 給定條件1、 蒸汽產量：D=126kg/s；2、 蒸汽干度：x=0.99；3、 蒸汽發生器的熱效率：；4、 一回路側額定工作壓力：MPa；5、 一回路側設計壓力：6、 一回路側冷卻劑入口溫度；7、 一回路側冷卻劑出口溫度；8、 二回路側給水溫度：9、 二回路側額定工作壓力：MPa；10、二回路側設計壓力：11、傳熱管壁導熱系數： W/m12、傳熱管壁許用應力： kg/mm2；13、下筒體許用應力： kg/mm2；14、上筒體許用應力： kg/mm2；15、球形下封頭許用應力： k

9、g/mm2；16、管板許用應力： kg/mm2；17、傳熱管最小節距：，一般取為1.351.45；18、上筒體內徑3200 mm，高度4000 mm。19、下降空間： (1)入口阻力系數=1；(2)出口阻力系數=1；(3)定位裝置阻力系數=1；(4)絕對粗糙度=0.15 mm。20、流量分配管板：(1) 單元面積=533 mm2; (2)單元開孔面積=216 mm2。2、 熱平衡計算一回路進口焓值：=1394.27 kj/kg (15.0MPa，310）；一回路出口焓值：=1284.45 kj/kg （15.0MPa，290）；二回路給水焓：=944.43 kj/kg (5.0MPa，220）

10、；二回路飽和水溫：=264 （5.0MPa）；二回路飽和水焓：=1154.50kj/kg （5.0MPa）；二回路飽和蒸汽焓值：=2794.23kj/kg（5.0MPa）；二回路汽化潛熱： =1639.73kj/kg （5.0MPa）；排污量：；干度：x=0.99: 換熱量：；一回路水流量： ；=0.99為蒸汽發生器的熱效率。三、管徑的選取以及傳熱管數目的確定選取傳熱管的外徑為：d0=22 mm；節距選取為：t=1.36364d0=30 mm ；則最小節圓直徑為： ；負公差修正系數：=1.102；彎曲減薄系數：；一回路側設計壓：傳熱管壁厚： ，此處取；傳熱管內徑：；單管流通面積：；考慮最佳高徑

11、比為3，選取傳熱管數目,：1660，實際高徑比為2.91；一回路水平均比容：（15.0MPa，300，飽和水）；則一回路側流通面積為：；一回路側水流速度為：。3、 換熱面積的計算一回路側水導熱系數： （15.0MPa，300，飽和水）一回路側水普朗特數： （15.0MPa，300，飽和水）一回路側水動力粘度： （15.0MPa，300，飽和水）一回路側雷諾數：一回路側換熱系數：傳熱管導熱系數： （給定）傳熱管壁熱阻：污垢熱阻： （按I-600選定）對數平均溫差： 假設熱負荷q，進行迭代可以求得k=5458.63W/m2此時的熱負荷為計算傳熱面積：傳熱裕度系數：C=1.1設計傳熱面積：四、管束結

12、構的計算傳熱管總長：傳熱管排列方式：按正方形排列最小U型管節圓直徑：實際布管數：n=1660根管束直徑：管束彎段高：平均直徑：彎管總長：直管總長：管束直段高：管束總高：強度計算（1）襯筒內徑：其中t是裝配間隙，約1020mm，取15mm。襯筒外徑：，其中是襯筒壁厚，給定為12mm。（2）下筒體內徑：其中B為下降流道寬度，取為88mm。下筒體許用應力：=18kg/mm2下筒體計算壁厚：設計壁厚：下筒體外徑：（3）上筒體許用應力：=18kg/mm2 （給定）設計壁厚取為：則上筒體外徑為（4）球形下封頭許用應力：外徑：設計壁厚取為：（5）管板許用應力：承壓部分直徑計算壁厚：設計壁厚選取為：堆焊層厚度

13、： （6）傳熱管實際平均長度：最長管子長：最短管子長：主要管道內徑的計算主管道計算流速： （選取，812m/s) 主管道設計內徑：20主管道設計流速：蒸汽管計算流速： （選取，3040m/s）蒸汽管計算內徑：蒸汽管設計內徑：蒸汽管設計流速：二回路給水比容：給水管計算流速： （選取，25m/s）給水管計算內徑：給水管設計內徑：給水管設計流速：一回路水阻力計算(1)U型管內摩擦阻力計算考慮堵管后流速一回路側水雷諾數：摩擦阻力系數：平均壁溫：在此壁溫下的動力粘度：溫度修正系數：摩擦阻力：(2)局部阻力計算下封頭內徑：水室截面積：進口管內徑： （與主管道相同）進口管截面積：突擴阻力系數：一回路側水入口

14、處比容： （15.0MPa，310）入口管流速：從入口光至水室阻力：水室轉彎45阻力系數： （查表，線性插值）水室轉彎45阻力：考慮堵管后截面積：系數：查圖得傳熱管入口阻力系數：傳熱管入口阻力：U型管轉180阻力系數：U型管轉180阻力：傳熱管出口阻力系數：出口處水比容（15.0MPa，290）：傳熱管出口阻力：出口管內流速：水室轉彎45阻力系數： （查表，線性插值）水室轉彎阻力：出口管突縮阻力系數：出口管突縮阻力：總阻力：設計阻力：2.8 二回路水循環阻力計算 (1)下降空間阻力下降空間水比容：入口阻力系數：出口阻力系數：定位裝置阻力系數：下降空間高度：襯筒外徑：下筒體內徑：下降空間當量直徑

15、：絕對粗糙度：摩擦系數：下降空間截面積：下降空間水流速：下降空間阻力：(2)上升空間阻力a) 摩擦阻力飽和水比容：飽和蒸汽比容：飽和蒸汽密度：襯筒內徑：傳熱管外徑：支撐板定位拉桿數量：上升空間流通面積：上升空間當量直徑： 循環速度：出口水相折算速度：液相平均折算速度：出口汽相折算速度：汽相平均折算速度：液相動力粘度：汽相動力粘度：液相雷諾數：汽相雷諾數：判別流型：都為紊流。管束直段高：液相摩阻系數：汽相摩阻系數：按折算速度計算的液相摩擦阻力：按折算速度計算的汽相摩擦阻力：參量X：液相摩擦阻力：汽相摩擦阻力：摩擦阻力：b）局部阻力：支撐板數目：N=6上升流道單元面積：支撐板單元開孔面積：面積比：

16、0.31局部阻力系數：按折算速度計算的液相局部阻力： 按折算速度計算的汽相局部阻力：參量X：二回路工作壓力：臨界壓力：參數參數K：液相局部阻力：汽相局部阻力：局部阻力：c）彎管區阻力管束彎頭最大節圓直徑：彎管區重心至圓心距離：計算沖刷排數：系數：系數：液相雷諾數：汽相雷諾數：液相摩擦阻力：汽相摩擦阻力： 液相阻力：汽相阻力： 參量X：液相阻力：汽相阻力：彎管區阻力： d）加速阻力管束出口質量含汽率：管束出口體積含汽率：系數：管束出口截面含汽率：質量流速：加速阻力：e）流量分配孔板阻力：阻力系數：孔板局部阻力：上升空間阻力：f）汽水分離器阻力：g）循環總阻力：運動壓頭計算（1）預熱段高度計算：二

17、回路給水焓：二回路飽和水焓：液面高度：下降空間下端壓力：壓力下的飽和水焓：預熱段高度：（2） 運動壓頭計算蒸發段高：管束上方區段高度：蒸發段平均質量含汽率：蒸發段平均體積含汽率：蒸發段平均截面含汽率：管束上方區段平均截面含汽率：蒸發段運動壓頭： 管束上方區段壓頭：運動壓頭：循環倍率的確定將循環倍率、循環運動壓頭和循環運動壓頭對應數值列出表并做曲線，得以下結果：循環倍率345循環總阻力25120.2534427.3144841.95運動壓頭36038.4534207.2832544.10由上圖可近似確定循環倍率為4，滿足2到5之間的要求。第三章 結論與評價本設計說明書主要對立式U型管自然循環蒸汽

18、發生器的設計計算進行說明和解釋。完成了撐起發生器的方案設計與論證，基本完成率課程設計的對蒸汽發生器熱力，水動力，強度，和結構設計等項目的計算任務，繪制了蒸汽發生器的總圖；鞏固和提高了核動力設備課程中所學知識，掌握了蒸汽發生器設計和計算的方法，掌握了基本運算和繪圖的能力。本方案通過設計可以得到，一回路流速為6.23m/s，傳熱管采用正方形布置。自然循環蒸汽發生器具有水容積大，蓄熱量高，緩沖性能好，安全可靠性高的突出特點。同時，采用的傳熱管正方形布置也具有結構簡單，裝配方便的優點。通過管束結構計算，得出管束直徑為2.04m，管束總高為5.9m，高徑比為2.9，基本符合最佳高徑比。通過水動力計算，獲得了整個循環回路的流動阻力和運動壓頭，并根據圖解法獲得了穩定的循環倍率為4，循環速度為0.23m/s，也滿足了工程要求。但是本方案中還是有很多不足之處：1. 采用鉆孔支承板，容易導致在縫隙區出現局部缺液傳熱狀態，由此產生化學物質濃縮，造成傳熱凹陷及支承板破裂。2. 雖然“高徑比”2.9與預期最優值3較為接近，但在管