Расчет парогенератора ПГВ-1000

1. Основные характеристики и конструкция парогенератора ПГВ-1000

Парогенератор ПГВ-1000 — однокорпусный горизонтальный теплообменник с погружной поверхностью теплообмена, состоящий из горизонтально расположенных труб, со встроенными паросепарационными устройствами, системой раздачи аварийной питательной воды.

Корпус ПГ — горизонтальный цилиндрический сосуд, торцы которого с двух сторон закрыты эллиптическими днищами. Материал корпуса — легированная конструкционная сталь 10ГН2МФА.

Длина корпуса 13 840 мм, внутренний диаметр 4000 мм, толщина стенок в средней части корпуса 145 мм, на концевых участках 105 мм, толщина стенок днища 120 мм.

Коллекторы теплоносителя первого контура предназначены для раздачи теплоносителя первого контура в теплообменные трубы ПГ. «Горячий» и «холодный» коллекторы имеют одинаковое устройство.

Коллектор состоит из двух камер: верхней — конической и нижней — цилиндрической с внутренним диаметром 834 мм и толщиной стенок 171 мм. Коллекторы выполнены из легированной конструкционной стали 10ГН2МФА. Внутренняя поверхность коллекторов, включая крышки фланцевых разъемов, плакированы антикоррозионной наплавкой: 1 слой — 340−8; 2 слой — ЭА 899/216.

Каждый коллектор имеет: переходное кольцо Ду — 850, для соединения с главным циркуляционными трубопроводами, штуцер Ду-20, предназначенный для непрерывной и периодической продувки, два штуцера Ду-10 — воздушник и штуцер контроля плотности фланцевого соединения первого контура.

В верхней части коллекторы первого контура имеют фланцевый разъем Ду-500, снабженный плоской, при снятии которой, возможен доступ внутрь коллектора. Уплотнение каждого фланцевого соединения осуществляется с помощью двух никелевых прокладок, герметичность уплотнений контролируется с помощью измерения давления в междупрокладочном пространстве (МПП) фланцевых разъемов, образованном двумя прокладками. Перетечка сред из одного контура в другой не допускается. Герметичность фланцевых соединений ПГ контролируется как в процессе разогрева, так и в процессе эксплуатации на отсутствие течей в контролируемых полостях.

Поверхность теплообмена ПГ выполнена из 11 000 змеевиков, изготовленных из труб 16*1,5 из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т. Змеевики скомпонованы в два U-образных пучка, имеющих по три вертикальных коридора, для обеспечения устойчивой гидродинамики циркулирующей котловой воды. Трубки в пучках размещены в шахматном порядке с шагом по высоте S₁=19мм, по ширине S₂=23мм. Концы змеевиков заделываются в стенки коллекторов теплоносителя путем обварки их торцов с антикоррозионным покрытием внутренних полостей аргонно-дуговой сваркой с последующей вальцовкой на всю глубину заделки в коллектор методом взрыва. Змеевики дистанционируются в трубном пучке волнистыми и плоскими пластинами из стали 08Х18Н10Т, которые в свою очередь закрепляются в опорных конструкциях, расположенных в корпусе ПГ.

В паровом пространстве ПГ установлен жалюзийный сепаратор, состоящий из набора пакетов жалюзей. Конструкция пакета включает в себя установленный за жалюзями паровой дырчатый лист. Пакеты располагаются под углом 26^o к вертикали в паровом объеме ПГ на высоте около 750 мм от погружного дырчатого листа. Жалюзи волнообразного профиля выполнены из стали 08Х18Н10Т.

Подвод питательной воды осуществляется через патрубок, расположенный в верхней части корпуса ПГ. К патрубкам питательной воды через проставки с трубой присоединен коллектор Ду-400, расположенный в паровом объеме ПГ, разветвляющийся на две раздающие трубы Ду-250, расположенные над погружным дырчатым листом. Питательная вода подается на «горячую» часть теплообменного пучка под дырчатый лист через 16 раздающих коллекторов Ду-80, соединенных раздающими трубами и имеющих по длине 38 трубок Ду-25 для выхода питательной воды. Материал системы подвода и раздачи питательной воды — сталь марки Ст20. Подвод питательной воды в аварийных режимах при работе на мощности меньшей 7% от номинальной осуществляется через патрубок расположенный на днище. К патрубку присоединен коллектор Ду-100 с раздающими трубами Ду-20. Материал патрубка — сталь 08Х18Н10Т.

Для выравнивания паровой нагрузки зеркала испарения в водяном объеме ПГ установлен погружной дырчатый лист, который представляет собой набор листов с отверстиями диаметром 13 мм на металлической раме. Живое сечение дырчатого листа для прохода пара составляет около 8%.

Пароотводящая система включает в себя 10 патрубков Ду — 350 из стали 22К. Патрубки с помощью переходников из стали 20 соединены в общий паровой коллектор Ду — 600 из стали 16ГС.

2. Теплотехнические характеристики парогенератора в номинальном режиме

3. Тепловой расчет

Исходные данные

Паропроизводительность ;

Параметры теплоносителя,, ;

Параметры пара:, ;

Температура питательной воды

Кратность циркуляции ;

Принципиальная тепловая схема парогенератора

Рисунок 1 — Тепловая схема ПГ с водным теплоносителем В выбранной конструкционной системе ПГ, питательная вода подается на «горячую» часть теплообменного пучка под дырчатый лист, где происходит частичная конденсация пара и подогрев питательной воды до температуры воды контура естественной циркуляции. Далее питательная вода попадает в опускной участок контура естественной циркуляции ПГ, где смешивается с водой, отсепарированной в жалюзийном сепараторе, поступает в межтрубное пространство теплопередающей поверхности, нагревается до температуры насыщения и испаряется на испарительном участке. Пароводяная смесь поступает в жалюзийный сепаратор, пройдя погружной дырчатый лист, где происходит отделение воды от пара. Влажность пара на выходе из ПГ равна 0,2%.

Тепловая мощность парогенератора. Расход теплоносителя. Т-Q диаграмма

Для рассчитываемого ПГ уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

где — тепловая мощность на экономайзерном участке;

— тепловая мощность на испарительном участке;

— расход питательной воды с учетом продувки;

— КПД парогенератора;

— энтальпия пара на линий насыщения ();

— энтальпия питательной воды (и);

r=1544.2 кДж/кг — скрытая теплота парообразования;

— энтальпия на входе теплоносителя (и);

— энтальпия на выходе теплоносителя (и)

Тепловая мощность ПГ:

Тепловая мощность экономайзерной части ПГ:

Тепловая мощность испарительной части ПГ Расход теплоносителя Определяем энтальпию теплоносителя на выходе из испарительной части ПГ:

которой соответствует температура

(и)

Определяем энтальпию рабочего тела при смешении с котловой водой Энтальпия воды контура естественной циркуляции:

которой соответствует температура

(и)

Рисунок 2 — t-Q диаграмма ПГ

4. Выбор материалов основных элементов ПГ

Выбираем следующие марки стали:

· для труб теплопередающей поверхности — Х18Н10Т;

· для коллектора теплоносителя — 10ГН2МФА, плакированная со стороны, омываемой теплоносителем, сталью Х18Н10Т;

· для элементов корпуса 10ГН2МФА

Расчет толщины стенок труб теплопередающей поверхности, горячего и холодного коллекторов теплоносителя

Толщина стенки труб теплопередающей поверхности рассчитывается по формуле:

где — расчетное давление, МПа;

— внешний диаметр, мм. Принимаем

— минимальный коэффициент прочности труб;

C — допуск увеличения к расчетной толщине, мм;

— допустимое напряжение, МПа.

Расчетное давление находим по формуле:

Для расчета номинально допустимого напряжения необходимо знать температуру стенки трубы в входном (по теплоносителю) сечении. Точное значение можно определить по формуле:

где — коэффициент теплопередачи, ;

— коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенки трубы, ;

— коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу на входном (по т/н) участке трубы, .

В первом приближении можно принять;. Тогда При для стали Х18Н10Т. Коэффициент прочности труб .

Где Прибавка к толщине на минусовой допуск:

Прибавка к истончению стенки за счет коррозии .

Прибавка на технологию .

Прибавка на уплотнение изогнутой части трубы

Для расчета примем овальность труб и толщину стенки .

Прибавка к расчетной толщине:

Уточняем толщину стенки трубки:

Ближайшая большая толщина стенки по ГОСТу на трубы со стали Х18Н10Т равняется 1.8мм. Ее и примем как толщину стенки труб теплопередающей поверхности. Тогда внутренний диаметр трубки:

Площадь живого сечения трубы:

Толщина стенки входной и выходной камеры коллектора рассчитывается по формуле:

где — внутренний диаметр;

— коэффициент прочности камер;

С=1 — допуск увеличения к расчетной толщине.

Расчетная температура стенки камер. При этой температуре для стали 10ГН2МФА. В соответствии с рекомендациями выбираем шахматное расположение отверстий в перфорированной части коллектора: продольный шаг расположения отверстий; поперечный шаг по окружности внутренней поверхности .

Для расчета толщины стенки перфорированной части коллектора рассчитываем коэффициент прочности перфорированной части коллектора.

· для продольного ряда:

Где

· для поперечного ряда:

· для диагонального ряда:

Для расчета принимаем меньшее значение коэффициента прочности

Толщина стенки коллектора будет равна:

Принимаем. Наружный диаметр коллектора равен:

Толщина стенки конусной части коллектора:

где — угол конусности.

Принимаем толщину стенки конусной части коллектора теплоносителя .

5. Расчет площади теплопередающей поверхности и длинны труб испарительного участка ПГ

Таблица 1

Число труб теплопередающей поверхности

Расчет коэффициента теплопередачи на входе в испарительный участок Таблица 2

Физические параметры теплоносителя во входном сечении

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Температура стенки принимается ориентировочно равной:

Коэффициент теплопроводности стали Х18Н10Т при ;

Термическое сопротивление стенки трубы и оксидных пленок:

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде рассчитывается методом последовательных приближений. Как первое значение удельного теплового потока принята величина:

Рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопередачи будет равен:

Удельный тепловой поток рассчитывается по формуле:

Таблица 3

Расчет коэффициента теплоотдачи

Коэффициент теплопередачи, площадь теплопередающей поверхности, длинна труб испарительного участка ПГ

Средний коэффициент теплопередачи испарительного участка ПГ:

Больший температурный напор:

Меньший температурный напор:

Среднелогарифмический температурный напор:

Расчетная площадь теплопередающей поверхности испарительного участка:

Таблица 4

Расчет площади теплопередающей поверхности испарительного участка

6. Тепловой расчет экономайзерного участка ПГ

парогенератор конструкция теплоноситель экономайзерный Исходные данные:

Таблица 5

Физические параметры теплоносителя в выходном сечении

7. Площадь теплопередающей поверхности, длинна и масса труб ПГ

Таблица 6

8. Гидравлический расчет ПГ

Гидравлическое сопротивление первого контура ПГ

Плотность и вязкость теплоносителя на входе:

;

Плотность и вязкость теплоносителя на выходе:

;

Плотность и вязкость т/н при средней температуре т/н ПГ ():

;

Абсолютная шероховатость поверхности стали ОХ18Н10Т принята равной k=0,01 мм. P₁=15.5 МПа Таблица 7

Гидравлический расчет ПГ по 2-му контуру

Гидросопротивление по2-му контуру складывается из сопротивления подачи питательной воды, сопротивления погружного дырчатого листа, сопротивления жалюзийного сепаратора, сопротивления пароотводящих труб и коллектора пара.

Сопротивление входа питательной воды из входного патрубка питательной воды Скорость воды в патрубке питательной воды:

Коэффициент сопротивления при повороте трубопровода на 35^о:

Коэффициент сопротивления при распределении потока на короткий и длинный отводы:

Живое сечение трубки Живое сечение одного отвода с учетом 38шт.

f (d_у80) = n''' (d_у25) = 1,87 10-² м²

Живое сечение короткого отвода при шести и длинного — при десяти

f_кор = n' f (d_у80) = 0,112 м²;

f_дл = n'' f (d_у80) = 0,187 м²

Сумма живых сечений всех трубок .

f_тр = f_кор + f_дл = 0,298 м²

Затрата питательной воды в коротком и длинном отводах:

Скорость потока в коротком и длинном отводах:

м/с;

м/с.

Потери напора по длине отводящих труб:

_вх = 0,7;_тр = 0,515;_пов = 0,33.

Определим скорость потока в коротком и длинном отводах:

м/с;

м/с.

Определим скорость питательной воды на выходе из трубы d_у25:

м/с;

м/с.

Потери напора в раздающих трубах

Коэффициент сопротивления входа в трубки _вх = 0,7.;

Коэффициент гидравлического трения _тр = 0,515

Коэффициент сопротивления при повороте потока _пов = 0,33;

Потери напора в выходных трубах d_у25

Суммарные потери напора по тракту питательной воды

P₂ = Рп._у + P'_вх + P"_вх + P'₂ + P"₂ + P'₃ + P'₄ = 55 748 Па.

9. Достаточность парового пространства для сепарации пара

Высота уровня воды в ПГ над ПДЛ h=0.1 м.

Расстояние от ПДЛ к нижней кромке ЖСП Н_жс=0.75 м.

Плотность среды, которая проходит через ЖСП: _s = «= 34,4кг/м³; ' = 746,3 кг/м³.

Влажность на входе

Коэффициент a = 0,65 — 0,0039 P_s =0,38

Таблица 8

Гидравлический расчет парового тракта

Расчет сопротивления ПГ по паровому тракту состоит в пребывании сопротивлений внутрикорпусных устройств: погружного дырчатого листа, жалюзийного сепаратора, элементов вывода и подачи пара в паропровод.

Площадь прохода дырчатого листа:

Коэффициент сопротивления дырчатого листа

_д.л = 2,74;

" = 34.4 кг/м³

Скорость пара при прохождении ПДЛ:

м/с.

Потери напора при прохождении пара через ПДЛ:

Па.

10. Жалюзийный сепаратор

Площадь прохода ЖСП F_жс = 17.6 м².

Коэффициент сопротивления ЖСП:

_с = 0.05; _с^вх120 = 1.67; _с^вх60 = 0.65.

_с = _з + _с^вх120 +_с^вх60 = 0.05 + 1.67 + 0.65 = 2.37.

Скорость пара при прохождении ЖСП:

м/с.

Потери напора при прохождении пара через ЖСП:

Па.

Скорость пара на входе в патрубки:

м/с Потери напора в пароотводящих патрубках:

Па, _вх = 1.5.

Скорость пара в пароотводящих патрубках:

м/с Потеря напора при повороте трубы на 80°:

Па где _пов⁸⁰ = 0.2 -коэффициент сопротивления при повороте трубы на 80°.

Потеря напора на входе в пароотводящий коллектор:

Па;

где _вхп.^п.к = 1 — коэффициент сопротивления пара на входе в пароотводящий коллектор.

Скорость пара в паровом коллекторе:

м/с Потеря напора на преодоление сопротивления парового коллектора:

;

Изменение напора вдоль парового коллектора для среднего ряда труб:

Р_к._п = 2/3 Р_п._к=2/3 57 398=38265 Па Полная потеря напора на преодоление парового тракта ПГ:

P_ПГ^{п.тракту} = Р_д.л + P_жс +P_пп + P_вх^п.о + P_пов + P_вх^п.к + Р_к.п -;

Р_п.к = 2443+17.7+4227+3479+17 393+38265−57 398=8427 Па Мощность ГЦН, затрачиваемая на преодоления потерь по 1-му контуру ПГ.

Вт;

135 140 Вт;

188 571 Вт где _ГЦН = 0.76 — адиабатический КПД ГЦН Мощность ТПН, затрачиваемая на преодоление потерь по 2-му контуру ПГ.

Вт где _ПН = 0.82 — адиабатический КПД питательного насоса

11. Размеры и масса основных узлов корпуса коллектора и ВКУ

P_1P = 17.1 МПа Для ВКУ: P_2P = 1.35P₁=8.9MПа; T_расч=350С; С = 8;

_ст = 7500; = 185; = 0.636

Таблица 9

12. Масса коллектора

Высота коллектора по паспорту — 4.97 м Высота перфорированной и цилиндрической частей — 3.42 м Высота перфорированной части — 2.2 м Высота цилиндрической части — 1.22 м Высота конической части — 1.55 м Объем перфорированной части для трех вариантов:

= 1.4 м³;

1.55 м³;

1.65 м³.

d_з = 1.69 м;

d_вн = 1.26 м;

м³;

d_з = 1.58 м; d_вн = 1.26 м;

;

R = 0.7 м; r = 0.3 м;

;

R_вн = 0.42 м; r_вн = 0.5 м.

Масса коллектора для трех вариантов:

M_кол = (V_перф + V_цил + V_.кон) = 33 750 кг;

34 875 кг;

35 625 кг.

Толщина крышки люка коллектора первого контура (Ду — 600):

;

k = 0.6; k₀ = 1;

Расчет эллиптического днища крышки люка второго контура:

м;

м³;

м³;

V_е.д = V_З — V_вн = 0.04 м³.

Масса элементов, кг:

масса днища — 921.6;

масса коллектора пара — 6480;

масса коллектора питательной воды — 1024;

масса сепараторных устройств — 4950;

масса погружного дырчатого листа — 705.

Таблица 10

Масса основных узловых деталей

13. Расчет стоимости ПГ

Стоимость центральной обечайки:

.

Стоимость боковой обечайки:

.

Стоимость эллиптического днища:

.

Стоимость корпуса:

Ц _корп = Ц _ц.об + 2 Ц _б.об + 2 Ц _ел..

Стоимость коллектора питательной воды:

.

Стоимость погружного дырчатого листа:

.

Стоимость жалюзийного сепаратора:

.

Стоимость трубного пучка:

.

Стоимость парового коллектора

.

Стоимость ВКУ:

Ц _ВКУ = Ц _КЖВ + Ц _ПДЛ + Ц _ЖСП + Ц _ТП + Ц _ПК .

Стоимость парогенератора Ц _ПГ = Ц _корп + Ц _ВКУ .

Стоимость основных узлов ПГ (в грн) Таблица 11

14. Расчетные затраты и выбор оптимальной скорости теплоносителя

Оптимальная скорость т/н определяется по наименьшим приведенным затратам В = Е_нК + S min,

где Ен = 0.4 — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, год-1,

К — стоимость изготовления ПГ, тыс. грн;

S — эксплуатационные расходы, тыс. грн/год.

Для ПГ эксплуатационные затраты складываются из амортизационных отчислений Sам, расходов на текущий ремонт Sп. р, Общестанционные расходы Sз и электроэнергию для прокачки теплоносителя и рабочего тела ПГ — Sе:

S = S_ам + S_п.р + S_з + S_е.

Первые три составляющие рассчитываются в зависимости от К следующим образом:

Sам = 0.07 К;

Sп.р = 0.15 Sам = 0.0105 К;

Sз = 0.2 (Sам + Sп. р) = 0.016 К.

Затраты на электроэнергию (тыс. грн / год) при проведении технико-экономических расчетов определяются по формуле

S_е = Т_експл В_е (N₁ + N₂) 10-⁵,

где Текспл = 7000 часов — количество часов работы АЭС в год;

N1 и N2 — мощность ГЦН и ЖН, необходимая для преодоления сопротивления первого и второго контуров ПГ, кВт;

Ве — замыкающие затраты на электроэнергию, (кВт ч), для энергосистемы Украины В_е = 2.5 (кВт ч). Приведенные затраты равны В = 0.4Ц_ПГ + 7000 (N₁ + N₂) В_е 10-⁵ = S_к + S_е

Зависимость приведенных затрат от скорости теплоносителя

Заключение

В данном курсовом проекте мы провели расчет горизонтального парогенератора, что обогревается водой под давлением.

Тепловая мощность нашего парогенератора составляет 780 МДж / с.

В результате технико-экономического расчета мы получили значение составляющей расходы на электороэнергию

— 23 036 тыс. грн./час при скорости теплоносителя 4.5 м / с

— 30 218 тыс. грн./час при скорости теплоносителя 5.5 м / с

— 39 568 тыс. грн./час соответственно при скорости теплоносителя 6.5м/с. Капитальная составляющая приведенных затрат составила — 614 307 тис. грн./час, 575 730 тыс. грн./час., 547 835тис. грн./час. Как показывает нам график зависимости расчетных расходов от скорости теплоносителя оптимальная скорость в нашем случае является 6.5м/с, но для нахождения оптимального расхода надо увеличивать скорость т/н.

Стоимость парогенератора в нашем случае составляет 2 523 423 грн.

Список литературы

1. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине: «Теплотехническое оборудование АЭС» для студентов специальности 7.090.502. Атомная энергетика. — B. Кравченко, В. Е. Туркив — Одесса. ОПТУ, 1999.

2. «Термодинамические свойства воды и водяного пара» — Ривкин С. Л., Александров А. А. — Москва Издательство стандартов, 1984.

3. «Парогенерирующие установки атомных электростанций» — Рассохин НХ. — Москва, Энергоиздат, 1987.

4. «Основы компоновки и теплового расчета ПГ АЭС» — Ремжин Ю. Н. — Ленинград. Издательство ленинградского университета. 1982.