Парогенератор АЭС реактора БН-600

Атомная энергетика
Описание атомной станции малой мощности
Описание реакторной установки
Параметры реакторной установки
Основные решения по конструкции активной зоны
Парогенератор обеспечивает выработку пара
Компенсатор давления
Описание систем реакторной установки
Системы аварийной остановки реактора
Система аварийного охлаждения активной зоны
Локализующие системы безопасности
Обеспечивающие системы безопасности
Технологическая схема сборки твэла
Ионизирующие излучения
Принцип работы атомных электрических станций
Надежность АЭС
Реакторы типа РБМК-1000
Реакторы типа ВВЭР
(водо-водяные энергетические реакторы)
Принцип работы теплоэлектрических
преобразователей
Характеристики
современных термоэлектропреобразователей
.
Проект второй очереди Нововоронежской АЭС
Повышение безопасности энергоблока №4 НВАЭС
Особенности ядерных реакторов
Основные этапы ядерного топливного цикла

Топливо ядерных реакторов

Парогенератор АЭС реактора БН-600.
Задача: найти расход теплоносителя,
тепловую мощность
Задача: рассчитать толщину стенок труб
теплопередающей поверхности
Задача: рассчитать геометрические
размеры парогенератора.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ТИПЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Парогенератор.

Гидроэлектрические станции
 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

Задача: рассчитать толщину стенок труб теплопередающей поверхности, число труб теплопередающей поверхности, найти коэффициент теплопередачи экономайзерного, испарительного и пароперегревательного участков, площади теплопередающей поверхности пароперегревателя и общую длину труб теплопередающей поверхности парогенератора.

Выбор материала труб теплопередающей поверхности

Проводится с учетом возможной максимальной температуры стенки (tМАКСст t2=) и взаимодействия сплава с материалом труб, а также с учетом образования отложений примесей воды на теплопередающей поверхности; для труб и других конструкционных элементов модулей испарителя выбрана сталь 12Х18Н10Т.

Выбор материала труб теплопередающей поверхности

3.2.Выбор наружного диаметра и расчет толщины стенки труб теплопередающей поверхности.

Наружный диаметр труб (dн) выбираем из диапазона рекомендуемых значений (см. лекции) dн=16мм.

 Толщина стенки рассчитывается по формуле

где

 -расчетное давление =

 Для стали 12Х18Н10Т при температуре  463,8=98,2 МПа;

 коэффициент прочности  

С=С1+С2+С3+С4, где С1=прибавка на минусовый допуск на толщину стенки.

С1=

С2=0,06-прибавка на коррозию;

С3=0-утолщение стенки по технологическим соображениям;

С4=0,074мм-прибавка на утонение стенки в месте изгиба при овальности 12%;

Тогда

Ближайшая большая толщина стенки по ГОСТ равна =1,4мм=1,4

Внутренний диаметр трубы:

 

Определение числа модулей испарителя и числа труб в модуле.

Площадь проходного сечения одной трубы теплопередающей поверхности

fТ.Р.=

Предварительно выбираем скорость воды на входе в экономайзерный участок испарителя

  Тогда число труб испарителя 

 

Принимаем число труб 939.

Для определения числа модулей принимаем следующие условия: наружный диаметр корпуса модуля не должен быть больше 0,6-0,65 м; трубы в трубной доске и в межтрубном пространстве располагаются по сторонам правильных шестиугольников с шагом:

  Число труб при полном заполнении трубной доски:

Число модулей испарителя:  

Принимаем число модулей испарителя 3.

Если расстояние между осью крайней трубы и внутренней поверхностью кожуха принять

0,5s, то внутренний диаметр кожуха будет равен:

Число труб в модуле при размещении их по сторонам правильных шестиугольников:

  Зная расход смеси через модуль можно определить скорость в межтрубном пространстве для принятой скорости воды и геометрии межтрубного пространства.

Живое сечение межтрубного пространства:

 

Скорость сплава на выходе из экономайзерной части испарителя

Так как скорость теплоносителя не должна превышать 3 м/с, то делаем обратный расчет.

Увеличиваем число модулей до 6.

Если расстояние между осью крайней трубы и внутренней поверхностью кожуха принять

0,5s, то внутренний диаметр кожуха будет равен:

Число труб в модуле при размещении их по сторонам правильных шестиугольников:

  Зная расход смеси через модуль можно определить скорость в межтрубном пространстве для принятой скорости воды и геометрии межтрубного пространства.

Живое сечение межтрубного пространства:

 

Скорость сплава на выходе из экономайзерной части испарителя

3.4. Характеристики модуля испарителя

 Тепловая мощность модуля

Расход воды через модуль: 

Расход сплава через модуль:

Число труб в модуле: 157 шт.

Живое сечение труб:  м2.

Живое сечение межтрубного пространства: .

3.5. Разбивка испарителя на участки.

Разбивка испарителя на участки При тепловом расчете испарителя необходимо учитывать разную интенсивность и закономерность теплоотдачи  от стенки к рабочему телу. Площадь теплопередающей поверхности рассчитывают отдельно для следующих участков:

 участок с турбулентным движением некипящей воды (участок I);

 участок с турбулентным движением воды, недогретой до , но с кипением на поверхности стенки (участок II);

 участок развитого пузырькового кипения воды, имеющей температуру   (участок III);

 участок с ухудшенной теплоотдачей при кипении (участок IV);

 

3.6. Расчет количества тепла, передаваемого воде на экономайзерном участке I, и температуры, при которой начинается пристеночное кипение недогретой до воды.

На экономайзерном участке испарителя удельный тепловой поток не постоянен. Закон изменения температуры стенки различен на участках 0-1 и 1-2. Для сечения 1 можно записать следующие два уравнения:

  

(БК - без кипения участок (участок 0-1); ПК - поверхностное кипение недогретой до воды (участок 1-2)

Так как  и  то для сечения 1:

. Для записать следующую зависимость:

где  и   - температура сплава и воды в сечении 1. Тогда

.

На экономайзерном участке коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи изменяются незначительно. Поэтому можно использовать их значения, рассчитанные по средним температурам для всего экономайзерного участка испарителя:  

 Для расчета коэффициента теплоотдачи  =  может быть использована формула:

 

Тогда получим

или

 

Очевидны следующие соотношения:

С учетом их можно написать:

Перепишем это уравнение следующим образом:

Подставив сюда известные значения температур, получим:

или

Обозначим

Тогда = Для решения этого уравнения надо рассчитать коэффициенты теплопередачи  и теплоотдачи

3.7. Расчет коэффициента теплопередачи на экономайзерном участке испарителя.

Так как  то коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

() с учетом сопротивления окисных пленок.

Количество тепла, передаваемое на экономайзерном участке в одном модуле:

Расчет средних температур теплоносителя и рабочего тела.

Водяной эквивалент теплоносителя:

Водяной эквивалент рабочего тела:

Среднелогарифмический температурный напор:

где

Так как >, то средняя температура теплоносителя

  средняя температура воды =415-95,74=272,5

Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы.

Физические параметры сплава при :

плотность кг/м3;

теплоемкость кДж/();

коэффициент теплопроводности

вязкость

коэффициент температуропроводности

число Прандтля

Скорость сплава

эквивалентный диаметр:

 

критерий Пекле

критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи

термическое сопротивление

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде ().

Физические параметры воды при  

Удельный объем

Коэффициент теплопроводности

Вязкость

Число Прандтля

Скорость воды  

критерий Рейнольдса

  коэффициент теплоотдачи (формула (6,4) в [1]) при Сt=1 и Сl=1

термическое сопротивление

Термическое сопротивление стенки трубы и окисных пленок. Так как , то предварительно принимаем

Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т при температуре   термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем одинаковым (§8,1 в [1])

Коэффициент теплопередачи

Проверка принятой температуры стенки

Расхождение между принятой и расчетными температурами стенки:

Так расхождение больше 3 %, то уточним температуру стенки:

 =

Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т при температуре  термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем равным

Коэффициент теплопередачи

Проверка принятой температуры стенки

Расхождение между принятой и расчетными температурами стенки:

3.8. Графическое решение уравнения

 = 

Подставив значения и в выражения для и , получим

Рис.3 Графическое определение начала кипения недогретой до воды

Графическое решение уравнения  представлено на рис.3. Из рисунка следует, что =0,655; =0,655 , т.е. в условиях пристеночного кипения недогретой до воды на экономайзерном участке испарителя передается 34,5% тепла (); без кипения передается 65,5% тепла ():

==0,655

=

3.9. Определение температуры воды при которой наступает пристеночное кипение, и соответствующей ей температуры сплава

Уравнение теплового баланса первого участка экономайзера (участок I на рис. 2):

Откуда

Энтальпии соответствует температура воды 299,35, т.е. температура на выходе из первого участка экономайзера:

Уравнение теплового баланса для теплоносителя:

откуда

Расчет паросодержания , при котором начинается ухудшенная теплоотдача при кипении:

Количество тепла, которое передается на испарительном участке в условиях развитого пузырькового кипения:

Количество тепла, передаваемое на участке с ухудшенной теплоотдачей:

Температура сплава в сечении модуля испарителя, где начинается ухудшение теплоотдачи при кипении:

3.11. Расчет площади теплопередающей поверхности первого экономайзерного участка (участок I на рис.2).

;

Большая разность температур:

Меньшая разность температур: 

Отношение /

Средний температурный напор:

Средняя температура калия и воды:

 

=362,085-110,8 = 251,285

Расчет коэффициента теплоотдачи от калия к стенке трубы. Физические параметры калия при :

плотность кг/м3;

теплоемкость кДж/();

коэффициент теплопроводности

вязкость

коэффициент температуропроводности

число Прандтля

Скорость калия

эквивалентный диаметр:

 

критерий Пекле

критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи

термическое сопротивление

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде ().

 Физические параметры воды при и  

Удельный объем  

Коэффициент теплопроводности

Вязкость

Число Прандтля

Скорость воды  

критерий Рейнольдса

  коэффициент теплоотдачи (формула (6,4) в [1]) при Сt=1 и Сl=1

термическое сопротивление

Термическое сопротивление стенки трубы и окисных пленок. Так как , то предварительно принимаем

Коэффициент теплопроводности стали 10Х18Н10Т при температуре   термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок:

Коэффициент теплопередачи

Проверка принятой температуры стенки

Расхождение между принятой и расчетными температурами стенки:

Так расхождение больше 3 %, то уточним температуру стенки: 

 ==361,73

Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т при температуре  термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем равным

Коэффициент теплопередачи

Проверка принятой температуры стенки

Расхождение между принятой и расчетными температурами стенки:

Теплопередающая (расчетная) поверхность первого участка экономайзера

3.12. Расчет площади теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка (участок II на t-Q диаграмме (рис.2)):

   

Так как коэффициент теплоотдачи при кипении недогретой воды обычно относится к разности температур , то в качестве расчетной температуры рабочего тела для всего участка принимаем 

Большая разность температур:

Меньшая разность температур: 

, то средний температурный напор на участке:

Средняя температура калия:

Расчет коэффициента теплоотдачи от калия к стенке трубы. Физические параметры калия при :

плотность кг/м3;

теплоемкость кДж/();

коэффициент теплопроводности

вязкость

коэффициент температуропроводности

число Прандтля

Скорость калия

эквивалентный диаметр:

  

критерий Пекле

критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи

Термическое сопротивление

Термическое сопротивление стенки трубы:

Термическое сопротивление окисных пленок:

Так как температурный напор на участке изменяется незначительно, то коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде рассчитывается для всего участка по среднему температурному напору.

 Расчет . Расчетная формула (6,26 в [1]) с поправочным коэффициентом для кипения недогретой воды 0,7:

Принимаем тогда

термическое сопротивление стенки

Коэффициент теплопередачи:

Проверка ранее принятого удельного теплового потока:  

Так как ,(меньше 3%) принимаем

Площадь теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка: (расчетная)

3.13. Расчет площади теплопередающей поверхности первого испарительного участка модуля испарителя (участок III на t-Q – диаграмме ПГ, см. рис.2):

Большая разность температур:

Меньшая разность температур: 

, то средний температурный напор для участка:

Поскольку температурный напор и, следовательно, удельный тепловой поток, изменяются значительно, то коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде и коэффициент теплоотдачи рассчитываются раздельно на границах участках. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы рассчитывается по средней температуре калия на участке и принимается одинаковым для всего участка. Средняя температура калия на участке

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от калия к стенке (по методике в п. 2.5.7.):

 Физические параметры калия при :

плотность кг/м3;

коэффициент теплопроводности

коэффициент температуропроводности

число Прандтля

Скорость калия

критерий Пекле

критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи

термическое сопротивление

Температура стенки (в сечении, где температура равна ) принимается ориентировочно:

Теплопроводность стали 10Х18Н10Т при данной температуре равна

Термическое сопротивление стенки:

Термическое сопротивление окисных пленок:

Сумма термических сопротивлений:

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде на границе участка 2: ; паросодержание х=0 – начало развитого пузырькового кипения. Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле (6,26) в [1], с поправочным коэффициентом 0,7:

Первое значение удельного теплового потока q для расчета методом последовательных приближений может быть взято из диапазона, тогда принимаем 

Полное термическое сопротивление:

Коэффициент теплопередачи:

Удельный тепловой поток: Так как

Имеем, повторяем расчет.

Второе значение удельного теплового потока q для расчета методом последовательных приближений принимаем 

Полное термическое сопротивление:

Коэффициент теплопередачи:

Удельный тепловой поток: Так как

Имеем поэтому принимаем

Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи на границе участка 3. В сечении 3 при паросодержании х<хгр имеет место развитое пузырьковое кипение. При развитом пузырьковом кипении коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

В свою очередь,

Рассчитываем - теплоотдачу к воде при

Физические параметры воды при :

Скорость воды (скорость циркуляции)

Число Рейнольдса

Коэффициент теплоотдачи

Рассчитываем - коэффициент теплоотдачи при кипении оды в трубах (6,26 в [1]):

Выбираем q из диапазона:

  Принимаем тогда Отношение  откуда

.

Приведенная скорость смеси

Комплекс

Отношение поэтому окончательно принимаем

отношение потому

Расчетная теплопередающая поверхность третьего участка испарителя (для всех модулей):

3.14.Расчет площади теплопередающей поверхности участка испарителя с ухудшенной теплоотдачей (участок IV на t-Q диаграмме ПГ):

 Большая разность температур:

Меньшая разность температур: 

, поэтому средний температурный напор:

Средняя температура калия на участке:

Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы. Физические параметры калия при :

плотность кг/м3;

коэффициент теплопроводности

коэффициент температуропроводности

число Прандтля

Скорость калия

эквивалентный диаметр:

 

критерий Пекле

критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи

термическое сопротивление

Средняя температура стенки трубы:

Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т при равен 21, 91 Вт/м*К.

Термическое сопротивление стенки трубы:

Термическое сопротивление окисных пленок

Предполагаем, что примеси, которые содержатся в питательной воде и не уносятся паром, равномерно откладываются на стенке трубы участка с ухудшенным теплообменом. Принимаем: максимальная толщина отложений 0,1 мм; коэффициент теплопроводности отложений 0,5 Вт/(м*К), тогда термическое сопротивление отложений:

Сумма термических сопротивлений:

Коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу определяется по номограмме рис.6.8 в [1] . Согласно номограмме,

где

Удельный тепловой поток ориентировочно выбирается из интервала

Принимаем , тогда =3,3 Вт/м*К

Отношение поэтому окончательно принимаем

3.15.Определяем общую площадь теплопередающей поверхности и длину труб испарителя.

Расчетная площадь теплопередающей поверхности испарителя

Теплопередающая поверхность испарителя с 10%-ным запасом:

Общая длина труб модулей испарителя

Длина одной трубы модуля испарителя:

Так как длина трубы превышает допустимое значение, то ведем пересчет, уменьшая термическое сопротивление окисных плёнок до Rok=2

Расчет площади теплопередающей поверхности первого экономайзерного участка (участок I на рис.2).

термическое сопротивление 

термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем равным

термическое сопротивление  

Коэффициент теплопередачи

Расчет  площади теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка (участок II на t-Q диаграмме (рис.2))

Термическое сопротивление  

Термическое сопротивление стенки трубы:

Термическое сопротивление окисных пленок:

термическое сопротивление

Коэффициент теплопередачи:

Площадь теплопередающей поверхности второго экономайзерного участка: (расчетная)

Расчет площади теплопередающей поверхности первого испарительного участка модуля испарителя (участок III на t-Q – диаграмме ПГ, см. рис.2):

термическое сопротивление

термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем равным

термическое сопротивление 

Полное термическое сопротивление:

Коэффициент теплопередачи:

 

Расчетная теплопередающая поверхность третьего участка испарителя (для всех модулей):

Расчет площади теплопередающей поверхности участка испарителя с ухудшенной теплоотдачей (участок IV на t-Q диаграмме ПГ):

термическое сопротивление 

термическое сопротивление стенки

термическое сопротивление отложений

Термическое сопротивление окисных пленок на наружной и внутренней поверхности трубы принимаем равным

Сумма термических сопротивлений:

термическое сопротивление

Полное термическое сопротивление:

Определяем общую площадь теплопередающей поверхности и длину труб испарителя.

Расчетная площадь теплопередающей поверхности испарителя

Теплопередающая поверхность испарителя с 10%-ным запасом:

Общая длина труб модулей испарителя

Длина одной трубы модуля испарителя:

Атомная энергетика