压水堆核电厂二回路热力系统初步设计说明书

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专业课程设计说明书

压水堆核电厂二回路热力系统初步设计

班级：20231513

学号：2023151327

姓名：朱智强

指导老师：王贺

核科学与技术学院

2023年6月

目录

摘要2

1设计内容及要求2

2热力系统原则方案确定3

2.1总体要求和已知条件3

2.2热力系统原则方案3

2.3主要热力参数选择4

3热力系统热平衡计算10

3.1热平衡计算方法10

3.2热平衡计算模型10

3.3热平衡计算流程14

3.4计算结果及分析15

4结论15

附录16

附表1已知条件和给定参数16

附表2选定的主要热力参数汇总表17

附表3热平衡计算结果汇总表24

附图原则性热力系统图25

第六级抽汽比焓：hhes,6=2573.00kJ/kg

第七级抽汽压力：phes,7=2.3854MPa第七级抽汽干度：xhes,7=91.57%

第七级抽汽比焓：hhes,7=2645.41kJ/kg

2）两级再热器用于加热的抽汽参数

第一级再热器抽汽压力：prh1,hs=2.6MPa第一级再热器抽汽干度：xrh1,hs=92.14%

第一级再热器抽汽比焓：hrh1,hs=2658.56kJ/kg

其次级再热器抽汽压力：prh2,hs=5.7MPa其次级再热器抽汽干度：xrh2,hs=99.55%

其次级再热器抽汽比焓：hrh1,hs=2780.57kJ/kg

3．热力系统热平衡计算

3.1热平衡计算方法

进行机组原则性热力系统计算采用常规计算法中的串联法，对凝汽式机组采用“由高至低〞的计算次序，即从抽汽压力最高的加热器开始计算，依次逐个计算至抽汽压力最低的加热器。这样计算的好处是每个方程式中只出现一个未知数，适合手工计算。热力计算过程使用的基本公式是热量平衡方程、质量平衡方程和汽轮机功率方程。

3.2热平衡计算模型

(1)蒸汽发生器总蒸汽产量的计算

已知核电厂的输出电功率为Ne，假设电厂效率为η则反应堆功率为

e,NPP

（第一次取0.33）,

QR?Ne（MW）?e,NPP通过对蒸汽发生器列质量守恒与热量守恒方程，可求蒸汽发生器的蒸汽产量为：

Ds?QR?1*1000（kg/s）

(hfh?hs')?(1??d)(hs'?hfw)式中,η1——一回路能量利用系数，取0.993；

hfh——蒸汽发生器出口新蒸汽比焓，kJ/kg；

hsˊ——蒸汽发生器运行压力下的饱和水焓，kJ/kg；hfw——蒸汽发生器给水比焓，kJ/kg；

ξd——蒸汽发生器排污率，取为新蒸汽产量的1.05%.

（2）蒸汽发生器给水流量计算

10

Gfw?(1??d)?Ds（kg/s）

（3）给水泵有效输出功率计算

Nfwp，p?1000GfwHfwp?fwKW

式中：Gfw——给水泵的质量流量，kg/s；

Hfwp——给水泵的扬程，MPa；（近似取进出口压差7.2-0.735=6.465MPa）ρfw——为给水的密度，kg/m3(出口的比容为0.0011046m3/kg)

（4）给水泵汽轮机理论功率计算

Nfwp,t???Nfwp,pfwp,pfwp,tifwp,tmfwp,tg????

式中：ηfwp,p——汽轮给水泵组的泵效率；（取0.58）

ηfwp,ti——给水泵组汽轮机内效率；（取0.81）ηfwp,tm——给水泵组汽轮机机械效率；（取0.9）ηfwp,tg——给水泵组汽轮机减速器效率；（取0.98）

（5）给水泵汽轮机耗汽量计算

Gfwp,s?Nfwp,tHfh?Hh,z

式中：Hfh——为新蒸汽比焓

Hh,z——为高压缸理想排汽比焓

（6）低压给水加热器抽汽量计算

假设凝水量Gcd(根据参考数据，第一次取1000，然后每隔1向上累加迫近进行迭代)的数值，然后通过热量守恒方程即可确定各低压给水加热器的抽汽量，现将其表达式列如其下：

第四级：Gles,4??hfwGcd

?h?Hc(4)?Hw(4)?第三级：Gles,3?Δhfw(Gcd?ηhGles,4)ηh(Ηc(3)?Ηw(3))

其次级：Gles,2?Δhfw(Gcd?ηh(Gles,4?Gles,3))ηh(Ηc(2)?Ηw(2))

第一级：Gles,1?Δhfw(Gcd?ηh(Gles,4?Gles,3?Gles,2))ηh(Ηc(1)?Ηw(1))

11

式中：Gles,i——第i级低压加热器的抽汽量，kg/s；

Δhfw——每级加热器的平均焓升，kJ/kg；（等于111.03kJ/kg）

ηh——加热器效率(取0.99)；

Hc(i)——第i级加热器抽汽比焓，kJ/kg；Hw(i)——第i级加热器疏水比焓，kJ/kg。

（7）低压缸耗气量计算

通过质量守恒方程可以确定低压缸的耗汽量：

Gs,lp?Gcd??dDs（排污损失通过均衡水柜补充给冷凝器）

（8）再热器加热蒸汽量计算

通过热平衡方程可以确定再热蒸汽的加热蒸汽量：

第一级：Gs,rh1?Gs,lpΔhrhηh(Hzc,1-Hzs,1)Gs,lpΔhrhηh(Hzc,2-Hzs,2)

其次级：Gs,rh2?

式中：Gs,rh1——第一级再热器加热蒸汽量，kg/s；

Gs,rh2——其次级再热器加热蒸汽量，kg/s；Δhrh——再热器平均焓升，kJ/kg；（等于109.28kJ/kg）Hzc,i——第i级再热器加热蒸汽的焓值，kJ/kg；Hzs,i——第i级再热器疏水焓值，kJ/kg。

（9）高压给水加热器抽汽量计算

通过热量平衡的方法确定：

Ghes,2?GfwΔhfw?ηhGs,rh2(Hzs,2?Hw(7))ηh(Hc(7)?Hw(7))

Ghes,1?GfwΔhfw?ηh((Ghes,2?Gs,rh2)(Hw(7)-Hw(6))?Gs,rh1(Hzs,1-Hw(6)))ηh(Hc(6)?Hw(6))式中：Ghes,i——第i级高压加热器的抽汽量，kg/s;

Δhfw——每级加热器的平均焓升，kJ/kg；

（10）汽水分开器疏水流量计算

利用蒸汽质量守恒方程即可求得：

gs,dea?Gs,lp(xrh1,i?xsp,i)xsp,i12

式中：gs,dea——分开器至除氧器的疏水流量，kg/s;

Gs,lp——低压缸的耗气量，kg/s；xrh1,i——第一级再热器的进口干度；xsp,i——汽水分开器的进口干度。

（11）除氧器耗气量计算

利用热量守恒方程计算：

Gs,dea?Gfwhdeao?gs,deahsp,i?Gcdhlfwo,4?(Ghes,1?Ghes,2?Gs,rh1?Gs,rh2)Hw(6)hh,z式中：hdeao——除氧器出口给水比焓，kJ/kg；

hsp,i——汽水分开器疏水焓值，kJ/kg；（p=0.719MPa查表）hlfwo,4——第四级加热器出口给水焓值，kJ/kg；Hw(6)——第六级加热器出口疏水比焓，kJ/kg；hh,z——高压缸出口蒸汽比焓，kJ/kg。

（12）高压缸出口排气总流量计算

利用质量守恒可以求得：

Gt?Gs,dea?Gs,lpxrh1,ixh,z?Gfwp,s

式中：Gt——高压缸出口排气总流量，kg/s;

xrh1,i——第一级再热器进口蒸汽干度；xh,z——高压缸出口排气干度。

（13）高压缸耗气量计算

利用能量守恒方程，同时考虑到高压缸内的焓降约占整个机组焓降的40%(此处为其次个限制条件，确定Gcd的循环标准，若用12步里的公式求下去，则Gcd不会变化)，由此可得：

(Gt(hh,i?hh,z)?Ghes,1(hh,i?Hc(6))?Ghes,2(hh,i?Hc(7))?Gs,rh1(hh,i?Hzc,1))?40%Ne/(?m?ge)且Gt?Ghes,1?Ghes,2?Gs,rh1?Gs,hp则有

Gs,hp?40%Ne/(?m?ge)?Ghes,1(hh,i?Hc(6))?Ghes,2(hh,i?Hc(7))?Gs,rh1(hh,i?Hzc,1))hh,i?hh,z（取m——汽轮机组机械效率；

?Ghes,1?Ghes,2?Gs,rh1式中：η

0.985）

ηge——发电机效率；（取0.99）

hh,i——高压缸进口蒸汽焓值，kJ/kg；hh,z——高压缸出口蒸汽焓值，kJ/kg。

13

（14）对假设冷凝水流量的验证判断

对除氧器运用质量守恒方程，可以得到冷凝水的流量，如下式：

Gcd?Gfw?(Ghes,1?Ghes,2+Gs,rh1?Gs,rh2)?gs,dea?Gs,dea

将由上式得到的Gcd数值与步骤（6）中假设的Gcd数值进行比较，若相对误差大于1%，则返回步骤（6）进行迭代计算，直到满足精度要求为止。

（15）二回路系统总蒸汽耗量计算

同样运用质量守恒方程亦可以确定出二回路系统总的新蒸汽耗量，如下式：

Gfh?Gs,rh2?Gs,hp?Gfwp,s

（16）对假设核电厂效率的验证判断

根据（15）步求得的总蒸汽耗量，可以计算得到反应堆热功率，如下式：

QR'?Gfh(hfh?hfw)??dGfh(hs'?hfw)

?1进而可以求出核电厂的效率：

?e,NPP'?NeQR''将计算得到的核电厂效率ηe,NPP’与步骤（1）中初始假设的核电厂效率ηe,NPP

进行比较，若绝对误差大于0.1%，则返回步骤（1）进行迭代计算，直到满足精度的要求为止。

3.3热平衡计算流程

14

图：热力计算的一般流程

3.4计算结果及分析

本次热力计算得到的核电厂的效率ηe,NPP=32.25%，与实际核电厂效率相近。当然这也不是完全与实际一致的计算，区别在于：1、管道压损没考虑完全，并且在管道中认为汽的焓值不变。2、蒸汽发生器的压力比实际核电站的运行压力要低大量，会导致给水吸热温度较低。3、排污水的损失也有热损失，而且补水的焓值没有计算。4、系统自身的能量消耗与散热，譬如管道设备的散热，阀件的少许泄露，亦会造成核电厂效率的偏低。5、参数选得不同，也会对计算结果产生影响。

通过计算可以确定高压缸和低压缸发出的实际功率为1008.077MW，有0.8％的误差，其原因是：1、所有的数据都不够确切，故而会造成误差。2、凝水泵和给水泵对水的参数会有影响，计算中只考虑了压强变化，而没有考虑焓的变化；管道内的压损亦是如此。3、迭代也有精度的偏差，而不是完全相等。综和以上因素，0.8％的误差在允许范围内。

计算得到的其他参数，高压缸的排气干度为86.32%，低压缸的排气干度为90.35%，均大于86%，满足汽轮机的工作要求。

计算得到的低压加热器的加热蒸汽量数值在50左右，高压加热器的加热蒸汽量数值在90到100之间，除氧器的加热蒸汽量数值为50左右，再热器的加热蒸汽量数值在70左右，与参考数据比较接近。

本课程设计采用7级回热的方式，这样可以提高核电厂的循环效率，一般而言回热级数越高，核电厂的循环热效率会随之提高，但是增加的幅度却减少了，同时成本也会增加。这在设计时需要考虑。采用7级回热，是比较合理的。要提高汽轮机高低压缸的相对内效率、采用平均吸热温度较高的中间再热方式、适当的减少给水泵汽轮机的耗气量或者采用其他的带动方式、提高二回路工

15

质的平均吸热温度、降低二回路工质的平均放热温度、适当降低蒸汽发生器的排污量，减少管道设备的压力损失与散热损失，减少除氧器的热量消耗，均可以使核电厂的热效率得到改进。

4.结论

本次课程设计得到的核电厂效率ηe,NPP=32.25%，总蒸汽产量Ds=1659.43kg/s，高压汽轮机的耗气量Gs,hp=1504.23kg/s,低压汽轮机耗气量Gs,lp=1094.59kg/s，给水泵的功率为Nfwp,p=11968.4kW，给水泵的扬程为Hfwp=6.465MPa。高压杆和低压缸实际发出的功率为1008.077MW，在误差范围内。计算得到的各加热器、除氧器、再热器的加热蒸汽流量在合理适当的范围之内。

附录

附表1已知条件和给定参数

序号12345678910项目核电厂输出电功率一回路能量利用系数蒸汽发生器出口蒸汽干度蒸汽发生器排污率高压缸内效率低压缸内效率汽轮机组机械效率发电机效率新蒸汽压损再热蒸汽压损16

符号Neη1xfhξdηh,iηl,iηmηgeΔpfhΔprh单位MW%%%MPaMPa数值10000.99399.751.05%82.0783.590.9850.995%3%、2%、1%11121314151617181920回热抽汽压损低压缸排汽压损高压给水加热器出口端差低压给水加热器出口端差加热器效率给水泵效率给水泵汽轮机内效率给水泵汽轮机机械效率给水泵汽轮机减速器效率循环冷却水进口温度Δpe,jΔpcdθh,uθl,uηhηfwp,pηfwp,tiηfwp,tmηfwp,tgTsw,1MPakPa℃℃℃低压3%高压4%5%320.990.580.810.900.9824

附表2确定的主要热力参数汇总表

序号12345678项目反应堆冷却剂系统运行压力冷却剂压力对应的饱和温度反应堆出口冷却剂过冷度反应堆出口冷却剂温度反应堆进出口冷却剂温升反应堆进口冷却剂温度蒸汽发生器饱和蒸汽压力蒸汽发生器饱和新蒸汽温度符号PcTc,sΔTsubTcoΔTcTciPsTfh单位MPa℃℃℃℃℃MPa℃计算公式或来源选定，15～16查水和水蒸汽表确定选定，15～20Tco=Tc,s?ΔTsub选定，30～40Tci=Tco?ΔTc选定，5.0～7.0ps对应的饱和温度数值15.5344.7918326.7936290.796.0275.639一、二次侧对数平均温差ΔTm℃?Tm?Tco?TciTco?TcilnTci?Ts29.6017

1011121314151617181920212223242526272829冷凝器中循环冷却水温升冷凝器传热端差冷凝器凝结水饱和温度冷凝器的运行压力高压缸进口蒸汽压力高压缸进口蒸汽干度高压缸排汽压力高压缸排汽干度汽水分开器进口蒸汽压力汽水分开器进口蒸汽干度第一级再热器再热器进口蒸汽压力再热器进口蒸汽干度加热蒸汽进口压力加热蒸汽进口干度其次级再热器再热器进口蒸汽压力再热器进口蒸汽温度再热器蒸汽出口压力再热器出口蒸汽温度加热蒸汽进口压力加热蒸汽进口干度低压缸ΔTswδTTcdPcdPh,ixh,iph,zxh,zpsp,ixsp,iprh1,ixrh1,iprh1,hsxrh1,hsprh2,iTrh2,iprh2,zTrh2,zPrh2,hsxrh2,hs℃℃℃kPaMPa%MPa%MPa%MPa%MPa%MPa℃MPa℃MPa%选定，6～8选定，3～10Tcd=Tsw,1+ΔTsw+δTTcd对应的饱和压力Ph,i=Pfh?ΔPfh由热平衡计算选定为13%Ph,i由绝热焓降与内效率计算等于高压缸排气压力等于高压缸排气干度考虑3%的压损由分开器能力决定根据参考资料选定结合内效率可求考虑2%的压损由平均焓升计算考虑压损为1%选定欠热度为14℃压损为5%由热平衡计算75365.9455.799.550.74186.320.74186.320.71999.52.692.140.705207.890.698258.265.799.5518

3031323334353637383940进口蒸汽压力进口蒸汽温度排汽压力排汽干度回热级数低压给水加热器级数高压给水加热器级数第一次给水回热分派其次次给水回热分派高压加热器给水焓升除氧器及低压给水焓升pl,iTl,ipl,zxl,zZZLZHΔhfwΔhfw，hΔhfw，lMPa℃MPa%kJ/kgkJ/kgkJ/kg不考虑压损近似等于Trh2,z等于Pcd/(1-5%)排汽压损5%由绝热焓降与内效率计算选定选定选定0.698258.260.0062690.35742111.03无无?hfw?hfw?hcdZ?hfw,h??hfw,l?hfw?hdea,oZhhdea.o?hcdZl+1低压加热器给水参数第1级进口给水压力第1级进口给水比焓第1级进口给水温度hlfwi,1Tlfwi,1hlfwo,1Tlfwo,1MPakJ/kg℃MPakJ/kg℃℃kJ/kgMPaMPa凝水泵出口压力取除氧器运行压力3.117倍hlfwi,1=hlfwo,0按(pcwp,hlfwi,1)查水蒸汽表考虑等压降hlfwo,1=hlfwi,1+Δhfw按(pcwp,hlfwo,1)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差2℃之和查水蒸汽表查水蒸气表考虑等压降2.291150.7735.501.902261.8062.1764.17268.600.024131.902第1级回热器参数第1级出口给水压力第1级出口给水比焓第1级出口给水温度第1级汽侧疏水温度第1级汽侧疏水比焓第1级汽侧压力第2第2级进口给水压力19

级回热器参数第2级进口给水比焓第2级进口给水温度第2级出口给水压力第2级出口给水比焓第2级出口给水温度第2级汽侧疏水温度第2级汽侧疏水比焓第2级汽侧压力第3级进口给水压力第3级进口给水比焓第3级进口给水温度hlfwi,2Tlfwi,2hlfwo,2Tlfwo,2hlfwi,3Tlfwi,3hlfwo,3Tlfwo,3hlfwi,4Tlfwi,4hlfwo,4kJ/kg℃MPakJ/kg℃℃kJ/kgMPaMPakJ/kg℃MPakJ/kg℃℃kJ/kgMPaMPakJ/kg℃MPakJ/kghlfwi,2=hlfwo,1按(pcwp,hlfwi,2)查水蒸汽表考虑等压降hlfwo,2=hlfwi,2+Δhfw按(pcwp,hlfwo,2)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差2℃之和查水蒸汽表查水蒸汽表考虑等压降hlfwi,3=hlfwo,2按(pcwp,hlfwi,3)查水蒸汽表考虑等压降hlfwo,3=hlfwi,3+Δhfw按(pcwp,hlfwo,3)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差2℃之和查水蒸汽表查水蒸汽表考虑等压降hlfwi,4=hlfwo,3按(pcwp,hlfwi,4)查水蒸汽表考虑等压降hlfwo,4=hlfwi,4+Δhfw261.8062.171.513372.8388.7590.75380.120.072211.513372.8388.751.124483.86115.15117.15491.680.18141.124483.86115.150.735594.89第3极回热器参数第3级出口给水压力第3级出口给水比焓第3级出口给水温度第3级汽侧疏水温度第3级汽侧疏水比焓第3级汽侧压力第4级进口给水压力第4级回热器参数第4级进口给水比焓第4级进口给水温度第4级出口给水压力第4级出口给水比焓20

第4级出口给水温度第4级汽侧疏水温度第4级汽侧疏水比焓第4级汽侧压力4142434445除氧器进口给水比焓除氧器出口给水比焓除氧器出口给水温度除氧器运行压力Tlfwo,4℃℃kJ/kgMPa除氧器按(pcwp,hlfwo,4)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差2℃之和查水蒸汽表查水蒸汽表141.27143.27603.250.3962hdea,ihdeaTdeapdeakJ/kgkJ/kg℃MPahdea,i?hlfwo,ZL594.89705.92166.950.735hdea=hdea,i+Δhfwhdea对应的饱和水温度Tdea对应的饱和压力高压加热器给水参数取给水泵出口压力为蒸汽发生器压力的1.2倍hhfwi,6=hhfwo,5按(pcwp,hhfwi,6)查水蒸汽表考虑等压降hhfwo,6=hhfwi,6+Δhfw按(pcwp,hhfwo,1)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差3℃之和查水蒸汽表查水蒸汽表等于第6级出口给水压力hhfwi,7=hhfwo,6按(pcwp,hhfwi,7)查水蒸汽表第6级进口给水压力MPa7.2第6级进口给水比焓第6级进口给水温度第6级出口给水压力第6级第6级出口给水比焓第6级出口给水温度第6级汽侧疏水温度第6级汽侧疏水比焓第6级汽侧压力第7级进口给水压力第7级第7级进口给水比焓第7级进口给水温度hhfwi,6Thfwi,6hhfwo,6Thfwo,7hhfwi,7Thfwi,721

kJ/kg℃MPakJ/kg℃℃kJ/kgMPaMPakJ/kg℃705.92166.126.65816.95191.56194.56827.951.3856.65816.95191.56

第7级出口给水压力第7级出口给水比焓第7级出口给水温度第7级汽侧疏水温度第7级汽侧疏水比焓第7级汽侧压力46第6级抽汽压力第6级第6级抽汽干度第6级抽汽比焓第7级抽汽压力第7级第7级抽汽干度第7级抽汽比焓47第1级抽汽压力第1级第1级抽汽干度第1级抽汽比焓第2级抽汽压力第2级第2级抽汽干度第2级抽汽比焓第3级抽汽压力第3级第3级抽汽干度第3级抽汽比焓hhfwo,7Thfwo,7MPakJ/kg℃℃kJ/kgMPa考虑等压降hhfwo,7=hhfwi,7+Δhfw按(pcwp,hhfwo,7)查水蒸汽表出口给水温度与出口端差3℃之和查水蒸汽表查水蒸汽表6.1927.99216.34219.34940.592.290高压缸抽汽参数phes,6xhes,6phes,7xhes,7MPa%kJ/kgMPa%kJ/kg汽侧压力与压损4%之和根据内效率计算查询水蒸汽表汽侧压力与压损4%之和根据内效率计算查询水蒸汽表1.442788.902573.002.385491.572645.41低压缸抽汽参数ples,1xles,1ples,2xles,2ples,3xles,322