哈尔滨工程大学本科生课程设计（三）蒸汽发生器设计说明书姓名：李金珂学号：2010151928院系名称：核科学与技术学院专业名称：核工程与核技术指导教师：谷海峰2013年11月前言在压水堆核电机组中，蒸汽发生器作为反应堆冷却剂系统（一回路系统）和蒸汽与动力转换系统（二回路系统）的枢纽，是核电机组运行的关键设备之一。
一方面，二回路系统中的水在蒸汽发生器中通过换热分离得到的干燥蒸汽，是推动汽轮机组发电的直接动力，因此蒸汽发生器产生蒸汽的品质是影响核电站功率与效率的主要因素。
另一方面，蒸汽发生器也是阻隔一回路系统中放射性换热介质的重要屏障，对核电设施的安全运转起着决定性作用。
然而，蒸汽发生器体积庞大，结构复杂，制造要求严格，技术密集程度高，从设计和制造两方面都堪称当代热交换器技术的最高水平。
从设计的角度来看，蒸汽发生器的结构和参数，必须在安全的前提下，保证提供给核电机组在任何运行工况下所需要的符合规定品质要求的蒸汽量，并适当地改善各个环节的技术经济指标。
首先，蒸汽发生器的设计选材和结构尺寸必须以绝对安全为目标，排除任何可能加速老化、腐蚀的因素，保证一回路系统和二回路系统在运行过程中的完全隔离。
另外，蒸汽发生器的容量应最大限度地满足功率负荷的需要，并确保产生蒸汽的纯度。
同时，蒸汽发生器的设计应该简单紧凑，应以便于制造、便于安装、便于发现并排除故障、便于清洁维护为着眼点，提高蒸汽发生器在制造和运行过程中的经济性。
因此，蒸汽发生器的设计对压水堆来说是非常具有挑战性的课题。
本次课程设计针对立式U型管自然循环蒸汽发生器进行一系列的设计，包括热力设计计算、水动力设计计算、结构设计和强度设计，并绘制蒸汽发生器总图及部件图。
依据本次课程设计的目标、设计过程及设计结果，编制此说明书以对此次课程设计进行较为详尽的说明。
在课程设计过程中，曾得到孙中宁老师的详细讲解、得到谷海峰老师、丁铭老师的耐心指导，在此深表感谢。
由于时间紧迫以及蒸汽发生器设计的复杂性，加上本身能力所限，本设计中不足之处在所难免，希望各位读者批评指正。
李金珂2013.11目录目录 (1)第一章绪论第一节蒸汽发生器概述 (2)第二节蒸汽发生器的基本设计技术要求 (4)第三节蒸汽发生器的基本结构和主要零部件 (5)第四节设计任务 (6)第二章课程设计内容第一节给定条件 (7)第二节蒸汽发生器的热力计算 (7)第三节蒸汽发生器的管束结构设计及强度计算 (10)第四节蒸汽发生器的水力计算 (13)第五节蒸汽发生器循环倍率及循环速度确定 (21)第三章结论与评价 (23)参考文献 (26)附录1 蒸汽发生器热力计算表 (27)附录2 蒸汽发生器水动力计算表 (31)附录3 蒸汽发生器强度计算表 (39)第一章绪论第一节蒸汽发生器概述本次课程设计蒸汽发生器为立式U型管自然循环蒸汽发生器。
其作用是将反应堆产生的热量通过冷却剂传递给二次侧的水并使水变成蒸汽，蒸汽经汽水分离和干燥后去驱动汽轮机发电。
所以，在核蒸汽供应系统中，蒸汽发生器有着非常重要的作用，它又是一、二回路的交汇点，其功能主要为以下三点：●要保证为核电厂提供性能参数合格的蒸汽；●必须为核电厂提供可靠的第二道安全屏障；●要为反应堆冷却剂系统提供有效的自然循环冷却能力。
压水堆核电厂从美国1957年投运的第一座商用核电站为止，已经有五十多年的历史。
在此过程中，西方国家的蒸汽发生器也经历了多次改型，但不管是哪种类型的蒸汽发生器，截止目前，就其功能、主要参数、总体结构而言基本一致。
区别在于：管材、格架形式、分离器结构、是否带预热器等等。
由于蒸汽发生器在核蒸汽供应系统中的地位，以及它所处的工作环境，它对核电厂的运行业绩和运行效率带来很大的影响。
由核电厂负荷因子表达式：可知，当电厂满功率运行时，负荷因子高低代表了实际电能的生产时间。
保证运行时间，就是保证电能连续有效生产。
造成电厂停用而不能连续生产的因素很多，除换料和例行检查带来的停堆外，设备大修造成的停用率占被迫停用率的50%以上。
而其中，蒸汽发生器传热管损坏是使电站负荷因子下降的主要原因。
据报道，20世纪70年代初期，运行中的蒸汽发生器，有1/3发生故障，至20世纪80年代中，美国电力研究院题为“限制PWR核电厂高利用率因素”中指出，蒸汽发生器传热管故障导致功率损失有的高达电厂总功率损失的38.6%。
1985年，全世界有73座核电厂蒸汽发生器管子有缺陷，堵了6837根传热管，占检查管总数的43.5%。
至20世纪80年代末期，全世界蒸汽发生器共堵管44897根，占全部2500000根管子的1.8%。
直至20世纪90年代初，已有55台蒸汽发生器因传热管严重破损而被迫更换，仅美国就整体更换近30台，而更换一台，要耗费大量时间，大大影响电厂可利用率。
鉴于上述情况，世界主要的蒸汽发生器开发商，特别是美国、法国、日本和德国，在蒸汽发生器的研制开发，特别是在传热管材料的选择、结构和工艺的改进、水质控制、泄漏监测、维护和检修以及蒸汽品质的提高方面都作了大量的开发工作并积累了丰富的经验。
目前，美国的AP1000以及欧洲的EPR，都使得压水堆核电厂达到了第三代水平，在此过程中，蒸汽发生器的设计也在不断地进行改进并有了许多新的创新点。
第二节蒸汽发生器的基本设计技术要求在核动力装置中，由于一回路为带有放射性的回路，而二回路为非放射性回路，因此在研制蒸汽发生器时对结构、强度、材料抗腐蚀性、密封性等都提出了很高的要求，其中最基本的技术要求包括以下几方面。
1、蒸汽发生器及其部件的设计，必须保证核电站在任何运行工况下所需要的）蒸汽量及规定的蒸汽参数。
只有满足这个要求才能保证核电站在不同负荷下经济运行。
2、蒸汽发生器的容量应该最大限度地满足功率负荷的需要，而且要求随着单机容量的增加，其技术经济指标得到相应的改善。
3、蒸汽发生器的所有部件应该绝对安全可靠。
蒸汽发生器的受热面是由大量的小直径管子组成的，因此在一回路（带有放射性）中就有大量的管子，使核电站运行的可靠性在很大程度上取决于蒸汽发生器的可靠性。
这样，蒸汽发生器的屏蔽问题必须解决，所有部件必须保证工作可靠。
4、蒸汽发生器各零部件的装配必须保证在密封面上排除一回路工质漏入二回路中去的可能性。
一回路工质不允许漏入二回路工质中去的原因是汽轮机回路没有生物防护，任何这种漏入都将会导致放射性泄漏事故。
5、必须排除加剧腐蚀的任何可能性，特别是一回路中的腐蚀。
这主要是为了防止腐蚀产物对一回路工质的污染。
腐蚀产物过多地进入到一回路中去，一方面引起一回路工质放射性的增加，另一方面导致放射性腐蚀产物在一回路测沉积。
腐蚀产物在燃料元件上的沉积是极其危险的，它会使传热性能骤然下降。
6、蒸汽发生器必须产生必要纯度的蒸汽，以保证蒸汽过热器在高温下可靠地运行，并保证汽轮机也可靠而经济地运行。
7、蒸汽发生器应该设计得简单紧凑，便于安装使用，同时易于发现故障而即使排出，并有可能彻底疏干。
8、保证蒸汽发生器具有较高的技术经济指标。
在设计蒸汽发生器时，要考虑一、二回路两种工质的种类和参数，正确地选择结构方案、材料、传热尺寸、传热系数及冷却剂等，对取得蒸汽发生器最佳技术-经济指标是非常重要的。
另外，必须采取见效向外散热损失的措施。
第三节蒸汽发生器的基本结构和主要零部件从反应堆来的冷却剂由蒸汽发生器进口接管进入下封头，下封头由水室隔板分成进口和出口两个水室。
反应堆冷却剂由进口水室进入U型管，在流经U型管时将热量传递给二回路侧介质，而后经过出口水室和蒸汽发生器的出口接管流回反应堆。
二回路给水由上筒体处的给水接管进入环形分配管，环形管上有一系列倒J 形管，给水由倒J形管喷出，与汽水分离器的疏水混合后，经过下降套筒和下筒体之间的环形通道向下流动，再由下降套筒和管板之间的通道进入管束。
水在通过管束上升时被加热，部分水变成蒸汽，形成汽水混合物。
汽水混合物流出管数顶部后进入分离器进行粗分离，然后进入干燥器进行细分离（干燥）。
干燥蒸汽经蒸汽出口接管流向汽轮机。
蒸汽发生器的主要零部件为：1、传热管U型传热管是一、二回路之间的压力边界，管材一般为含Ni-Cr-Fe的Inconel-690合金，这种合金是在Inconel-600合金基础上经过一次特殊的热处理后改进而来的，其抗腐蚀性能有了较大的改善。
本次设计采用Inconel-600合金φ20mm×1.3mm的传热管，弯曲半径最小的几排弯管处进行消除应力处理。
管束采用正方形顺排方式。
2、管板管板是一回路设备中最厚的实心锻件，材料为Mn-Mo-Ni低合金钢，要求有良好的塑韧性及淬透性。
管板一次侧表面堆焊镍基合金，以保证与传热管有良好的焊接性能。
管板开孔数量巨大，对管孔及管距的尺寸公差、垂直度及光洁度等都有很高的要求。
管子管板表面平齐并与管板密封焊，然后进行全长度液压胀管，以保证一、二回路之间的严密性。
3、下封头下封头为半球形，材料为Mn-Mo-Ni低合金钢锻件，内表面堆焊奥氏体不锈钢。
下封头开有四个大孔，2个空连接冷却剂进、出口接管，另两个为人孔。
下封头中间有水室隔板，将下封头分成进出口两个水室，水室隔板材料为Inconel-690合金。
一次侧人孔用不锈钢（或镍基合金）石墨缠绕式垫片密封。
4、筒体、衬筒和锥形体二次侧筒体分上、下两部分，为板焊或锻造结构。
在管束和下筒体之间设置衬筒，衬筒材料为碳钢。
上、下筒体之间由锥形体过渡，其材料均为Mn-Mo-Ni 低合金钢锻件。
5、上封头上封头为标准椭球形封头，与蒸汽出口接管整体冲压成形，材料为Mn-Mo-Ni 低合金钢锻件。
6、管束支撑板和流量分配板管束直管段部分装有6块支撑板，管束支撑板为四叶梅花孔板，用以支撑管子以减少振动。
管子与支撑板接触处为平台，可减少二次侧水在该处浓缩，并降低阻力。
流量分配孔板位于管板上部与第一块支撑板之间，中间开有一个大孔。
支撑板和流量分配板材料为405不锈钢，板厚为20mm。
7、防振条管束U型弯曲处装有三组扁形防振条，用以隔开管子并防止弯管的横向振动和微振磨损，材料为405不锈钢。
8、汽水分离装置汽水分离装置分两级对汽水混合物进行汽水分离。
第一级为旋叶式汽水分离器，材料为碳钢或不锈钢。
第二级为六角形带钩波形板分离器。
设计要求汽水混合物经过汽水分离器、重力分离空间、波纹板分离器三重分离后，保证出口蒸汽干度达到本次设计给定的0.99。
9、给水分配环管给水分配环管位于旋叶式分离器下部，其上有若干倒J形喷管，材料为不锈钢。
10、排污管管板上表面中央水平地装设有两根多孔管道供连续排污用。
第四节设计任务根据以上设计要求，对蒸汽发生器提出的设计要求如下：1、计算传热面积；2、完成传热管的排列，确定管束直径及高度，确定管子的固定支撑，确定隔板的数目和结构；3、确定衬筒、上筒体、下筒体、下封头及管板的尺寸结构，完成强度设计；4、完成热力计算，确定主要管道内径；5、完成水动力计算，确定一次侧总阻力、不同循环倍率下二次侧循环阻力及运动压头；6、用作图法确定二次侧循环倍率及循环速度；7、绘制蒸汽发生器的总图；8、编写设计说明书。