CN105097055B - 自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法 - Google Patents

自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，该方法根据强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统换热器和预热器的设计参数，再分别对换热器和预热器进行设计和分析计算，包括换热器的设计参数、结构设计、热工和阻力计算，以及预热器的设计参数、结构设计、热工计算、电参数计算、临界热流密度计算、压降计算和强度校核计算。本发明提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化，具有很高的工程价值。

Description

自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法
技术领域
本发明属于反应堆热工水利领域，尤其涉及一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法。
背景技术
反应堆可以利用自然循环不依赖外部动力就将热量导出的能力，实现反应堆非能动安全设施在事故下的运行，从而提高反应堆的安全性。
自日本福岛事件后，国际和国内社会对核能安全提出了更高的要求，特别针对全厂断电和完全丧失冷却链等超设计基准事故缓解措施的可靠性给予了越来越多的关注。2012年6月国家核安全局对外发布的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求(试行)》中，多次提出对在运和在建核电机组在核电厂部分或全部安全系统功能丧失的情况下，如超设计基准洪水事件条件下，应该采取更多措施以带出余热。新近发布的《“十二五”期间新建核电厂安全要求和审评原则》中，明确要求十二五期间新建核电厂须增加反应堆堆芯的余热排出、应急冷却和最终热阱的考虑，应设置多样化的最终热阱。
ACPR1000项目目前的技术方案，尽管已经针对超设计基准事故设置了一些缓解措施，但在核电厂安全系统多样化设计方面尚有较大欠缺。根据目前确定论安全分析和PSA分析结果，蒸汽发生器二次侧相关事故具有重大贡献。因此，需要针对完全丧失给水、主蒸汽管道破裂及主给水管道破裂叠加辅助给水丧失、全厂断电、完全丧失冷却链等超设计基准事故设置可靠性更高的多样化缓解系统，而二次侧非能动余热排除系统正符合该要求。本发明正是针对上述问题而设计。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，旨在解决对超设计基准事故设置的措施可靠性不够高，核电厂安全系统多样化存在较大欠缺的问题。
本发明是这样实现的，一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，根据强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统换热器和预热器的设计参数，再分别对换热器和预热器进行设计和分析计算，包括换热器的设计参数、结构设计、热工和阻力计算，以及预热器的设计参数、结构设计、热工计算、电参数计算、临界热流密度计算、压降计算和强度校核计算。
进一步，0.1MW换热器的设计参数如下：
管程设计压力：17.2MPa；
管程设计温度：360℃；
管程工作压力：15.5MPa；
管程工作温度：345℃；
管程质量流量：0.6t/h；
换热器功率：0.1MW；
壳程设计压力：1.0MPa；
壳程工作压力：1.0MPa；
壳程设计温度：100℃；
壳程入口温度：45℃；
壳程出口温度：55℃；
管程工作介质：去离子水；
壳程工作介质：循环冷却水；
0.6MW换热器的设计参数如下：
管程设计压力：17.2MPa；
管程设计温度：360℃；
管程工作压力：15.5MPa；
管程工作温度：360℃；
管程质量流量：3.6t/h；
换热器功率：0.6MW；
壳程设计压力：1.0MPa；
壳程工作压力：1.0MPa；
壳程设计温度：100℃；
壳程入口温度：45℃；
壳程出口温度：55℃；
管程工作介质：去离子水；
壳程工作介质：循环冷却水。
进一步，预热器的设计参数为：
设计压力：17.2MPa；
运行压力：15.5MPa；
设计流量：2000kg/m2.s；
设计温度：500℃；
设计加热功率：0.3MW；
最大热流密度：225kW/m2。
进一步，预热器的临界热流密度校核采用以下两式进行计算，取二者中的小值作为校核数据参考值：
qDNB＝ξ(p,χe)ζ(G,χe)Ψ(Dh,hin)
进一步，所述的换热器包括第一主换热器、第二主换热器、辅助换热器，第一主换热器和辅助换热器功率为0.6MW，结构型式为管壳式，第二主换热器功率为0.1MW，结构型式为套管式；
第一主换热器和辅助换热器的结构包括上封头、隔板、管侧壳体、管侧进出口接管、固定管板、壳侧筒体、换热管、壳侧进出口组件、下封头、壳侧排水口组件，去离子水进口与去离子水出口间用隔板分隔，换热管固定于固定管板上，换热管的不同位置装有足够数量的支撑板和挡板，下封头上装有壳侧排水口组件；
第二主换热器的结构包括二次侧进出口组件、二次侧钢管、盲板、一次侧钢管、支架、一次侧进出口法兰组件，一次侧钢管与二次侧钢管间通过盲管连接，换热器依靠支架进行支撑及管线布置。
进一步，预热器采用蛇形管串联结构，预热器由入口组件、加热段组件和出口组件组成，采用三段等长的Ф32×3.5mm的0Cr18Ni10Ti不锈钢管并联加热，每段有效加热长度为5.0m，加热功率为100kW；
所述入口组件由螺栓、螺母、垫片、绝缘衬套、平垫片连接的进口法兰组成，所述加热组件由钢管、弯头组成，加热段组件依靠固定支架进行支撑，固定支架与钢管间依靠卡箍连接，卡箍与钢管间装有绝缘板
本发明提高了超设计基准事故设置的措施的可靠性和核电厂安全系统的多样化，具有很高的工程价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的第一主换热器和辅助换热器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一主换热器和辅助换热器的布管示意图；
图3是本发明实施例提供的第二主换热器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的第二主换热器的A-A视图；
图5是本发明实施例提供的预热器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的预热器的A-A视图。
图中：1-上封头；2-隔板；3-管侧壳体；4-管侧进出口接管；5-固定管板；6-壳侧筒体；7-换热管；8-壳侧进出口组件；9-下封头；10-壳侧排水口组件；11-二次侧进出口组件；12-二次侧钢管；13-盲板；14-一次侧钢管；15-支架；16-一次侧进出口法兰组件；17-螺栓；18-螺母；19-垫片；20-绝缘衬套；21-平垫片；22-进口法兰；23-铜排；24-钢管；25-固定支架；26-弯头；27-出口法兰；28-卡箍；29-绝缘板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本本发明，并不用于限定本发明。
1、换热器设计参数
强迫循环回路系统设置3台换热器，1台换热器位于旁通回路，位于混凝器冷端入口之前，其功能是初步降低混凝器冷端流体的温度；另外2台换热器位于混凝器后，其功能是进一步降低回路系统的温度，设计参数分别为：
0.1MW换热器的设计参数如下：
0.6MW换热器的设计参数如下：
2、换热器结构设计
如图1所示为主换热器和辅助换热器的设计结构图，第一主换热器和辅助换热器的设计功率为0.6MW，结构型式为U型管壳式。去离子水走管侧，进口为a,出口为b，冷却水走壳侧进口为c，出口为d。主要结构包括上封头1、隔板2、管侧壳体3、管侧进出口接管4、固定管板5、壳侧筒体6、换热管7、壳侧进出口组件8、下封头9、壳侧排水口组件10。去离子水进口a与去离子水出口b间用隔板2分隔，换热管7固定于固定管板5上，使用前应对连接处进行氦检漏试验，换热管7的不同位置应装有足够数量的支撑板和挡板，下封头9上装有壳侧排水口组件10，以保证有效的排空。主换热器和辅助换热器内换热管布置如图2所示。
如图3所示为第二主换热器的设计结构图，其设计功率为0.1MW，结构型式为套管式，采用内管加外套管结构，去离子水走内管侧，进口为a,出口为b，冷却水走套管侧，进口为c，出口为d。主要结构包括二次侧进出口组件11、二次侧钢管12、盲板13、一次侧钢管14、支架15、一次侧进出口法兰组件16。一次侧钢管14与二次侧钢管12间通过盲管13连接，所述换热器2依靠支架15进行支撑及管线布置。
如图5所示为预热器的结构示意图，其设计功率为0.3MW，采用蛇形管串联结构，预热器由入口组件、加热段组件和出口组件组成，主要包括螺栓17、螺母18、垫片19、绝缘衬套20、平垫片21、进口法兰22、铜排23、钢管、24、固定支架25、弯头26、出口法兰27、卡箍28、绝缘板29。所述入口组件由螺栓17、螺母18、垫片19、绝缘衬套20、平垫片21连接的进口法兰22组成，所述加热组件由钢管24、弯头26组成，加热组件依靠固定支架25进行支撑，固定支架25与钢管24间依靠卡箍28连接，卡箍28与钢管24间装有绝缘板29。
3、换热器热工和阻力计算
3.1热工计算
0.6MW换热器热工计算见表1。
表1 0.6MW换热器热工计算
序号 名称 符号 单位 公式 数值 备注
1 管侧进口温度 tw1 ℃ 345
2 管侧进口焓 iw1 KJ/kg 1634.6
3 管侧流量 Dw t/h 3.6
4 管侧出口温度 tw2 ℃ 239
5 管侧出口焓 iw2 KJ/kg 1034
6 壳侧压力 Pe′ Mpa 1.0
7 壳侧流量 Ds t/h 52
8 壳侧进口温度 te ℃ 45
9 壳侧进口焓 ie KJ/kg 189.2
10 壳侧出口温度 td ℃ 55
11 壳侧出口焓 id KJ/kg 231
12 管侧 Q′ MW Dw(iw2-iw1) 0.6006
13 壳侧 Q″ MW Ds(ie-id)+Dd(id′-id) 0.6038
14 热量校核(换热效率) - - Q’/Q″ 0.995
15 对数平均温差 Δtm ℃ 238.79
16 总传热系数 K W/m2℃ 1268
17 计算面积 A1 m2 Q/(kΔtm) 1.98
18 设计面积 A2 m2 1.3A1 2.579
19 传热管外径 do mm 14
20 传热管壁厚 dx mm 2
21 管内污垢热阻 ri m2.C/W 0.001
22 管导热系数 λ W/m.C 16.6
23 管壁导热热阻 rw m2.C/W 0.00012
24 翅化比 η 采用光管时取1 1
25 壳侧平均温度 two ℃ 50
26 管侧平均温度 twi ℃ 292
27 管外导热系数 λo 0.6410
28 管内导热系数 λi 0.65
29 管外运动粘度 υo 5.53E-7
30 管内运动粘度 υi 1.4E-7
31 管外普朗特数 Pro 3.55
32 管内普朗特数 Pri 0.825
33 管外雷诺数 Reo 暂定0.8m/s vd/ν 2.024E+04
34 管内雷诺数 Rei 暂定1.1m/s vd/ν 7.835E+04
35 管外努赛尔数 Nuo 0.023Pr0.4Re0.8 106
36 管内努赛尔数 Nui 0.023Pr0.4Re0.8 175
37 管外表面传热系数 ao λoNuo/do 4869.59
38 管内表面传热系数 ai λiNui/di 11387.89
39 总传热系数 k 1/((1/hi+ro)/η+rw) 1268
0.1MW换热器热工计算见表2。
表2 0.1MW换热器热工计算
3.2阻力计算
0.6MW换热器阻力计算见表3。
表3 0.6MW换热器阻力计算
0.1MW换热器阻力计算见表4。
表4 0.1MW换热器阻力计算
4、预热器的设计参数
预热器的设计参数为：
5、预热器结构设计
预热器采用传统的如图3所示的蛇形管串联结构，预热器由入口组件、加热段组件和出口组件组成。采用三段等长的Ф32×3.5mm的0Cr18Ni10Ti不锈钢管并联加热，每段有效加热长度为5.0m，加热功率为100kW，设计计算得到的预热器应力校核合格。40％～100％设计流量下，预热器临界热流密度的计算结果:在40％设计流量以上保守的DNBR大于1.3。
6、预热器热工计算
预热器总功率为0.3MW，采用“蛇形”三段串联结构加热，预热器每段的加热功率为100kW。按实验段入口压力为15.5MPa、入口温度200℃分别计算最大流量2000kg/(m2·s)和50％最大流量1000kg/(m2·s)时的温升。
预热器采用Φ32×3.5的不锈钢管弯制而成。
查水物性数据得：
查水物性数据得：
出口温度：tout＝321℃
7、预热器电参数、临界热流密度、壁面温度和压降计算
7.1电参数计算
每段的加热功率为100kW，采用三段串联结构，总加热功率为0.3MW。
tin＝200℃
tout＝265℃
tf,av＝(tout+tin)/2＝(265+200)/2＝233℃
若壁面平均温度以高于流体平均温度50℃计算：
因此预热器的壁面温度按照233+50＝283℃考虑，在该温度下，其电阻率为：
ρ＝0.775+0.00055·tw,av＝0.775+0.00055×283＝0.9306Ω·mm2/m
每一段的加热功率为100kW，加热管长度按照5.0m进行计算，其电阻和电源参数分别为：
电阻：R＝ρL/Sw＝0.9306×5/313.2＝0.0149Ω
电流：I＝(E/R)0.5＝(1.0×105/0.0149)1/2＝2590A
电压：U＝IR＝2590×0.0149＝38.6V
7.2临界热流密度校核
由于预热器的流动形式以及运行参数不符合现有临界热流密度计算公式的适用范围，外推计算时会引入一定误差，因此分别采用国际通用的W-3公式和Bowring公式进行计算，取二者中的小值作为校核数据参考值，以保证临界热流密度的校核计算的可信程度和一定的安全裕量。
预热器单管最大热流密度的计算为：
qmax＝E/(πDinL)＝3.0×105/(π×0.025×15.0)＝255kW/m2
a)W-3公式
qDNB＝ξ(p,χe)ζ(G,χe)Ψ(Dh,hin)
其中，
ξ(p,χe)＝(2.022-0.06238p)+(0.1722-0.001427p)×exp[(18.177-0.5987p)χe]ζ(G,χe)＝[(0.1484-1.596χe+0.1729χe|χe|)×2.326G+3271]×(1.157-0.869χe)
Ψ(Dh,hin)＝[0.2664+0.837exp(-124.1Dh)]×[0.8258+0.0003413(hf-hin)]
需要指出的是，W-3公式的适用范围如表5所示。
表5 W-3公式使用范围
参数 标识 范围 单位
压力 p 6.895～16.55 MPa
质量流速 G 1.36～6.805 103kg/(m2·s)
加热管长 L 0.254～3.668 m
平衡态含汽率 χe -0.15～0.15
热周 Dh 0.0051～0.0178 m
b)Bowring公式
其中，
n＝2.0-0.5·pr
当pr>1时
其中，D为管径，m；Δhsub为入口欠热焓，J/kg；hfg为汽化潜热，J/kg；L为管长，m；G为管内质量流速，kg/(m2·s)；
Bowring公式的适用范围如表6所示。
表6 Bowring公式适用范围
参数 标识 范围 单位
压力 p 0.2～19.0 MPa
质量流速 G 0.136～18.6 103kg/(m2·s)
加热管长 L 0.15～3.7 m
热周 Dh 0.002～0.045 m
c)计算结果
根据W-3和Bowring公式计算不同流量下的临界热流密度及DNBR值，其中，DNBR＝qDNB/qmax。加热管内的最大质量流速为2000kg/(m2·s)，预热器临界热流密度的计算结果参见表7。
表7 “蛇”形串联结构临界热流密度计算结果
7.3壁温校核
计算换热系数：
其简化计算式为：
其中，
管道内壁表面温度：
tw,in＝tf,av+qmax/α＝233+2.55×105÷16737＝248℃
其中，
导热系数λ＝14.85+0.014337·tw,av
计算管道外壁温度：tw,out＝265℃<设计温度500℃
由于圆管发热，且内部有流体冷却，因此，预热器管道实际平均温度高于由内外表面算得的算术平均值，此差值取10℃，则预热器管道实际平均温度：
tw,av＝10+(tw,in+tw,out)/2＝266℃
7.4压降计算
由于预热器加热管三段串联，因此总压降可采用以下公式进行计算：
Δp＝Δpc+Δpf
其中
Δpf 表示直管段摩擦压降，其计算长度为15m；
Δpc 表示为弯头处压降，共有2个180o弯头；
a)直管段摩擦压降
其中，
b)弯管段压降：
其中，
管路上有2个180°弯头，局部阻力系数取1.5，则局部压降：
总压降：
Δp＝Δpc+Δpf＝7.2+3.0＝10.2kPa
7.5电参数校核计算
在热力计算确定壁温后，进行电参数的重算，以确定电气参数，供电气设计使用。
计算管道平均温度：tw,av＝266℃
加热管电阻率：
ρ＝0.775+0.00055·tw,av＝0.775+0.00055×266＝0.9208Ω·mm2/m
电阻：R＝ρl/Sin＝0.9208×5/313.2＝0.0147Ω
电流：I＝(E/R)0.5＝(1.0×105/0.0147)1/2＝2608A
电压：U＝IR＝2608×0.0147＝38.3V
8、预热器强度校核计算
8.1直管厚度校核
预热器管道平均温度：
tw,av＝266℃
壁厚：
其中，pc＝17.2MPa
Di＝0.025m
ф＝1.0
tw,av＝266℃，0Cr18Ni10Ti不锈钢管的许用应力为[σ]t＝111.1884MPa，设计温度400℃时，许用应力为[σ]t＝108MPa，按设计温度进行校核计算：
满足pc＝17.2MPa<0.4·[σ]t·ф＝43.2MPa.
a)计算厚度
b)钢材厚度负偏差
C1＝1.25％·Do＝0.0125×32＝0.4mm
c)腐蚀裕量：
C2＝0m
d)钢材厚度附加量：
C＝C1+C2＝0+0.4＝0.4mm
e)管道名义厚度：
δn＝δ+C＝2.14+0.4＝2.54mm
因此，选取Φ32×3.5mm的不锈钢管道符合技术要求。
8.2弯管厚度校核
a)当不锈钢钢管以半径200mm弯曲时，计算厚度为：
b)管道名义厚度
δn’＝δ+C＝2.23×10-3+0.4×10-3＝2.63×10-3m
因此，选取Φ32×3.5mm的不锈钢管道符合技术要求。
c)弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆，会对应力产生影响，可用最大外径与最
小外径之差Tu表示：
其中，
Tu 弯管最大外径与最小外径之差，％；
Dmax 弯管横截面最大外径，mm；
Dmin 弯管横截面最小外径，mm；
Dw 直管外径，mm.
根据GB50235-97《工业金属管道工程施工及验收规范》对弯制弯管规定为：对设计压力≥10MPa的钢管，Tu不得超过5％。在管道加工完成后，应对Tu进行测算，以防超出限制。
8.3应力校核
a)有效厚度
δe＝δn-C＝3.5-0.4＝3.1×10-3m
b)计算应力
即满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，其特征在于，该方法根据强迫循环实验回路的设计参数和功能需求，确定实验回路系统换热器和预热器的设计参数，再分别对换热器和预热器进行设计和分析计算，包括换热器的结构设计、热工和阻力计算，以及预热器的结构设计、热工计算、电参数计算、临界热流密度计算、压降计算和强度校核计算；
0.1MW换热器的设计参数如下：
管程设计压力：17.2MPa；
管程设计温度：360℃；
管程工作压力：15.5MPa；
管程工作温度：345℃；
管程质量流量：0.6t/h；
换热器功率：0.1MW；
壳程设计压力：1.0MPa；
壳程工作压力：1.0MPa；
壳程设计温度：100℃；
壳程入口温度：45℃；
壳程出口温度：55℃；
管程工作介质：去离子水；
壳程工作介质：循环冷却水；
0.6MW换热器的设计参数如下：
管程设计压力：17.2MPa；
管程设计温度：360℃；
管程工作压力：15.5MPa；
管程工作温度：360℃；
管程质量流量：3.6t/h；
换热器功率：0.6MW；
壳程设计压力：1.0MPa；
壳程工作压力：1.0MPa；
壳程设计温度：100℃；
壳程入口温度：45℃；
壳程出口温度：55℃；
管程工作介质：去离子水；
壳程工作介质：循环冷却水；
预热器的设计参数为：
设计压力：17.2MPa；
运行压力：15.5MPa；
设计流量：2000kg/m2.s；
设计温度：500℃；
设计加热功率：0.3MW；
最大热流密度：225kW/m2。
2.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，其特征在于，预热器的临界热流密度校核采用以下两式进行计算，取二者中的小值作为校核数据参考值：
qDNB＝ξ(p,χe)ζ(G,χe)Ψ(Dh,hin)
q C H F = A &prime; + 0.25 &CenterDot; D &CenterDot; G &CenterDot; &Delta;h s u b C &prime; + L .
3.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，其特征在于，所述的换热器包括第一主换热器、第二主换热器、辅助换热器，第一主换热器和辅助换热器功率为0.6MW，结构型式为管壳式，第二主换热器功率为0.1MW，结构型式为套管式；
第一主换热器和辅助换热器的结构包括上封头、隔板、管侧壳体、管侧进出口接管、固定管板、壳侧筒体、换热管、壳侧进出口组件、下封头、壳侧排水口组件，去离子水进口与去离子水出口间用隔板分隔，换热管固定于固定管板上，换热管的不同位置装有足够数量的支撑板和挡板，下封头上装有壳侧排水口组件；
第二主换热器的结构包括二次侧进出口组件、二次侧钢管、盲板、一次侧钢管、支架、一次侧进出口法兰组件，一次侧钢管与二次侧钢管间通过盲管连接，换热器依靠支架进行支撑及管线布置。
4.如权利要求1所述的自然循环及强迫循环回路系统的换热器和预热器设计方法，其特征在于，预热器采用蛇形管串联结构，预热器由入口组件、加热段组件和出口组件组成，采用三段等长的Ф32×3.5mm的0Cr18Ni 10Ti不锈钢管并联加热，每段有效加热长度为5.0m，加热功率为100kW；
所述入口组件由螺栓、螺母、垫片、绝缘衬套、平垫片连接的进口法兰组成，所述加热组件由钢管、弯头组成，加热段组件依靠固定支架进行支撑，固定支架与钢管间依靠卡箍连接，卡箍与钢管间装有绝缘板。
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