Расчёт парогенератора типа вода-вода без перегрева

Расчёт парогенератора типа вода-вода без перегрева

Расчёт парогенератора типа вода-вода без перегрева

Введение

Парогенераторы АЭС с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением, вырабатывают насыщенный пар. Получение сухого насыщенного пара осуществляется в жалюзийном сепараторе. В выбранной конструкционной схеме питательная вода через коллектор питательной воды и систему раздающих труб подается в барабан-сепаратор. Здесь она смешивается с котловой водой парогенератора и нагревается до температуры насыщения t_s.

В практике проектирования оборудования используется 2 вида расчётов: конструкционный и поверочный. Конструкционный - определение основных конструктивных параметров ПГ. Поверочный расчёт проводится для определения возможности использования уже найденной конструкции при других, но достаточно близких к первоначальным параметрам работы.

Данная расчетно-пояснительная записка включает в себя расчет тепловой схемы парогенератора с построением Q-T диаграммытепловой, гидравлический и конструкционный расчеты.

1. Исходные данные

Дополнительные условия:

Характер движения теплоносителя и рабочего тела:

–       теплоноситель движется в трубном пространстве

–   рабочее тело движется в межтрубном пространстве

–       естественная многократная циркуляция

Специальные ограничения:

- ≤ 0,15 атм.

2. Принципиальная тепловая схема

3. Предварительный расчёт

.1 Тепловая мощность ПГ; расход теплоносителя и рабочего тела

Запишем уравнение теплового баланса:

Здесь: - тепловая мощность экономайзера.

- тепловая мощность испарителя.

- расход теплоносителя через парогенератор.

- энтальпия теплоносителя на входе в парогенератор.

- энтальпия теплоносителя на выходе из парогенератора.

D - паропроизводительность парогенератора.

- энтальпия воды в состоянии насыщения по второму контуру.

- энтальпия питательной воды.

- удельная теплота парообразования.

Необходимые значения энтальпий определяем из таблиц:

 ^оС (При давлении =4.5 МПа)

=1340,5 (При давлении =13МПа и температуре =300 ^оС)

=1183,3 (При давлении =13МПа и температуре =270 ^оС)

=1122,2 (При давлении =4.5МПа и температуре 257.41 ^оС)

=2796,5 (При давлении =4.5МПа и температуре 257,41 ^оС)

=944,3 (При давлении =4.5МПа и температуре =220 ^оС)

==2796,5-1122,2=1674,3

Определяем расход теплоносителя по первому контуру:

1298,2

Определяем паропроизводительность парогенератора:

108

Тепловая мощность испарителя: ==180,8 МВт.

Тепловая мощность экономайзера: МВт

3.2 Построение Q-T диаграммы ПГ

Определим энтальпию, а соответственно и температуру на выходе из испарительного участка:

Отсюда =1198,4

Этой энтальпии соответствует температура на выходе из испарительного участка при Р=13МПа

 ^оС

Определяем температуру воды при смешении питательной воды с водой контура естественной циркуляции: выберем такую температуру, чтобы недогрев до температуры насыщения составлял (5-10) ^оС. Это делается из соображений безопасной работы ПГ, так как при несоблюдении этого условия вода в опускном участке будет кипеть, а этого нельзя допустить.

 ^оС

3.3 Выбор материала, толщины и диаметра труб теплопередающей поверхности, материала корпуса и коллектора теплоносителя

Выбираем следующие марки стали:

для труб теплопередающей поверхности - 12Х18Н10Т

для коллектора теплоносителя - 10ГН2МФА, плакированная со стороны, омываемой

теплоносителем

для элементов корпуса - 10ГН2МФА.

Наружный диаметр трубок ПГ:=14 мм

Толщина трубки:

Внутренний диаметр трубки:

3.4 Расчёт числа трубок теплопередающей поверхности, площади проходного сечения трубного и межтрубного пространства

Проходное сечение одной трубки:

Зададимся скоростью теплоносителя: =1,6

Суммарная площадь проходного сечения трубок:

Число трубок ТО поверхности:

Разобьём наш ПГ на 10 модулей, в каждом по 1183 трубки. Трубки на трубной доске будем располагать по сторонам правильных шестиугольников с относительным шагом .

Число труб, размещённых на главной диагонали шестиугольника:

Внутренний диаметр корпуса:

Площадь межтрубного пространства:

4. Тепловой расчёт

.1 Тепловой расчёт испарительного участка

Исходные данные для расчёта (по Р=13 МПа, t’=300 ^оС , t’’=273,07 ^оС )

Площадь поверхности теплообмена испарительного участка:

.

<2,0  трубки можно считать тонкостенными и коэффициент теплопередачи для плоской стенки запишем в виде:

Расчёт будем проводить на входе и на выходе испарительного участка.

Вход:

Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:

.

По формуле Михеева:

Термическое сопротивление стенки трубки и окисных плёнок:

.

 берём при температуре стенки

Для входного участка ==300 ^оС   ^оС

По таблице определяем =18,2

 для нержавеющих сталей.

Отсюда

 будем определять методом последовательных приближений:

1 итерация.

Для I приближения примем:  

 ^оС

Отсюда

Определяем

Во втором приближении получим:

 продолжаем итерации, так как точность мала.

2 итерация.

Для II приближения имеем:

В третьем приближении получим:

 точность достаточна.

Итак: ,,

Выход:

Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:

.

По формуле Михеева:

Термическое сопротивление стенки трубки и окисных плёнок:

.

 берём при температуре стенки

Для входного участка ==273,07 ^оС   ^оС

По таблице определяем =18,4

 для нержавеющих сталей.

Отсюда

 будем определять методом последовательных приближений:

1 итерация.

Для I приближения примем:  

 ^оС

Отсюда

Определяем

Во втором приближении получим:

 продолжаем итерации, так как точность мала.

2 итерация.

Для II приближения имеем:

В третьем приближении получим:

 точность достаточна.

Итак: ,,

Определяем средний коэффициент теплопередачи по испарительному участку:

Рассчитываем среднелогарифмический напор:

 ^оС

Найдём поверхность теплообмена испарителя:

Длина трубки испарительного участка:

4.2 Тепловой расчёт экономайзерного участка

Исходные данные для расчёта:

Считаем, что в межтрубном пространстве экономайзера происходит поверхностное кипение недогретой до жидкости.

Коэффициент теплоотдачи берётся по средней температуре теплоносителя и среднему температурному напору.

Средняя температура теплоносителя равна:

 ^оС

Средний температурный напор равен:

 ^оС

Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:

.

По формуле Михеева:

Определяем среднюю скорость:

Отсюда .

Определим коэффициент теплообмена по второму контуру:

.

По формуле Михеева:

Определяем среднюю скорость в экономайзере:

Отсюда .

Термическое сопротивление стенки трубки и окисных плёнок:

.

 берём по температуре стенки  ^оС

По таблице определяем =18,05

 для нержавеющих сталей.

Отсюда

Определяем коэффициент теплопередачи по экономайзерного участка:

Рассчитываем среднелогарифмический напор:

 ^оС

Найдём поверхность теплообмена экономайзера:

Длина трубки экономайзерного участка:

4.3 Площадь теплопередающей поверхности, длина и масса труб

Общая расчётная площадь теплообмена:

.

Поскольку в процессе эксплуатации парогенератора возможно образование отложений, течей в отдельных трубках и их заглушка, то фактическая площадь теплопередающей поверхности рассчитывается с некоторым запасом.

Значение коэффициента запаса выбирается из интервала от 1,1 до 1,25.

Примем =1,15.

Тогда .

Общая длина трубки с учётом коэффициента запаса равна:

.

Длина испарительного участка:

Длина экономайзерного участка:

Масса одного метра трубы равна: .

Плотность стали 12Х18Н10Т (по ГОСТ 5949-75) равна  

Отсюда

Масса труб:

парогенератор тепловой гидравлический перегрев

5. Гидравлический расчёт

Целью данного расчета ПГ является определение гидравлических сопротивлений препятствующих движению теплоносителя и рабочего тела.

.1 Контур циркуляции

5.2 Определение движущего напора

а) Для кратности циркуляции Кц=2:

Степень сухости равна: .

Движущий напор равен:

Здесь: - плотность воды на входе в экономайзерный участок

- средняя плотность пароводяной смеси на выходе из испарительного участка

- высота испарительного участка. = .

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на входе:

 При  ^оС

.

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на выходе:

 При  ^оС.

.

.

Определяем среднюю плотность смеси и движущий напор:

б) Для кратности циркуляции Кц=5:

Степень сухости равна: .

.

.

.

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на входе:

 При  ^оС

.

.

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на выходе:

 При  ^оС.

.

.

Определяем среднюю плотность смеси и движущий напор:

.

в) Для кратности циркуляции Кц=10:

Степень сухости равна: .

.

.

.

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на входе:

 При  ^оС

.

Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на выходе:

 При  ^оС.

.

.

Определяем среднюю плотность смеси и движущий напор:

.

5.3 Гидравлическое сопротивление I контура

 - гидравлические потери на трение

 - гидравлические потери на местные сопротивления

 - коэффициент сопротивления трения, является функцией Re и относительной шероховатости.

, где - коэффициент местного сопротивления

- выход из входного патрубка в коллектор

- поворот на 90 градусов

 - вход в трубки из раздаточной камеры

 - выход в сборную камеру

-вход в выходной патрубок из коллектора

Получили гидравлическое сопротивление первого контура, видно, что оно меньше чем поставленное перед нами ограничение по сопротивлению, значит параметры посчитанные и выбранные нами верны.

.4 Гидравлическое сопротивление II контура

а) Для кратности циркуляции Кц=2:

Сопротивление трения экономайзерного участка:

По формуле Дарси-Вейсбаха: .

Массовый расход воды на экономайзерном участке:

.

Коэффициент сопротивления трению:

.

Сопротивление трения испарительного участка:

Массовые расходы пара и воды на испарительном участке равны соответственно:

 При  ^оС.

Определяем скорость смеси:

.

.

Сопротивление опускного трубопровода:

Плотность воды на опускном участке:

Определим диаметр проходного сечения трубопровода.

Примем количество патрутрубков =4 шт. и =0,2 м.

.

Сопротивление участка от ПГ до БС:

Плотность смеси на участке от парогенератора до барабана сепаратора:

Примем количество патрутрубков =4 шт. и =0,2 м.

.

Местные сопротивления:

.

В модуле парогенератора предусмотрено 7 дистанционирующих решеток: 5 из них находятся в испарительном участке, а 2 - в экономайзерном участке. Коэффициент сопротивления решетки: .

Испарительный участок:

Экономайзерный участок:

Опускной участок:

При выходе из БС

При входе в ПГ

При повороте в трубах

Участок от ПГ до БС:

; ; ; .

Сумма всех потерь по 2-му контуру:

б) Для кратности циркуляции Кц=5:

Сопротивление трения экономайзерного участка:

По формуле Дарси-Вейсбаха: .

Массовый расход воды на экономайзерном участке:

.

Коэффициент сопротивления трению:

.

.

Сопротивление трения испарительного участка:

Массовые расходы пара и воды на испарительном участке равны соответственно:

 При  ^оС.

Определяем скорость смеси:

.

.

Сопротивление опускного трубопровода:

Плотность воды на опускном участке:

Определим диаметр проходного сечения трубопровода.

Примем количество патрутрубков =4 шт. и =0,2 м.

.

Сопротивление участка от ПГ до БС:

Плотность смеси на участке от парогенератора до барабана сепаратора:

Примем количество патрутрубков =4 шт. и =0,2 м.

.

Местные сопротивления:

.

В модуле парогенератора предусмотрено 7 дистанционирующих решеток: 5 из них находятся в испарительном участке, а 2 - в экономайзерном участке. Коэффициент сопротивления решетки: .

Испарительный участок:

Экономайзерный участок:

Опускной участок:

При выходе из БС

При входе в ПГ

При повороте в трубах

Участок от ПГ до БС:

; ; ; .

Сумма всех потерь по 2-му контуру:

в) Для кратности циркуляции Кц=10:

Сопротивление трения экономайзерного участка:

По формуле Дарси-Вейсбаха: .

Массовый расход воды на экономайзерном участке:

.

Коэффициент сопротивления трению:

.

.

Сопротивление трения испарительного участка:

Массовые расходы пара и воды на испарительном участке равны соответственно:

 При  ^оС.

Определяем скорость смеси:

.

.

Сопротивление опускного трубопровода:

Плотность воды на опускном участке:

Определим диаметр проходного сечения трубопровода.

Примем количество патрутрубков =4 шт. и =0,2 м.

.

Сопротивление участка от ПГ до БС:

Примем количество патрубков =4 шт., =0,2 м,

Местные сопротивления:

.

В модуле парогенератора предусмотрено 7 дистанционирующих решеток: 5 из них находятся в испарительном участке, а 2 - в экономайзерном участке. Коэффициент сопротивления решетки: .

Испарительный участок:

Экономайзерный участок:

Опускной участок:

При выходе из БС

При входе в ПГ

При повороте в трубах

Участок от ПГ до БС:

; ; ; .

Сумма всех потерь по 2-му контуру:

5.5 Определение истинного значения кратности циркуляции

Из графика зависимости движущего напора и гидравлического сопротивления второго контура видно (по точке пересечения), что и истинная кратность циркуляции Кц (ист.)=8.

6. Конструкционный расчёт ПГ

1. Расчётное давление:

 - расчётное давление i-го контура.

Принимаем номинальное допустимое напряжение для стали 10ГН2МФА:

Принимаем номинальное допустимое напряжение для стали 12Х18Н10Т:

2. Входной и выходной патрубки теплоносителя:

Внутренний диаметр:

выберем внутренний диаметр патрубка по скорости теплоносителя

 ,

Откуда

Толщина стенки:

- коэффициент прочности

3. Толщина стенки защитного кожуха:

4. Внутренний диаметр входного патрубка циркуляционной воды и выходного патрубка пароводяной смеси:

Внутренний диаметр:

при определении гидравлического сопротивления второго контура приняли =200мм.

Толщина стенки:

. Корпус ПГ:

Толщина:

Наружный диаметр:

6. Трубные доски:

Толщина:

Диаметр:

Диаметр трубной доски принимаем равным наружному диаметру корпуса ПГ.

. Крышка и днище ПГ:

Толщина:

-минимально допустимая высота днища (крышки)

Список литературы

1. Рассохин Н.Г. «Парогенераторные установки АЭС» Москва «Энергоатомиздат.» 1987

2. Ривкин С.П., Александров А.А. «Теплогидравлические свойства воды и водяного пара »

3. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям»