核动力装置循环热力分析D-核动力装置

船舶核动力装置

MarineNuclearPowerPlants核科学与技术学院（V2009.04.04）MNPP-C06-L179/2/2023《核动力装置》26.5核动力装置分析根据核电厂中主要系统和设备的工作特点，可以大致分为以下几大类：反应堆；泵类（主泵、凝水泵、给水泵等）；换热设备（蒸汽发生器、蒸汽再生器、给水加热器、凝汽器等）；主汽轮发电机组；其它设备（汽水分离器、主蒸汽管道等）。9/2/2023《核动力装置》3

损失核能转变为热能的损失反应堆中的换热损失蒸汽发生器中的换热损失给水回热系统的换热损失辅助设备工作引起的损失主冷凝器中的换热损失主汽轮机中的损失9/2/2023《核动力装置》41.反应堆内的损失反应堆在运行过程中，堆芯核燃料发生裂变反应，放出大量热能；同时，冷却剂流过堆芯，将堆芯释热带出堆外。因此，反应堆内具有核裂变能转换为热能以及核燃料释热传递给冷却剂两个热力过程。堆内核能转换为热能过程堆内核燃料释热传递给冷却剂过程9/2/2023《核动力装置》5从热力学的观点来看，核能都是，如果忽略核裂变过程中的能量损失，则核能从数值上应等于反应堆热功率，即核裂变过程中，堆芯核燃料释热所具有的取决于释热时的核燃料温度。即堆内核能转化为热能过程中，损失为

堆内核能转换为热能过程的损失9/2/2023《核动力装置》6

图6-22堆芯功率分布假设设堆芯为无反射层、均匀装载的圆柱体，且释热沿堆芯高度的轴向分布遵循正弦规律9/2/2023《核动力装置》7

堆芯功率、温度分布规律9/2/2023《核动力装置》8

堆内核燃料释热传递给冷却剂过程的损失冷却剂流经堆芯吸收的热量所具有的为堆芯换热过程的损失为9/2/2023《核动力装置》9

反应堆内损失原因分析堆内核能转换为热能过程

核能全部是，热能只有部分，从核能转换为热能，能量形式变化，能质下降堆内核燃料释热传递给冷却剂过程

堆芯核燃料释热温度远高于冷却剂吸热温度，即传热过程存在较大的温差，从而造成了损失9/2/2023《核动力装置》106.5.2蒸汽发生器的损失冷却剂将反应堆产生的热能带出，在蒸汽发生器中将热能传给二回路工质。在蒸汽发生器的换热过程中，由于冷却剂和二回路工质之间存在着传热温差，因而产生损失。9/2/2023《核动力装置》11在每一个区段冷却剂的温度和二回路工质的温度均为线性变化，每个区段的损失均等于该区段的一次侧冷却剂放出的热量与二次侧工质吸收的热差，总的损失为三个区段损失之和9/2/2023《核动力装置》12蒸汽发生器预热段损失二次侧:损失:一次侧:9/2/2023《核动力装置》136.5.3给水回热系统的energy损失给水回热是利用辅机排出的废汽或主汽轮机的抽汽来加热蒸汽发生器的给水，以提高给水温度，进而改善热力循环的效率。在给水加热器中，加热蒸汽与给水之间存在换热温差，因此在换热过程中必然要产生损失9/2/2023《核动力装置》14放出吸收损失损失系数9/2/2023《核动力装置》15

泵类的损失电动泵电动机泵汽动泵汽轮机泵9/2/2023《核动力装置》16电动机的损失对于电动泵，驱动电机在工作过程中由于电枢绕组中的铜损、铁损和机械摩擦使得部分电能和机械能耗散为热能，被设备冷却水带走或者散失到周围环境中;电动机的损失为Nm——电动机的输入功率；Np——泵的输入功率。9/2/2023《核动力装置》17泵的损失泵在工作过程中，由于水力、流量及机械等损失使部分机械能耗散为热能，这些耗散的能量基本上被流体所吸收；泵的损失为Ne——泵的有效功率；T0——环境的绝对温度；Tf——泵所输送流体的平均温度。9/2/2023《核动力装置》18核电厂热力系统中主要的换热设备有蒸汽发生器、凝汽器、蒸汽再热器、给水加热器等，这些设备的工作过程各不相同，但本质相同；加热介质放出的热量：吸热介质吸收的热量：3.换热设备的损失9/2/2023《核动力装置》19加热介质放热量的值吸热介质吸热量的值换热过程的损失

换热过程的损失9/2/2023《核动力装置》20

换热设备损失原因分析换热过程存在换热温差，是造成损失的根本原因向环境的散热，造成了外部损失

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冷凝器损失原因分析冷凝器的损失换热温差引起的损失散热引起的损失循环冷却水带入环境引起的损失9/2/2023《核动力装置》226.5.6.主汽轮的损失从热力学的角度来看，汽轮机的工作包括以下三个能量过程：蒸汽在汽轮机进、出口管道内的流动损失；蒸汽在汽轮机通流部分膨胀做功而产生的各类损失；汽轮机输出的机械能在通过汽轮机轴承、齿轮减速器传递到推进器轴系时产生的摩擦损失。9/2/2023《核动力装置》236.6核动力装置热线图分析在设计和论证阶段，热线图是确定核动力装置技术经济指标的重要依据。经过分析、优化而确定下来的热线图方案，除了保证装置在运行时具有较高的经济性以外，还应满足工作可靠、机动性好、重量尺寸小和造价低等许多重要指标。受重量、尺寸的限制，船舶核动力装置的二回路系统一般不采用再热循环，采取的回热循环。对核动力装置热线图的分析，主要是研究无回热循环、有回热循环以及装置热力参数对核动力装置热经济性的影响，确定符合装置最大效率的这些参数的数值。

9/2/2023《核动力装置》246.6.1无回热循环的热线图

图6-25无回热循环的核动力装置热线图9/2/2023《核动力装置》25Energy损失系数：反应堆内核能转变成热能：堆芯热量传递：蒸汽发生器：给水回热：辅助设备：主冷凝器：主汽轮机9/2/2023《核动力装置》26图6-26核动力装置温度分布图6-27核动力装置损失系数分布9/2/2023《核动力装置》27反应堆内核裂变能转变为热能过程的损失最大因为核能是高质能，热能是低质能，高质能向低质能转换造成了较大的做功能力损失减小这项损失的措施有两个方面提高核燃料的释热温度采用适当装置将核能直接变为电能或机械能9/2/2023《核动力装置》28堆芯热量传递过程的损失原因是堆芯核燃料与流经堆芯的冷却剂之间存在较大的传热温差]基本措施是减小传热温差维持堆芯核燃料释热的温度水平不变，在堆芯热工设计时应尽量使热阻最小，以提高堆芯冷却剂平均温度。冷却剂温度提高提高二回路蒸汽初参数，有利于改善热循环效率；冷却剂温度提高，还有利于减小蒸汽发生器的传热面积，降低蒸汽发生器的重量尺寸。9/2/2023《核动力装置》29蒸汽发生器中的损失原因：一次侧冷却剂与二次侧工质之间存在着换热温差减小换热温差可以减小该项损失，但是增大了换热面。使蒸汽发生器的重量和尺寸加大。采用过热蒸汽也会使蒸汽发生器中损失增大，过热蒸汽可以降低汽轮机内的损失。降低蒸汽发生器换热过程中的损失的方法提高蒸汽的初压、选择适当的过热蒸汽温度采用给水回热蒸汽发生器外表面向周围介质散热，也会引起工质损失。9/2/2023《核动力装置》301.蒸汽初温对energy的影响9/2/2023《核动力装置》312.废气压力对energy损失的影响9/2/2023《核动力装置》323.辅机驱动形式energy损失的影响9/2/2023《核动力装置》336.6.3热线图比较

四种型式热线图型式Ⅰ为有电气化辅机而无回热的热线图型式Ⅱ为有一系列汽轮辅机而无回热的热线图。型式Ⅲ为用辅机废汽加热给水的热线图型式Ⅳ为主机抽汽加热给水的热线图。9/2/2023《核动力装置》341.辅机废气回热

图6-31辅机废气加热给水的热线图9/2/2023《核动力装置》35图6-32加