核动力装置循环热力分析A-核动力装置

船舶核动力装置

MarineNuclearPowerPlants核科学与技术学院（V2009.04.16）MNPP-C06-L1402-Sep-23《核动力装置》2

6核动力装置循环热力分析6.1核动力装置基本热力循环6.2热力循环分析6.3核动力装置平衡计算6.4分析方法6.5核动力装置的分析6.6核动力装置热力线图分析02-Sep-23《核动力装置》36.1核动力装置基本热力循环研究目的从热力学的角度研究核动力装置能量应用的过程，找出能量损失原因，指出提高核动力装置经济性的途径。依据工程热力学第一、第二定律，核动力装置中各系统和设备之间能量转换、传输的机理以及各系统和设备之间的热力学联系分析方法热平衡分析法、分析法02-Sep-23《核动力装置》4

朗肯（Rankine）循环及装置效率1理想朗肯循环2实际朗肯循环3核动力循环热效率02-Sep-23《核动力装置》5

1理想的朗肯循环过程1-2：定温吸热过程过程2-3：绝热膨胀过程过程3-4：定温放热过程过程4-1：绝热压缩过程由热力学第二定律可知，在相同界限的温度之间，卡诺循环的热效率最高。图6-1饱和蒸汽的卡诺循环02-Sep-23《核动力装置》6

饱和蒸汽卡诺循环实现的困难受热力系统的限制，吸热温度T1不可能很高；饱和蒸汽在汽轮机内膨胀作功时，随着蒸汽压力降低，湿度相应增大，如果汽轮机排汽点温度很低，则相应的蒸汽湿度很大，严重影响汽轮机运行的经济性和安全性；受循环冷却水温度的限制，定温放热过程的温度T2不可能太低。即使实现了以饱和蒸汽为工质的卡诺循环，由于热源与冷源之间的温差T1－T2不大，其理论热效率也不高；对湿度很大的低温低压的乏汽进行绝热压缩时，因其比容甚大，势必耗功过大。02-Sep-23《核动力装置》7

图6-2饱和蒸汽的朗肯循环过程1-2-3：定压吸热过程 过程3-4：绝热膨胀过程过程4-5：定压放热过程 过程5-1：绝热压缩过程02-Sep-23《核动力装置》8

朗肯循环与蒸汽卡诺循环的区别乏汽的凝结是完全的，完全凝结使循环中多了一段不饱和水的加热过程4-5，减小了循环的平均温差，使热效率降低，但压缩水较压缩汽水混合物方便得多，因而有利于简化设备；水的加热不在定温下进行，如果采用过热蒸汽，在过热区加热也不是定温条件，因此，朗肯循环的热效率低于相同温限间工作的卡诺循环。朗肯循环是各种复杂的蒸汽动力装置的基本循环。02-Sep-23《核动力装置》9

朗肯循环效率图6-3理想朗肯循环02-Sep-23《核动力装置》10

2实际的朗肯循环实际装置中各个过程是不可逆的工质流动过程存在能量损失，如蒸汽从蒸汽发生器出口送至主汽轮机入口，有摩擦和散热蒸汽在汽轮机内的膨胀过程存在能量损失，实际过程为3-4a图6-4实际朗肯循环02-Sep-23《核动力装置》11

（1）汽轮机内部膨胀过程的能量损失蒸汽在汽轮机通流部分流动、膨胀，存在着摩擦、泄漏、余速等各种损失使蒸汽在汽轮机内部的焓降减小02-Sep-23《核动力装置》12

汽轮机相对内效率用汽轮机相对内效率表征蒸汽在汽轮机内部膨胀过程的能量损失02-Sep-23《核动力装置》13

（2）管道流动过程的能量损失[主蒸汽系统

]蒸汽发生器出口至汽轮机入口，由于摩擦和散热，使蒸汽参数降低汽轮机排汽口至冷凝器入口，由于摩擦使排汽参数升高降低了蒸汽的做功能力，使输出功率减少02-Sep-23《核动力装置》14

管道损失系数用管道损失系数表征蒸汽在进入汽轮机以及从汽轮机流出过程的能量损失管道损失系数的取值范围一般为0.95~0.9802-Sep-23《核动力装置》153核动力装置的效率核动力装置中的能量转换和传递过程：核裂变能→热能→机械能→电能热能转换为机械能是通过朗肯循环实现的；热量传递过程中存在着泄漏、流动摩擦、散热等因素，导致能量损失；机械能在传递过程中由于摩擦等原因也存在着能量损失；核动力装置效率用于衡量反应堆的热功率有多少转换为送到推进器上的机械能，即能量利用的有效程度02-Sep-23《核动力装置》16

（1）热量传递过程－1QRQs一回路能量利用系数02-Sep-23《核动力装置》17

（1）热量传递过程－2QsQ1二回路能量利用系数02-Sep-23《核动力装置》18（2）热功转换过程q1wt汽轮机的内功率02-Sep-23《核动力装置》19

（3）机械能传递过程图6-5汽轮机功率传递过程02-Sep-23《核动力装置》20核动力装置的效率核潜艇：0.16~0.21核动力水面舰艇：0.20~0.26小型核电站：0.25~0.28大型核电站：0.30~0.3502-Sep-23《核动力装置》216.2热力循环分析6.2.1影响热力循环效率的主要因素6.2.2再热循环6.2.3回热循环6.2.4核动力装置热力线图02-Sep-23《核动力装置》226.2.1影响热力循环效率的主要因素蒸汽初参数提高，则热力循环的平均吸热温度提高，可以提高循环热效率1蒸汽初参数的影响02-Sep-23《核动力装置》23

提高蒸汽初参数的不利影响汽轮机出口蒸汽湿度增加。如果汽轮机排汽湿度过大，将对汽轮机最末几级叶片产生冲蚀，影响汽轮机的运行安全，同时还会降低汽轮机的内效率。在工程中，一般要求汽轮机乏汽湿度不高于12%。蒸汽发生器运行压力提高，要求给水泵扬程增加，既增大了给水泵叶轮的轴向推力，对于单位质量流量的工质而言，还使给水泵消耗的功率增加。对蒸汽发生器、汽轮机、蒸汽管道及阀门的强度、耐温性能要求提高，设备投资增大。02-Sep-23《核动力装置》24

图6-7蒸汽发生器一、二次侧工质温度分布02-Sep-23《核动力装置》25

一、二回路参数的相互制约02-Sep-23《核动力装置》26

提高蒸汽初参数的主要限制因素－1提高一次侧冷却剂温度，在蒸汽发生器结构参数和传热条件不变的情况下，使二次侧蒸汽参数相应提高。堆芯燃料元件包壳广泛采用锆-4合金制造，与高温水接触会发生金属-水化学反应并放出反应热：Zr+2H2O→ZrO2+2H2↑+热产生的氢和热量将使包壳脆化，最终导致元件破裂或熔化。因此，在反应堆热工设计中，通常将堆芯燃料元件包壳与冷却剂相接触的外表面最高温度限制在350℃以下。通过提高一次侧冷却剂温度来提高蒸汽初参数，潜力有限02-Sep-23《核动力装置》27

提高蒸汽初参数的主要限制因素－2减小蒸汽发生器一、二次侧的平均换热温差Δtm，在一次侧冷却剂参数不变的情况下，提高二次侧蒸汽参数。可以采用强化换热措施，在蒸汽发生器有效传热面积F保持不变时，减小平均换热温差Δtm；也可以通过增大F来减小Δtm，而这都需要增加设备投资费用。恰当地平衡一、二回路参数可使运行成本最低，这里存在最佳值的选择问题，此时，增加循环热效率所带来的得益正好为所增加的投资及装置运行费用所平衡。02-Sep-23《核动力装置》282蒸汽终参数的影响蒸汽终参数降低，则热力循环的平均放热温度减小，可以提高循环热效率02-Sep-23《核动力装置》29

降低蒸汽终参数的不利影响会增加汽轮机排汽湿度，不利于汽轮机安全、经济运行；过多地降低蒸汽终压，将使蒸汽在汽轮机喷嘴出口处斜切口中膨胀，而在斜切口中的膨胀能力用尽时，蒸汽将在级外膨胀，有用焓降不再变化；凝汽器出口水温降低，需要增大第一级给水回热器中的加热蒸汽量，使得通过汽轮机低压缸最后几级的蒸汽流量减少，汽轮机发出的功率下降。02-Sep-23《核动力装置》30

图6-9冷凝器传热过程的温度变化02-Sep-23《核动力装置》31

降低蒸汽终参数的主要限制因素－1核动力装置中循环冷却水起到冷源的作用。汽轮机排汽在凝汽器中凝结成水，其冷凝温度一定要大于循环冷却水温度，以保证有足够大的传热温差，因此，循环冷却水的温度是蒸汽循环中排汽温度的理论极限；核动力装置的在运行区域不同，循环冷却水的温度也有所不同，如我国北方地方取为18℃，而南方地区取为24℃；汽轮机的排汽压力一般取为4.4~5.4kPa，对应的冷凝温度为30℃左右。02-Sep-23《核动力装置》32

降低蒸汽终参数的主要限制因素－2循环冷却水的进出口温升Δtw

及凝结蒸汽与循环冷却水出口温度之间的端差δt构成了排汽温度的技术极限；若减小循环冷却水温升Δtw，要求增大循环冷却水流量及相应的循环泵功率，从而使运行费用增加；另一方面，Δtw

减小可以使凝汽器的传热面积减小，又会降低设备投资费用；为了保证凝汽器中传热过程的顺利进行，要求端差