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 dст. Для высокого давления теплоносителя dст £ 1.5 мм, а для среднего dст £ 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 (dст » 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 ts.
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.
QПГ=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.
QПГ=18*(106/3600)(14,28-12,58)* 105*0,99=7,029 *105 кДж/с
2. Определяем паропроизводительность парогенератора (2-ой контур).
QПГ=Д*[(i2'-iПВ)+r]+ ДПР*(i2'-iПВ),
где: Д - паропроизводительность ПГ,
r - теплота парообразования,
ДПР - 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, ts =233,84 С;
i2' = 1,008 *106 Дж/кг;
r =1,794 *106 Дж/кг;
По таблице определяем энтальпию питательной воды:
При tПВ = 225 , P2 =3,0 МПа,
iПВ=9,67 *105 Дж/кг
Принимаем величину продувки ПГ: ДПР = 0,01 Д.
Д= QПГ/ ( (i2'-iПВ)*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.
Dtб = t1' - ts' =318-234=94°C,
Dtм = t2'' - ts' = 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:
dв=dн-2d=16-2*1,5=13 мм.
Определим площадь сечения трубы:
Fтр =p*dн2/4=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:
Gвн =fвн*W1вх/n1',
где fвн= fтр*n,
n1'=1,694*10-3 м3/кг, тогда
n=(G*n1')/( fтр* W1вх)=12736 шт.
4. Тепловой расчет.
1. Определим средний температурный напор воль поверхности нагрева:
Dtб =84 °C,
Dtм =57°C,
Dtб /Dtм =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:
Dtср =(Dtб +Dtм)/2 = (84+57)=70,5 °C.
2.Определим коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.
2.1. Средняя температура теплоносителя на участке
t1ср =(Dtср +Dtср)/2=(318+291)/2=305°C.
2.2. Физические параметры воды при t1ср =305°C:
плотность r1=799 кг/м3,
коэффициент теплопроводности l1 =0,531 Вт/(м*К),
вязкость m 1 =88,3 *10-6 Па*с,
число Прандтля Pr=0,98,
удельный объем -u1=1,425*10-3 м3/кг.
2.3. Скорость теплоносителя
W1=(Gм * -u1)/(Fтр * n)=4,19 м/с.
2.4. Число Рейнольдса
Re=( W1 * dвн)/(-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)*Re0,8*Pr0,43=
=0,021*(0,53/0,013)*(4,42 *105)0,8*0,980,43=
=2,73 *104 Вт/(м2*К).
2.6. Термическое сопротивление:
R1=1/a1=3.66 * 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.7. Температура стенки:
tст=t1ср-(1/3)*( t1ср- ts)=305-(1/3)*(305-224)=281°C.
2.8. Теплопроводность стали 12Х18Н10Т при tст=281°C
lст =18,51 Вт/(м*К) (приложение IX учебника)
Термическое сопротивление стенки:
Rст =dст/lст=1,5*10-3 /(18,51)=8, 1* 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.9. Термическое сопротивление окисных пленок:
2Rок =1,5* 10-5 (м2*К)/ Вт.
2.10. Сумма термических сопротивлений:
R= R1 + Rст + 2Rок= 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)* Dtб /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(Ts - 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:
Rполн'= R1'+ R2'=(13,26 +1.61)* 10-5 =14,87 * 10-5 (м2*K /Вт).
Коэффициент теплопередачи во входном сечении.
k1'= 1/ Rполн'=6720 (Вт/м2*K)
3.5 Удельный тепловой поток:
qn''= k1'*Dtб=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(Ts - 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:
Rполн''= R+ R2''=(13,26 +2,08)* 10-5 = 15,34* 10-5 (м2*K /Вт).
k2''= 1/ Rполн''= 6510(Вт/м2*K)
4.1.4 Удельный тепловой поток в выходном сечении:
qn''= k2''*Dtм=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:
kвх/ kвых=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:
HP= QПГ/(k*Dtcр)=7,029 *105/(6,615 *70,5)=1,52 *103 м2
5.2 Определяем среднюю расчетную длину труб:
LP= HP/(p*dн)=1,52 *103/(3.14*0,016)=30,5 *103 м
5.3 Определяем расчетную длину одной трубы среднего змеевика:
lp= LP/n=30,5 *103 /12736=3,56 м
5.4 Пересчитаем характеристики теплопередающей поверхности с учетом коэффициента запаса:
Кз=1,125
Масса 1м трубы 16х1,5 ml=0,6 кг/м
5.5 Площадь теплопередающей поверхности ПГ
Н= HP *Кз=1,52 *103 *1,125=1,71 *103 м2.
5.6 Длина труб ПГ:
LP= LP *1,125=30,5 *103 *1,125=34,6 *103 м
5.7 Средняя длина одного змеевика:
l= lp*1,125=3,56 *1,125=4,05 м
5.8 Масса трубчатки
lp=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 (t1ср=301):
n1cр=1,425 *10-3 м3/кг
m=88,3*10-6 Па/кг
Абсолютная шероховатость поверхностей из стали Ох18Н10Т принята равной dш £ 0,05 мм.
1.1 Определяем гидравлическое сопротивление входного коллектора
1.1.1 Определяем переходное число Рейнольдса
Reпер =120*(dвк/dш)=120*1000/0,05=24*105
1.1.2 Определяем переходное число Рейнольдса входного сечения
Reвк ==(W1вх*dвх)/( n1'*m1')=(7,8 *1)/( 1,694*10-3 *83,7*10-6)=55,1 *106
Reвк > Reпер
1.1.3 Для режимов течения с Re > Reпер коэффициент трения x определяется по формуле:
x=(1,74+2*lg(r в /dш)) -2= (1,74+2*lg(500/0,05)) -2=10,5*10-3
1.1.4 Длина коллектора теплоносителя:
lк=lперф. части+l уч. присоед. к патр.=2130+760=2890 м
1.1.5 Определяем сопротивление трения входного коллектора теплоносителя по формуле:
DPT= x*( lк/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
Reпер =120*(dвк/dш)=120*1000/0,05=24*105
1.2.2 Определяем переходное число Рейнольдса выходного сечения
Reвых==(W1вых*dвых)/( n1''*m1'')=(6,52 *1)/( 1,349*10-3 *92,7 *10-6)=51,3 *106
Reвк > Reпер
1.2.3 Коэффициент трения :
x=(1,74+2*lg(r в /dш)) -2= (1,74+2*lg(500/0,05)) -2=10,5*10-3
1.2.4 Длина выходного коллектора:
lк=2890 м
1.2.5 Определяем сопротивление трения выходного коллектора :
DP= x*( lк/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
Reпер =120*(dвк/dш)=120*13,2/0,05=0,317*105
1.3.2 Скорость теплоносителя в трубах:
Wтр=G/(fтр*n*r1ср)=
=(19*103)/(3,6*1,33*10-4 * 12736*0,799*10-3)=3,7 м/с.
1.3.3 Число Рейнольдса
Reтр=(Wтр*dв)/( n1ср*m1ср)=(3,7 *0,013)/( 1,425 *10-3 *88,310-6)=3,88 *105
Reтр > Reпер
1.3.4 Коэффициент трения :
xт=(1,74+2*lg(r в /dш)) -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)
xвх.тр=0,5
1.3.6 Коэффициент сопротивления при повороте теплоносителя на 180° внутри труб:
xпов=0,5
1.3.7 Коэффициент сопротивления выхода теплоносителя из труб:
xпов=1
1.3.8 Суммарный коэффициент местных сопротивлений:
xсум=xвх.тр+xпов.тр+xвых.тр=2
1.3.9 Суммарный коэффициент сопротивлений труб:
xтр.сум=xсум+xт*r в /dв =2+28,2 *10-3*6,6 /0,0132=19,1
1.3.10 Гидравлическое сопротивление трубчатки:
DPтр = xтр.сум*(1/n1ср)*( W1тр2/2)=
=19, 1 * 0,799*103*3,7 2/2=104 kРа
1.4 Гидравлическое сопротивление I контура:
DPI =SDPi =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:
DPвх = xвх.п*r2'*( Wпит2/2)=1,3*0,785 *103*5,4 2/2=18,9 кПа
Скорость питательной воды определим по формуле:
Wпит=(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:
xт.раз=0,2
2.2.1Сопротивление, испытываемое потоком питательной воды при повороте в трубах раздачи питательной воды:
Скорость в трубе раздачи:
W2 раз '=(Д+0,015*Д)* n2'/(0,785*n*dтр2)=
=(383+0,015*383)*1,216 *10-3/(0,785*12*0,082)=7,8 м/с
DPтр.разд = xт.раз*r2'*( Wразд2/2)=0,2*7,8 2*1,216 *103/2=5,0 кПа
2.3 Сопротивление трубок раздачи питательной воды:
Сопротивление входа: xвх=0,5,
Сопротивление выхода: xвых=1,2,
DPтр.разд = (xвх+xвых )*r2'*( Wразд2/2)=1,7*6,86 2*0,741*103/2=29,64 кПа
2.4 Суммарное сопротивление коллектора пит. воды:
DPк.пит = DPвх.п +2*DPт.раз +DPтр.разд=18,9+2*3,99 +42=68,8кПа
2.5 Сопротивление жалюзийного сепаратора:
DPсеп =9 кПа.
2.6 Сопротивление выходных патрубков пара:
DPвых.патр = xвых*r2''*( W2''2/2)=0,5*51,6 2*66,21 2=10,05 кПа
W2''=Д* n2''/(0,785*n*dв2)=
=383*66,2 *10-3/(0,785*10*0,252)=51.6 м/с
2.7 Сопротивление коллектора пара (xк.п=1,3):
DPкп = xкп*r2''*( Wкп''2/2)=1,3*55,7 2*66,2 /2=30,4 кПа
Wкп''=Д* n2''/(0,785*n*dв2)=
=383*66,2 *10-3/(0,785*10*0,582)=55,7 м/с
2.8 Сопротивление второго контура ПГ
DPII = DPк.пит +DPсеп +DPвых.патр+DPкп =68,8 +9+10,05+50,4 =118,2 кПа
3 Определяем мощность главного циркуляционного и питательного насосов NI и NII .
3.1 Мощность главного циркуляционного насоса определяем по формуле:
NI =G*DPI /*r1cр*hГЦН,
где h=0,76 - КПД главного циркуляционного насоса.
NI=19000*105*1,404 *10-3/(3,6*0,76)=1014 кВт
3.2 Мощность питательного насоса определяем по формуле:
NII =1,005*D*DPII /*r2'*hПН,
, где hПН =0,82 - КПД питательного насоса.
NII=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