【正文】 汽輪機(jī)的蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)及應(yīng)用畢業(yè)論文第一章 緒 論一、蒸汽發(fā)生器概述蒸汽發(fā)生器是核電動(dòng)力設(shè)備中的一個(gè)主要部件，產(chǎn)生汽輪機(jī)所需蒸汽的換熱設(shè)備。在核能反應(yīng)堆中，核能產(chǎn)生的熱量由冷卻劑帶出，通過蒸汽發(fā)生器傳給二回路的給水，使其產(chǎn)生具有一定壓力、一定溫度和一定干度的蒸汽，此蒸汽再進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，轉(zhuǎn)換為電能或機(jī)械能。在這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程中，蒸汽發(fā)生器既是一回路設(shè)備，又是二回路設(shè)備，所以被稱為一、二回路的樞紐。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽發(fā)生器能否安全、可靠地運(yùn)行，對(duì)整個(gè)核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有十分重要的影響。國(guó)外壓水堆核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，蒸汽發(fā)生器的性能（無論是靜態(tài)性能還是動(dòng)態(tài)性能）均能滿足使用要求，但在可靠性方面卻難以令人滿意。在運(yùn)行中發(fā)生蒸汽發(fā)生器傳熱管破損事故的裝置數(shù)目，接近壓水堆動(dòng)力裝置總數(shù)的四分之一。各國(guó)都把研究和改進(jìn)蒸汽發(fā)生器當(dāng)做完善壓水堆核電技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，并制定了龐大的研究計(jì)劃，主要包括蒸汽發(fā)生器的熱工水利分析；腐蝕理論和傳熱管材料的研制；無損探傷計(jì)數(shù)；振動(dòng)、磨損、疲勞研究；改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少腐蝕化學(xué)物的濃縮；改進(jìn)水質(zhì)控制等。二、蒸汽發(fā)生器的基本技術(shù)要求在核動(dòng)力裝置中，由于一回路為帶有放射性回路，而二回路為無放射性回路，因此在研制蒸汽發(fā)生器時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料抗腐蝕性、密封性等都提出了很高的要求，其中最基本的技術(shù)要求為：(1)蒸汽發(fā)生器及其部件的設(shè)計(jì)，必須供給核電站在任何運(yùn)行工況下所需的蒸汽量及規(guī)定的蒸汽參數(shù)。只有滿足這個(gè)要求才能保證電站在任何負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。(2)蒸汽發(fā)生器的容量應(yīng)該最大限度地滿足功率負(fù)荷的需要，而且要求隨著單機(jī)容量的增加，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到相應(yīng)改善。(3)蒸汽發(fā)生器的所有部件應(yīng)該絕對(duì)地安全可靠。(4)蒸汽發(fā)生器單個(gè)零、部件的裝配必須保證在密封面上排除一回路工質(zhì)漏入二回路中去的可能性。(5)必須排除加劇腐蝕的任何可能性，特別是一回路中的腐蝕。(6)蒸汽發(fā)生器必須產(chǎn)生必要純度的蒸汽，以保證蒸汽發(fā)生器在高溫下可靠地運(yùn)行，并保證汽輪機(jī)也可靠而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。(7)蒸汽發(fā)生器應(yīng)設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單緊湊，便于安裝使用，同時(shí)易于發(fā)現(xiàn)故障而及時(shí)排除，并有可能徹底疏干。(8)保證蒸汽發(fā)生器具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器時(shí)，要考慮一、二回路兩種工質(zhì)的種類和參數(shù)，正確地選擇結(jié)構(gòu)方案、材料、傳熱管尺寸、傳熱系數(shù)以及冷卻劑等。另外，必須采取減少向外散熱損失的措施。三、蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)與計(jì)算蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)計(jì)算包括熱力計(jì)算、水動(dòng)力計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。熱力學(xué)計(jì)算主要通過傳熱學(xué)知識(shí)計(jì)算傳熱管傳熱面積，然后與管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合可以得到傳熱管長(zhǎng)度、管束直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。強(qiáng)度計(jì)算通過壓力校驗(yàn)等用于選取蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)材料、確定結(jié)構(gòu)尺寸等。蒸汽發(fā)生器中要通過強(qiáng)度計(jì)算得出的參數(shù)有傳熱管、上下筒體、球形下封頭管板等的壁厚。在強(qiáng)度計(jì)算得出參數(shù)后要留取一定余量，以滿足變工況下出現(xiàn)超壓情況的需求。水動(dòng)力計(jì)算是最后一步，因?yàn)橹挥薪Y(jié)構(gòu)尺寸確定，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已知的情況下水力情況才得以確定。水力計(jì)算包括一回路水阻力計(jì)算、二回路水循環(huán)阻力計(jì)算、運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算等。其中一回路水阻力計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單主要包括單相水U型管管內(nèi)摩擦阻力和局部阻力兩項(xiàng)；二回路水循環(huán)阻力計(jì)算及運(yùn)動(dòng)壓頭計(jì)算比較復(fù)雜。因?yàn)檎羝l(fā)生器內(nèi)二回路側(cè)流體的水力特性取決于流體工質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)、流道的結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，以及工質(zhì)的流動(dòng)形式。而且計(jì)算過程誤差較大，往往需要在試驗(yàn)中進(jìn)一步修正。二回路水循環(huán)阻力包括下降空間阻力、上升空間阻力、汽水分離器阻力等。而上升空間阻力又包括摩擦阻力、局部阻力、彎管區(qū)阻力、加速阻力、流量分配孔阻力五項(xiàng)。設(shè)計(jì)中常用圖解法來確定循環(huán)倍率，即先假設(shè)幾個(gè)不同的循環(huán)倍率分別計(jì)算其運(yùn)動(dòng)壓頭和總阻力，在直角坐標(biāo)系作出相應(yīng)曲線，兩根曲線交點(diǎn)即為穩(wěn)定工況的循環(huán)倍率值。循環(huán)倍率值一般取2~5為宜，其值過小會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化，腐蝕加劇等；而過大則會(huì)增大汽水分離器負(fù)荷，使蒸汽干度降低，危機(jī)汽輪機(jī)安全。計(jì)算過程中水力計(jì)算是在結(jié)構(gòu)選型和熱力計(jì)算之后進(jìn)行，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算又需要水力計(jì)算數(shù)據(jù)，因此三者往往要反復(fù)交替進(jìn)行，以使設(shè)計(jì)逐步完善。四、目的和要求： 運(yùn)用“核動(dòng)力設(shè)備”課中所學(xué)的知識(shí)，并加以鞏固、充實(shí)和提高。 掌握蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法。 具有初步綜合考慮蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。 培養(yǎng)學(xué)生查閱資料，合理選擇和分析數(shù)據(jù)的能力，提高學(xué)生的運(yùn)算、繪圖等基本技能。 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)問題的嚴(yán)肅認(rèn)真和負(fù)責(zé)態(tài)度。五、任務(wù)：完成蒸汽發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)與論證 完成蒸汽發(fā)生器的熱力計(jì)算 完成蒸汽發(fā)生器的水動(dòng)力計(jì)算 完成蒸汽發(fā)生器的強(qiáng)度計(jì)算 完成蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 繪制蒸汽發(fā)生器的總圖 編寫設(shè)計(jì)說明書。第二章 課程設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容一、給定條件 蒸汽產(chǎn)量：D=126kg/s； 蒸汽干度：x=； 蒸汽發(fā)生器的熱效率：； 一回路側(cè)額定工作壓力：MPa； 一回路側(cè)設(shè)計(jì)壓力： 一回路側(cè)冷卻劑入口溫度；℃ 一回路側(cè)冷卻劑出口溫度；℃； 二回路側(cè)給水溫度：℃ 二回路側(cè)額定工作壓力：MPa；二回路側(cè)設(shè)計(jì)壓力：1傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)： W/m℃1傳熱管壁許用應(yīng)力： kg/mm2；1下筒體許用應(yīng)力： kg/mm2；1上筒體許用應(yīng)力： kg/mm2；1球形下封頭許用應(yīng)力： kg/mm2；1管板許用應(yīng)力： kg/mm2；1傳熱管最小節(jié)距：，~；1上筒體內(nèi)徑3200 mm，高度4000 mm。1下降空間： (1)入口阻力系數(shù)=1；(2)出口阻力系數(shù)=1；(3)定位裝置阻力系數(shù)=1；(4)絕對(duì)粗糙度= mm。流量分配管板：(1) 單元面積=533 mm2。 (2)單元開孔面積=216 mm2。二、蒸汽發(fā)生器的熱力計(jì)算 完成一回路冷卻劑對(duì)傳熱管內(nèi)壁的強(qiáng)迫對(duì)流放熱計(jì)算，確定值： 完成傳熱管壁的導(dǎo)熱計(jì)算，確定管壁熱阻值： 確定污垢熱阻值： 對(duì)于不銹鋼：℃/W 對(duì)于鎳基合金：℃/W 。 完成傳熱管外壁對(duì)二回路工質(zhì)的沸騰換熱計(jì)算，確定值 式中：p—Pa；q— w/m2 完成傳熱系數(shù)k值的計(jì)算： 確定傳熱面積F值： 式中：Q—傳熱量；—傳熱溫差。設(shè)計(jì)傳熱面積 式中：C—設(shè)計(jì)儲(chǔ)備系數(shù)，一般取C=。圖1一回路側(cè)水 力計(jì)算簡(jiǎn)圖三、蒸汽發(fā)生器的水動(dòng)力計(jì)算： 主要包括：一回路側(cè)水動(dòng)力計(jì)算； 二回路側(cè)循環(huán)倍率的計(jì)算：一回路側(cè)水動(dòng)力計(jì)算：計(jì)算的具體步驟：（1） 傳熱管內(nèi)的摩擦阻力（） 式中：—摩擦阻力系數(shù)，按有關(guān)公式或圖表求?。? H—管子長(zhǎng)度，m； di—管子內(nèi)直徑，（m）； — 一回側(cè)路冷卻劑的平均密度，kg/m3； — 一回側(cè)路冷卻劑的平均流速，m/s； （2）、局部阻力：（） 式中：—局部阻力系數(shù)。值主要取決于通道的結(jié)構(gòu)型式，通過實(shí)驗(yàn)求得，屬于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 一回路側(cè)總的局部阻力：其中：①由進(jìn)口管至進(jìn)口水室，通道截然突然擴(kuò)大的局部阻力— ②在進(jìn)口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的局部阻力— ③由進(jìn)口水室至傳熱管束，通道截面突然縮少的局部阻力— 　　④在U型管彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)彎180176。的局部阻力— ⑤由傳熱管束至出口水室，通道截面突然擴(kuò)大的局部阻力— ⑥在出口水室內(nèi)轉(zhuǎn)彎的局部阻力— ⑦由出口水室至出口接管，通道截面突然縮小的局部阻力—