Парогенераторы

     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 *10⁶ Дж/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  
 

      

 
2. 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-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.

 

     3. Тепловой расчет ПГ 

     

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:

     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=(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

 

      4. 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. Определяем  гидравлическое сопротивление входного коллектора
1. Определяем переходное число Рейнольдса

     Re_пер =120*(d_вк/d_ш)=120*1000/0,05=24*10⁵ 

     

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 

     

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 

4. Длина коллектора теплоносителя:

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

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 

     

2. Определяем  гидравлическое сопротивление выходного  коллектора
1. Переходное число Рейнольдса

     Re_пер =120*(d_вк/d_ш)=120*1000/0,05=24*10⁵ 

     

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 

     

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 

4. Длина выходного коллектора:

     l_к=2890 м

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 

     

3. Определяем  гидравлическое сопротивление труб теплопередающей поверхности
1. Переходное число Рейнольдса

     Re_пер =120*(d_вк/d_ш)=120*13,2/0,05=0,317*10⁵

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. 

     

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