压水堆核电厂二回路热力系统课程设计报告书.docx
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压水堆核电厂二回路热力系统课程设计报告书
1．设计目的和要求
本课程设计是学生在学习《核电站系统及运行》课程后的一次综合训练，是实践教学的一个重要环节。
通过课程设计使学生进一步巩固、加深所学的理论知识并有所扩展；学习并掌握压水堆核电厂二回路热力系统拟定与热平衡计算的方法和基本步骤；锻炼提高运算、制图和计算机应用等基本技能；增强工程概念，培养学生对工程技术问题的严肃、认真和负责态度。
通过课程设计应达到以下要求：
（1）了解、学习核电厂热力系统规划、设计的一般途径和方案论证、优选的原则；
（2）掌握核电厂原则性热力系统计算和核电厂热经济性指标计算的内容和方法；
（3）提高计算机绘图、制表、数据处理的能力；
（4）培养学生查阅资料、合理选择和分析数据的能力，掌握工程设计说明书撰写的基本原则。
2．任务和内容
本课程设计的主要任务，是根据设计的要求，拟定压水堆核电厂二回路热力系统原则方案，并完成该方案在满功率工况下的热平衡计算。
本课程设计的主要内容包括：
（1）确定二回路热力系统的形式和配置方式；
（2）根据总体需求和热工约束条件确定热力系统的主要热工参数；
（3）依据计算原始资料，进行原则性热力系统的热平衡计算，确定计算负荷工况下各部分汽水流量及其参数、发电量、供热量及全厂性的热经济指标；
（4）编制课程设计说明书，绘制原则性热力系统图。
3．热力系统原则方案确定方法
3.1热力系统原则方案
电站原则性热力系统表明能量转换与利用的基本过程，反映了发电厂动力循环中工质的基本流程、能量转换与利用过程的完善程度。
为了提高热经济性，压水堆核电厂二回路热力系统普遍采用包含再热循环、回热循环的饱和蒸汽朗肯循环，其典型的热力系统组成如图1所示。
图1典型压水堆核电厂二回路热力系统原理流程图
3.1.1汽轮机组
压水堆核电厂汽轮机一般使用低参数的饱和蒸汽，汽轮机由一个高压缸、2~3个低压缸组成，高压缸、低压缸之间需要设置外置式汽水分离器。
高压缸发出整个机组功率的40%~50%，低压缸发出整个机组功率的50%~60%。
最佳分缸压力=（0.1~0.15）蒸汽初压。
3.1.2蒸汽再热系统
压水堆核电厂通常在主汽轮机的高、低压缸之间设置汽水分离-再热器，对高压缸排汽进行除湿和加热，使得进入低压缸的蒸汽达到过热状态，从而提高低压汽轮机运行的安全性和经济性。
汽水分离-再热器由一级分离器、两级再热器组成，第一级再热器使用高压缸的抽汽加热，第二级再热器使用蒸汽发生器的新蒸汽加热。
分离器的疏水排放到除氧器，第一级、第二级再热器的疏水分别排放到高压给水加热器。
3.1.3给水回热系统
给水回热系统由回热加热器、回热抽汽管道、凝给水管道、疏水管道等组成。
回热加热器按照汽水介质传热方式不同分为混合式加热器和表面式加热器，其中高压、低压给水加热器普遍采用表面式换热器，除氧器为混合式加热器。
高压给水加热器采用主汽轮机高压缸的抽汽进行加热，除氧器采用高压缸的排汽进行加热，低压给水加热器采用主汽轮机低压缸的抽汽进行加热。
高压给水加热器的疏水可采用逐级回流的方式，最终送入除氧器；低压给水加热器的疏水可以全部采用逐级回流的方式，最终送入冷凝器，也可以部分采用疏水汇流方式，将疏入送入给水管道。
给水回热系统的三个基本参数是给水回热级数、给水温度以及各级中的焓升分配。
其中，给水回热级数的确定可参考图2。
图2回热系数对电站热效率的影响
选择给水回热级数时，应考虑到每增加一级加热器就要增加设备投资费用，所增加的费用应该能够从核电厂热经济性提高的收益中得到补偿；同时，还要尽量避免热力系统过于复杂，以保证核电厂运行的可靠性。
因此，小型机组的回热级数一般取为1~3级，大型机组的回热级数一般取为7~9级（选取7级）。
压水堆核电厂中普遍使用热力除氧器对给水进行除氧，从其运行原理来看，除氧器就是一个混合式加热器。
来自低压给水加热器的给水在除氧器中被来自汽轮机高压缸的排汽加热到除氧器运行压力下的饱和温度，除过氧的饱和水再由给水泵输送到高压给水加热器，被加热到规定的给水温度后再送入蒸汽发生器。
大型核电机组一般采用汽动给水泵，能够很好地适应机组变负荷运行，可以利用蒸汽发生器的新蒸汽、汽轮机高压缸的抽汽或者汽水分离再热器出口的热再热蒸汽驱动给水泵汽轮机，因而具有较好的经济性。
给水泵汽轮机排出的废汽被送到主冷凝器。
3.2主要热力参数选定
压水堆核电厂一、二回路工质的运行参数之间存在着相互制约关系，如图3所示。
图3典型压水堆核电厂一、二回路工质温度之间的制约关系
3.2.1一回路冷却剂的参数选择
从提高核电厂热效率的角度来看，提高一回路主系统中冷却剂的工作压力是有利的。
但是，工作压力提高后，相应各主要设备的承压要求、材料和加工制造等技术难度都增加了，反过来影响到核电厂的经济性。
综合考虑，典型压水堆核电厂主回路系统的工作压力一般为15~16MPa（15.5），对应的饱和温度为342~347℃。
为了确保压水堆的安全，反应堆在运行过程中必须满足热工安全准则，其中之一是堆芯不能发生水力不稳定性，一般要求反应堆出口冷却剂的欠饱和度应至少大于10℃，为保险起见，可取欠饱和度大于15~20℃。
3.2.2二回路工质的参数选择
二回路系统需要确定的参数包括蒸汽发生器出口蒸汽的温度与压力（蒸汽初参数）、冷凝器运行压力（蒸汽终参数）、蒸汽再热温度、给水温度和焓升分配等。
（1）蒸汽初参数的选择
压水堆核电厂的二回路系统一般采用饱和蒸汽，蒸汽初温与蒸汽初压为一一对应关系。
根据朗肯循环的基本原理，在其它条件相同的情况下，提高蒸汽初温可以提高循环热效率，目前二回路蒸汽参数已经提高到6~7MPa，对于提高核电厂经济性起到了重要作用，但是受一次侧参数的严格制约，二回路蒸汽初参数不会再有大幅度的提高。
（2）蒸汽终参数的选择
在热力循环及蒸汽初参数确定的情况下，降低汽轮机组排汽压力有利于提高循环热效率。
但是，降低蒸汽终参数受到循环冷却水温度Tsw,1、循环冷却水温升ΔTsw以及冷凝器端差δt的限制。
除了对热经济性影响之外，蒸汽终参数对汽轮机低压缸末级叶片长度、排汽口尺寸均有重要影响，因此，需要综合考虑多方面因素选择蒸汽终参数。
凝结水的温度为
Tcd=Tsw,1+ΔTsw+δt
式中，Tsw,1—循环冷却水温度，按照当地水文条件或者国家标准选取；
ΔTsw—循环冷却水温升，一般为6~12℃；
δt—冷凝器传热端差，一般为3~10℃。
忽略凝结水的过冷度，则冷凝器的运行压力等于凝结水温度对应的饱和压力。
（3）蒸汽中间再热参数的选择
蒸汽再热器使用高压缸抽汽和蒸汽发生器新蒸汽加热，所以汽水分离再热器出口的热再热蒸汽（过热蒸汽）比用于加热的新蒸汽温度要低10~20℃左右。
再热蒸汽在第一、二级再热器中的焓升、流动压降可取为相等。
（4）给水回热参数的选择
多级回热分配可以采用汽轮机设计时普遍使用的平均分配法，即每一级给水加热器内给水的焓升相等，这种方法简单易行。
每一级加热器的给水焓升为
式中，
—蒸汽发生器运行压力对应的饱和水比焓，kJ/kg；
—冷凝器出口凝结水比焓，kJ/kg；
Z—给水回热级数。
最佳给水温度可使回热循环汽轮机绝对内效率达到最大值。
采用平均分配法进行回热分配时，其最佳给水比焓为
按照蒸汽发生器运行压力psg和最佳给水比焓hfw,op查水和水蒸汽表，可以确定最佳给水温度Tfw,op。
实际给水温度Tfw往往低于理论上的最佳给水温度Tfw,op，通常可以取为
（取0.7）
由压力和实际给水温度，再一次通过等焓生分配的方法确定每一级加热器内的焓升。
实际每一级给水焓升为：
式中，hfw—给水比焓，kJ/kg；
hcd—冷凝器出口凝结水比焓，kJ/kg；
Z—给水回热级数。
高压、低压给水加热器均为表面式加热器，加热蒸汽分别来自主汽轮机高压缸、低压缸的抽汽。
给水加热器蒸汽侧出口疏水温度（饱和温度）与给水侧出口温度之差称为上端差（出口端差）θu，蒸汽侧蒸汽温度与给水侧进口温度之差称为下端差（进口端差）θd，如图4所示。
图4表面式换热器的端差
对于每一级给水加热器，根据给水温度、上端差即可确定加热用的抽汽温度。
由于抽汽一般是饱和蒸汽，由抽汽温度可以确定抽汽压力。
4．热力计算方法与步骤
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。
热平衡计算的一般步骤如下：
图5热力计算的一般流程
1.整理原始资料
（1）给水加热器蒸汽侧压力等于抽汽压力减去抽汽管道压损；
（2）给水加热器疏水温度和疏水比焓分别为汽侧压力下对应的饱和水温度和饱和水比焓；
（3）高压给水加热器水侧压力取为给水泵出口压力（比蒸汽发生器运行压力高
0.1~0.2MPa），低压给水加热器水侧压力取为凝水泵出口压力（一般取为0.4~0.5MPa），取压力在每级换热器均匀递减；
（4）给水加热器出口水温等于疏水温度减去出口端差；
（5）给水加热器出口水温度由加热器出口水比焓和水侧压力查水和水蒸汽表确定；
2.核蒸汽供应系统热功率计算
已知核电厂的输出电功率为Ne，假设电厂效率为ηe,NPP，则反应堆热功率为
蒸汽发生器的蒸汽产量为
式中，η1—回路能量利用系数；
hfh—蒸汽发生器出口新蒸汽比焓，kJ/kg；
—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，通常取为新蒸汽产量的1%左右。
3.二回路系统各设备耗汽量计算
（1）给水回热系统热平衡计算，确定汽轮机各级抽汽点的抽汽量及冷凝器出口凝结水流量Gcd；
第j级给水加热器所需的抽汽量为
式中，Gfw,j—第j级给水加热器的给水流量，kg/s；
Tfwi,j，Tfwo,j—第j级给水加热器进口、出口给水温度，℃；
hes,j，hew,j—第j级给水加热器加热蒸汽、疏水的比焓，kJ/kg；
ηh,j—第j级给水加热器的热效率。
（2）汽轮发电机组耗汽量计算，确定计算工况下汽轮机高压缸、低压缸以及汽
水分离再热器的耗汽量；
具有Z级抽汽的汽轮机的内功率为
式中，h0,hz—分别为汽轮机进、出口处蒸汽比焓，kJ/kg；
hes,i—汽轮机第i级抽汽点的蒸汽比焓，kJ/kg；
Ges,i—汽轮机第i级抽汽点的抽汽量，kg/s；
Gt,s—汽轮机总的耗汽量，kg/s。
根据上式可以计算得到汽轮机的耗汽量。
（3）给水泵计算，确定给水泵汽轮机的耗汽量；给水泵汽轮机进汽为新蒸汽，排汽参数等于高压缸排汽；
给水泵的有效输出功率为
式中，Gfw—给水泵的质量流量，kg/s；
Hfwp—给水泵的扬程，MPa。
ρfw—给水的密度。
给水泵汽轮机的理论功率为
式中，ηfwp,p—汽轮给水泵组的泵效率；
ηfwp,ti,ηfwp,tm,ηfwp,tg—分别给水泵组汽轮机的内效率、机械效率和减速器效率。
给水泵汽轮机的耗汽量为
式中，Ha——给水泵汽轮机中蒸汽的绝热焓降，kJ/kg。
（4）确定对应的新蒸汽耗量Gs，进一步求出对应的给水量
，由
与各级加热器的疏水量，求出
（5）比较
与
，若相对误差大于1%，返回步骤
（1）进行迭代计算，直到满足精度要求为止。
（6）确定二回路系统总的新蒸汽耗量
4.核电厂热效率计算
根据以上步骤计算得到的新蒸汽耗量，计算反应堆的热功率
进而可以计算出核电厂效率为
5.计算精度判断
将计算得到的核电厂效率
与初始假设的
比较，若绝对误差小于0.1%，即完成计算，否则以
为初始值，返回步骤2进行迭代计算。
5．设计与热力计算
按照初步设计基本流程，首先确定压水堆核电厂二回路热力系统原则方案，并根据已知条件和给定参数，选择确定一、二回路工质的主要热力参数，然后采用定功率计算法对热力系统原则方案进行100%功率下的热平衡计算，确定核电厂效率、总蒸汽产量、总给水量、汽轮机耗汽量、给水泵功率和扬程等主要参数，为二回路热力系统方案设计和优化提供基础。
5.1已知条件和给定参数
初步设计所依据的已知条件和给定参数如表1所示。
序号
项目
符号
单位
取值范围或数值
1
核电厂输出电功率
Ne
MW
1000
2
一回路能量利用系数
0.99～1.0取0.994
3
蒸汽发生器排污率
1.05%
4
汽轮机组相对内效率
0.78～0.90高压缸取0.79，低压缸取0.89
5
汽轮机组机械效率
0.98～0.99取0.98
6
发电机效率
0.98～0.99取0.98
7
新蒸汽压损
Δpfh
MPa
Δpfh=（3%～7%）pfh取5%
8
再热蒸汽压损
Δprh
MPa
Δprh≤10%prh取6%
9
回热抽汽压损
Δpe,j
MPa
Δpe,j=（3～5%）Δpe取4%
10
低压缸排汽压损
Δpcd
kPa
5%
11
高压给水加热器出口端差
θh,u
℃
3
12
低压给水加热器出口端差
θl,u
℃
2
13
加热器效率
ηh
0.97～0.99取0.98
14
给水泵效率
ηfwp,p
0.58
15
给水泵汽轮机内效率
ηfwp,ti
0.78～0.9取0.8
16
给水泵汽轮机机械效率
ηfwp,tm
0.90
17
给水泵汽轮机减速器效率
ηfwp,tg
0.98
18
循环冷却水进口温度
Tsw,1
℃
24
19
循环冷却水温升
ΔTsw
℃
6～8取7
20
冷凝器传热端差
δT
℃
3～10取4
5.2热力系统原则方案确定
拟设计的压水堆核电厂输出电功率为1000MW，属于大型机组，按照第3节介绍的基本思想，选择确定二回路热力系统原则方案，并参照图1的形式，绘制其原理流程图。
5.3主要热力参数选定
在选定的二回路热力系统原则方案的基础上，按照第3.2节介绍的基本思想，选择确定热平衡计算所需的主要热力参数。
表2主要热力参数确定
序号
项目
符号
单位
计算公式或来源
数值
1
反应堆冷却剂系统运行压力
Pc
MPa
选定，15～16
15.5
2
反应堆冷却剂的饱和温度
Tc,s
℃
查水和水蒸汽表确定
344.79
3
反应堆出口冷却剂过冷度
ΔTsub
℃
选定，15~20
17.79
4
反应堆出口冷却剂温度
Tco
℃
Tco=Tc,s−ΔTsub
327
5
反应堆进出口冷却剂温升
ΔTc
℃
选定，30～40
37
6
反应堆进口冷却剂温度
Tci
℃
Tci=Tco−ΔTc
290
7
二回路蒸汽压力
Ps
MPa
选定6～7
6.5
8
蒸汽发生器出口新蒸汽温度
Tfh
℃
ps对应的饱和温度
280.86
9
蒸汽发生器出口新蒸汽干度
xfh
%
给定
99.75
10
循环冷却水温升
ΔTsw
℃
选定6～8
7
11
冷凝器传热端差
δT
℃
选定3～10
5
12
冷凝器凝结水饱和温度
Tcd
℃
Tcd=Tsw,1+ΔTsw+δT
36
13
冷凝器的运行压力
Pcd
kPa
Tcd对应的饱和压力
5.947
14
高压缸进口蒸汽压力
Ph,i
MPa
新蒸汽压损5%
6.175
15
高压缸进口蒸汽干度
xh,i
%
散热导致焓值下降，造成干度下降
99.51
16
高压缸内效率
ηh,i
选定
0.79
17
高压缸排汽压力
ph,z
MPa
根据最佳分缸比选定
0.741（分缸比0.12）
18
高压缸排汽干度
xh,z
%
由内效率等计算
86.15
19
汽水分离器进口蒸汽压力
psp,i
MPa
等于高压缸排气压力
0.741
20
汽水分离器进口蒸汽干度
xsp,i
%
等于高压缸排气干度
86.15
21
第一级再热器进口蒸汽压力
prh1,i
MPa
考虑4%的压损
0.711
22
第一级再热器进口蒸汽干度
xrh1,i
%
选定
99.5
23
第二级再热器进口蒸汽压力
prh2,i
MPa
考虑2%的压损
0.697
24
第二级再热器进口蒸汽温度
Trh2,i
℃
平均焓升计算
214.3115
25
第二级再热器出口蒸汽压力
prh2,z
MPa
考虑压损为2%
0.683
26
第二级再热器出口蒸汽温度
Trh2,z
℃
平均焓升计算
265.85885
27
低压缸进口蒸汽压力
pl,i
MPa
考虑压损0.002Mpa
0.681
28
低压缸进口蒸汽温度
Tl,i
℃
根据热再热蒸汽焓值计算
265.8288
29
低压缸内效率
ηl,i
选定
0.89
30
低压缸排汽压力
pl,z
MPa
冷凝器压力与排汽压损之和
0.00593
31
低压缸排汽干度
xl,z
%
根据低压缸内效率等计算
88.83
32
回热级数
Z
选定
6
33
低压给水加热器级数
ZL
选定
4
34
高压给水加热器级数
ZH
选定
2
35
给水回热分配
Δhfw
kJ/kg
99.46
36
第1级回热器参数
第1级进口给水压力
MPa
凝水泵出口压力，因为凝水泵对凝水做功加压
0.5
第1级进口给水比焓
hlfwi,1
kJ/kg
hlfwi,1=hlfwo,0
146.6448
第1级出口给水比焓
hlfwo,1
kJ/kg
hlfwo,1=hlfwi,1+Δhfw
246.1048
第1级进口给水温度
Tlfwi,1
℃
按（pcwp,hlfwi,1）查水蒸汽表
35
第1级出口给水温度
Tlfwo,1
℃
按（pcwp,hlfwo,1）查水蒸汽表
58.71
第1级汽侧疏水温度
℃
出口给水温度与出口端差之和
60.71
第1级汽侧疏水比焓
kJ/kg
查水蒸汽表
254.06
第1级汽侧压力
MPa
查水蒸气表
0.02058
第2级回热器参数
第2级进口给水压力
MPa
考虑均匀压降
0.49
第2级进口给水比焓
hlfwi,2
kJ/kg
hlfwi,2=hlfwo,1
246.1048
第2级出口给水比焓
hlfwo,2
kJ/kg
hlfwo,2=hlfwi,2+Δhfw
345.56
第2级进口给水温度
Tlfwi,2
℃
按（pcwp,hlfwi,2）查水蒸汽表
58.71
第2级出口给水温度
Tlfwo,2
℃
按（pcwp,hlfwo,2）查水蒸汽表
82.45
第2级汽侧疏水温度
℃
出口给水温度与出口端差之和
84.45
第2级汽侧疏水比焓
kJ/kg
查水蒸汽表
353.61
第2级汽侧压力
MPa
查水蒸汽表
0.05657
第3极回热器参数
第3级进口给水压力
MPa
考虑均匀压降
0.48
第3级进口给水比焓
hlfwi,3
kJ/kg
hlfwi,3=hlfwo,2
346.56
第3级出口给水比焓
hlfwo,3
kJ/kg
hlfwo,3=hlfwi,3+Δhfw
445.02
第3级进口给水温度
Tlfwi,3
℃
按（pcwp,hlfwi,3）查水蒸汽表
82.45
第3级出口给水温度
Tlfwo,3
℃
按（pcwp,hlfwo,3）查水蒸汽表
106.09
第3级汽侧疏水温度
℃
出口给水温度与出口端差之和
108.09
第3级汽侧疏水比焓
kJ/kg
查水蒸汽表
453.235
第3级汽侧压力
MPa
查水蒸汽表
0.13431
第4级回热器参数
第4级进口给水压力
MPa
考虑均匀压降
0.47
第4级进口给水比焓
hlfwi,4
kJ/kg
hlfwi,4=hlfwo,3
445.02
第4级出口给水比焓
hlfwo,4
kJ/kg
hlfwo,4=hlfwi,4+Δhfw
544.48
第4级进口给水温度
Tlfwi,4
℃
按（pcwp,hlfwi,4）查水蒸汽表
106.09
第4级出口给水温度
Tlfwo,4
℃
按（pcwp,hlfwo,4）查水蒸汽表
129.54
第4级汽侧疏水温度
℃
出口给水温度与出口端差之和
131.54
第4级汽侧疏水比焓
kJ/kg
查水蒸汽表
552.88
第4级汽侧压力
MPa
查水蒸汽表
0.28282
37
除氧器进口给水比焓
hdea,i
kJ/kg
544.48
38
除氧器出口给水比焓
hdea
kJ/kg
hdea=hdea,i+Δhfw
643.94
39
除氧器出口给水温度
Tdea
℃
hdea对应的饱和水温度
148.73
40
除氧器运行压力
pdea
MPa
Tdea对应的饱和压力
0.4601
41
高压加热器给水参数
第6级
第6级进口给水压力
MPa
给水泵出口压力因为给水泵对给水加压
6.6
第6级进口给水比焓
hhfwi,6
kJ/kg
hhfwi,6=hhfwo,5
643.94
第6级出口给水比焓
hhfwo,6
kJ/kg
hhfwo,6=hhfwi,6+Δhfw
743.40
第6级进口给水温度
Thfwi,6
℃
按（pcwp,hhfwi,6）查水蒸汽表
151.837
第6级出口给水温度
Thfwo,7
℃
按（pcwp,hhfwo,1）查水蒸汽表
174.821
第6级汽侧疏水温度
℃
出口给水温度与出口端差之和
177.821
第6级汽侧疏水比焓
kJ/kg
查水蒸汽表
753.57
第6级汽侧压力
MPa
查水蒸汽表
0,9534
第7级
第7级进口给水压力
MPa
考虑压降
6
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