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 *10⁶Дж/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.

Dt_б = t₁' - t_s' =318-234=94°C,

Dt_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-2d=16-2*1,5=13 мм.

Определим площадь сечения трубы:

F_тр =p*d_н²/4=3,14*13²/4=1,33*10^-4 м²

Зададимся скоростью теплоносителя на входе в трубчатку:

W₁вх=5 м/с.

Определим расчетное число труб теплопередающей поверхности из уравнения сплошности потока:

G_вн =f_вн*W_1вх/n₁',

где f_вн= f_тр*n,

n₁'=1,694*10^-3 м³/кг, тогда

n=(G*n₁')/( f_тр* W_1вх)=12736 шт.

4. Тепловой расчет.

1. Определим средний температурный напор воль поверхности нагрева:

Dt_б =84 °C,

Dt_м =57°C,

Dt_б /Dt_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:

Dt_ср =(Dt_б +Dt_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 =(Dt_ср +Dt_ср)/2=(318+291)/2=305°C.

2.2. Физические параметры воды при t_1ср =305°C:

плотностьr₁=799 кг/м³,

коэффициент теплопроводности l₁ =0,531 Вт/(м*К),

вязкостьm ₁ =88,3 *10^-6 Па*с,

число ПрандтляPr=0,98,

удельный объем^-u₁=1,425*10^-3 м³/кг.

2.3. Скорость теплоносителя

W₁=(G_м * ^-u₁)/(F_тр * n)=4,19 м/с.

2.4. Число Рейнольдса

Re=( W₁ * d_вн)/(^-u₁ * 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:

a₁=0,021*( l₁ /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:

R₁=1/a₁=3.66 * 10^-5 (м²*К)/ Вт.

2.7. Температура стенки:

t_ст=t₁^ср-(1/3)*( t₁^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:

2R_ок =1,5* 10^-5 (м²*К)/ Вт.

2.10. Сумма термических сопротивлений:

R= R₁ + 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)* Dt_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:

a₂'=(10,45/(3,3-0,0113(T_s - 373)))* (q')^0,7=62000 (Вт/м²*K)

3.3. Термическое сопротивление:

R₂'=1/a₂'=1,61 * 10^-5(м²*K /Вт)

3.4. Определяем коэффициент теплопередачи во входном сечении.

Полное термическое сопротивление во входном сечении:

R_полн'= R₁'+ R₂'=(13,26 +1.61)* 10^-5 =14,87 * 10^-5 (м²*K /Вт).

Коэффициент теплопередачи во входном сечении.

k₁'= 1/ R_полн'=6720 (Вт/м²*K)

3.5 Удельный тепловой поток:

q_n''= k₁'*Dt_б=6720*84=6320 (Вт/м²)

3.6. Определяем отношение:

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

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

a₂'=62000 (Вт/м²*K),

k₁'= 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 q₂'=4,3 * 10^-5(Вт/м²)

4.1.2 Вычисляем a₂''

a₂''=(10,45/(3,3-0,0113(T_s - 373)))* (q')^0,7=0,48*10 (Вт/м²*K)

R₂''=2,05 *10^-5

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

R_полн''= R+ R₂''=(13,26 +2,08)* 10^-5 = 15,34* 10^-5 (м²*K /Вт).

k₂''= 1/ R_полн''= 6510(Вт/м²*K)

4.1.4 Удельный тепловой поток в выходном сечении:

q_n''= k₂''*Dt_м=436000 (Вт/м²)

4.1.5 Определяем отношение

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

Точность расчета устраивает, поэтому принимаем окончательно:

a₂''=48000 (Вт/м²*K),

k₂''= 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*Dt_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:

t₁ = 318 °C

n₁'=1,694*10^-3 м³/кг

m₁'=83,7*10^-6 Па/кг

Удельный вес и вязкость теплоносителя на входе:

t₂ =291

n₂'=1,371*10^-3 м³/кг

m₂'=92,7 *10^-6 Па/кг

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

n_1cр=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)/( n₁'*m₁')=(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:

DP_T= x*( l_к/d)*(1/n₁')*( W₁''²/2)=

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

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)/( n₁''*m₁'')=(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 :

DP= x*( l_к/d)*(1/n₁'')*( W₁''²/2)=

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

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:

DP_тр = x_тр.сум*(1/n_1ср)*( W_1тр²/2)=

=19, 1 * 0,799*10³*3,7 ²/2=104 kРа

1.4 Гидравлическое сопротивление I контура:

DP_I =SDP_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:

DP_вх = x_вх.п*r₂'*( W_пит²/2)=1,3*0,785 *10³*5,4 ²/2=18,9 кПа

Скорость питательной воды определим по формуле:

W_пит=(Д+0,015*Д)* n₂'/(0,785*dв²)=

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

Где n₂' при t₂'=225°C и P₂=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)* n₂'/(0,785*n*d_тр²)=

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

DP_{тр.разд} = x_т.раз*r₂'*( W_разд²/2)=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,

DP_{тр.разд} = (x_вх+x_вых )*r₂'*( W_разд²/2)=1,7*6,86 ²*0,741*10³/2=29,64 кПа

2.4 Суммарное сопротивление коллектора пит. воды:

DP_к.пит = DP_вх.п +2*DP_т.раз +DP_{тр.разд}=18,9+2*3,99 +42=68,8кПа

2.5 Сопротивление жалюзийного сепаратора:

DP_сеп =9 кПа.

2.6 Сопротивление выходных патрубков пара:

DP_{вых.патр} = x_вых*r₂''*( W₂''²/2)=0,5*51,6 ²*66,21 2=10,05 кПа

W₂''=Д* n₂''/(0,785*n*d_в²)=

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

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

DP_кп = x_кп*r₂''*( W_кп''²/2)=1,3*55,7 ²*66,2 /2=30,4 кПа

W_кп''=Д* n₂''/(0,785*n*d_в²)=

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

2.8 Сопротивление второго контура ПГ

DP_II = DP_к.пит +DP_сеп +DP_{вых.патр}+DP_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*DP_I /*r_1cр*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*DP_II /*r₂'*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