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 _>ст>. Для высокого давления теплоносителя _>ст>  1.5 мм, а для среднего _>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 (_>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

№№		Размерность	Значение
1	Расход воды первого контура через парогенератор	т/ч  10³	18
2	Температура воды первого контура на входе в ПГ	C	318
3	Температура воды первого контура на выходе из ПГ	C	291
4	Давление воды первого контура	МПа	15.7
5	Давление воды первого контура	Мпа	3,0
6	Температура питательной воды	C	225
7	Величина продувки	%	1.0
8	Типоразмер труб поверхности теплообмена	мм	16х1.5
9	Материал труб поверхности теплообмена		Сталь ОХ18Н10Т

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>=G_>1>*(i_>1>'-i_>1>'')*,

где: i_>1>', i_>1>'' - энтальпия теплоносителя во входном (при t_>1>'=318C) и выходном (при t_>1>''=291 C) сечениях соответственно.

Значения (при t_>1>'=316 C) i_>1>' и i_>1>'' определяем из таблицы "Термодинамические и теплофизические свойства воды и водяного пара" /1/, при

P_>1>=15,7 ;

i_>1>'=14,31 ;

i_>1>''=12,89;

 - КПД парогенератора, принимаем =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*[(i_>2>'-i_>ПВ>)+r]+ Д_>ПР>*(i_>2>'-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;

i_>2>' = 1,008 *10⁶ Дж/кг;

r =1,794 *10⁶Дж/кг;

По таблице определяем энтальпию питательной воды:

При t_>ПВ> = 225 , P_>2> =3,0 МПа,

i_>ПВ=>9,67 *10⁵Дж/кг

Принимаем величину продувки ПГ: Д_>ПР> = 0,01 Д.

Д= Q_>ПГ>/ ( (i_>2>'-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.

t_>б> = t_>1>' - t_>s>' =318-234=94C,

t_>м> = t_>2>'' - t_>s>' = 291-234=57 C

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

3. Конструктивный расчет ПГ.

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=16-2*1,5=13 мм.

Определим площадь сечения трубы:

F_>тр> =*d_>н>²/4=3,14*13²/4=1,33*10^-4м²

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>/_>1>',

где f_>вн>= f_>тр>*n,

_>1>'=1,694*10^-3 м³/кг, тогда

n=(G*_>1>')/( f_>тр>* W_>1вх>)=12736 шт.

4. Тепловой расчет.

Определим средний температурный напор воль поверхности нагрева:

t_>б> =84 C,

t_>м> =57C,

t_>б> /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:

t_>ср> =(t_>б> +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> =(t_>ср> +t_>ср>)/2=(318+291)/2=305C.

2.2. Физические параметры воды при t_>1ср> =305C:

плотность _>1>=799 кг/м³,

коэффициент теплопроводности _>1> =0,531 Вт/(м*К),

вязкость _>
1> =88,3 *10^-6Па*с,

число Прандтля Pr=0,98,

удельный объем ^-_>1>=1,425*10^-3м³/кг.

2.3. Скорость теплоносителя

W_>1>=(G_>м> * ^-_>1>)/(F_>тр>* n)=4,19 м/с.

2.4. Число Рейнольдса

Re=( W_>1> * d_>вн>)/(^-_>1> * _>
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:

_>1>=0,021*( _>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/_>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

_>ст> =18,51 Вт/(м*К) (приложение IX учебника)

Термическое сопротивление стенки:

R_>ст> =_>ст>/_>ст>=1,5*10^-3 /(18,51)=8, 1* 10^-5 (м²*К)/ Вт.

2.9. Термическое сопротивление окисных пленок:

2R_>ок> =1,5* 10^-5 (м²*К)/ Вт.

2.10. Сумма термических сопротивлений:

R= R_>1> + R_>ст> + 2R_>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)* 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:

_>2>'=(10,45/(3,3-0,0113(T_>s> - 373)))* (q')^0,7=62000 (Вт/м²*K)

3.3. Термическое сопротивление:

R_>2>'=1/_>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>'*t_>б>=6720*84=6320 (Вт/м²)

3.6. Определяем отношение:

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

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

_>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 _>2>''

_>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>''*t_>м>=436000 (Вт/м²)

4.1.5 Определяем отношение

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

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

_>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*t_>cр>)=7,029 *10⁵/(6,615 *70,5)=1,52 *10³м²

5.2 Определяем среднюю расчетную длину труб:

L_>P>= H^P/(*d_>н>)=1,52 *10³/(3.14*0,016)=30,5 *10³м

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 *10³м².

5.6 Длина труб ПГ:

L_>P>= L_>P> *1,125=30,5 *10³*1,125=34,6 *10³м

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

Гидравлический расчет первого контура ПГ

Исходные данные:

Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:

t_>1> = 318 C

_>1>'=1,694*10^-3м³/кг

_>1>'=83,7*10^-6Па/кг

Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:

t_>2> =291

_>2>'=1,371*10^-3м³/кг

_>2>'=92,7 *10^-6Па/кг

Удельный вес и вязкость теплоносителя при средней температуре теплоносителя ПГ (t_>1ср>=301):

_>1>_>c>_>р>=1,425 *10^-3м³/кг

=88,3*10^-6Па/кг

Абсолютная шероховатость поверхностей из стали Ох18Н10Т принята равной _>ш>  0,05 мм.

Определяем гидравлическое сопротивление входного коллектора
1. Определяем переходное число Рейнольдса

Re_>пер> =120*(d_>вк>/_>ш>)=120*1000/0,05=24*10⁵

Определяем переходное число Рейнольдса входного сечения

Re_>вк> ==(W_>1вх>*d_>вх>)/( _>1>'*_>1>')=(7,8 *1)/( 1,694*10^-3*83,7*10^-6)=55,1 *10⁶

Re_>вк> > Re_>пер>

Для режимов течения с Re > Re_>пер>коэффициент трения  определяется по формуле:

=(1,74+2*lg(r_>
в> /_>ш>))^-2= (1,74+2*lg(500/0,05))^-2=10,5*10^-3

Длина коллектора теплоносителя:

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

Определяем сопротивление трения входного коллектора теплоносителя по формуле:

P_>T>= *( l_>к>/d)*(1/_>1>')*( W_>1>''²/2)=

=10,5*10^-3 * (2890/1000)*(1/1,694*10^-3)*(7,8²/2)=0,545 kРа

Определяем гидравлическое сопротивление выходного коллектора
1. Переходное число Рейнольдса

Re_>пер> =120*(d_>вк>/_>ш>)=120*1000/0,05=24*10⁵

Определяем переходное число Рейнольдса выходного сечения

Re_>вых>==(W_>1вых>*d_>вых>)/( _>1>''*_>1>'')=(6,52 *1)/( 1,349*10^-3*92,7 *10^-6)=51,3 *10⁶

Re_>вк> > Re_>пер>

Коэффициент трения :

=(1,74+2*lg(r_>
в> /_>ш>))^-2= (1,74+2*lg(500/0,05))^-2=10,5*10^-3

Длина выходного коллектора:

l_>к>=2890 м

Определяем сопротивление трения выходного коллектора :

P= *( l_>к>/d)*(1/_>1>'')*( W_>1>''²/2)=

=10,5*10^-3 * (2890/1000)*(1/1,349*10^-3)*(6,52²/2)=0,471 kРа

Определяем гидравлическое сопротивление труб теплопередающей поверхности
1. Переходное число Рейнольдса

Re_>пер> =120*(d_>вк>/_>ш>)=120*13,2/0,05=0,317*10⁵

Скорость теплоносителя в трубах:

W_>тр>=G/(f_>тр>*n*_>1ср>)=

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

Число Рейнольдса

Re_>тр>=(W_>тр>*d_>в>)/( _>1ср>*_>1ср>)=(3,7 *0,013)/( 1,425 *10^-3*88,310^-6)=3,88 *10⁵

Re_>тр> > Re_>пер>

Коэффициент трения :

_>т>=(1,74+2*lg(r_>
в> /_>ш>))^-2= (1,74+2*lg(6,4/ 0,05))^-2=28,2 *10^-3

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

_>вх.тр>=0,5

Коэффициент сопротивления при повороте теплоносителя на 180 внутри труб:

_>пов>=0,5

Коэффициент сопротивления выхода теплоносителя из труб:

_>пов>=1

Суммарный коэффициент местных сопротивлений:

_>сум>=_>вх.тр>+_>пов.тр>+_>вых.тр>=2

Суммарный коэффициент сопротивлений труб:

_>тр.сум>=_>сум>+_>т>*r_>
в> /d_>в>=2+28,2 *10^-3*6,6 /0,0132=19,1

1.3.10 Гидравлическое сопротивление трубчатки:

P_>тр> = _>тр.сум>*(1/_>1ср>)*( W_>1тр>²/2)=

=19, 1 * 0,799*10³*3,7²/2=104 kРа

1.4 Гидравлическое сопротивление I контура:

P_>I> =P_>i> =0,545 +0,478 +104=105кПа_>>

Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ.

Гидравлическое сопротивление 2-го контура ПГ P_>2> , 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.

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

P_>вх> = _>вх.п>*_>2>'*( W_>пит>²/2)=1,3*0,785 *10³*5,4²/2=18,9 кПа

Скорость питательной воды определим по формуле:

W_>пит>=(Д+0,015*Д)* _>2>'/(0,785*dв²)=

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

Где _>2>' при t_>2>'=225 C и P_>2>=3,0МПа

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

_>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)* _>2>'/(0,785*n*d_>тр>²)=

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

P_{>тр.разд}> = _>т.раз>*_>2>'*( W_>разд>²/2)=0,2*7,8 ²*1,216 *10³/2=5,0 кПа

Сопротивление трубок раздачи питательной воды:

Сопротивление входа: _>вх>=0,5,

Сопротивление выхода: _>вых>=1,2,

P_{>тр.разд}> = (_>вх>+_>вых> )*_>2>'*( W_>разд>²/2)=1,7*6,86 ²*0,741*10³/2=29,64 кПа

Суммарное сопротивление коллектора пит. воды:

P_>к.пит> = P_>вх.п>+2*P_>т.раз>+P_{>тр.разд}>=18,9+2*3,99 +42=68,8кПа

Сопротивление жалюзийного сепаратора:

P_>сеп> =9 кПа.

Сопротивление выходных патрубков пара:

P_{>вых.патр}> = _>вых>*_>2>''*( W_>2>''²/2)=0,5*51,6 ²*66,21 2=10,05 кПа

W_>2>''=Д* _>2>''/(0,785*n*d_>в>²)=

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

Сопротивление коллектора пара (_>к.п>=1,3):

P_>кп> = _>кп>*_>2>''*( W_>кп>''²/2)=1,3*55,7 ²*66,2 /2=30,4 кПа

W_>кп>''=Д* _>2>''/(0,785*n*d_>в>²)=

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

Сопротивление второго контура ПГ

P_>II>_>> = P_>к.пит>+P_>сеп>+P_{>вых.патр}>+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*P_>I> /*_>1c>_>р>*_>ГЦН>,

где =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*P_>II> /*_>2>'*_>ПН>,

, где _>ПН> =0,82 - КПД питательного насоса.

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

Библиографический список

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