核動力裝置循環(huán)熱力分析D-核動力裝置

船舶核動力裝置

MarineNuclearPowerPlants核科學與技術(shù)學院（V2009.04.04）MNPP-C06-L179/2/2023《核動力裝置》26.5核動力裝置分析根據(jù)核電廠中主要系統(tǒng)和設(shè)備的工作特點，可以大致分為以下幾大類：反應堆；泵類（主泵、凝水泵、給水泵等）；換熱設(shè)備（蒸汽發(fā)生器、蒸汽再生器、給水加熱器、凝汽器等）；主汽輪發(fā)電機組；其它設(shè)備（汽水分離器、主蒸汽管道等）。9/2/2023《核動力裝置》3

損失核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膿p失反應堆中的換熱損失蒸汽發(fā)生器中的換熱損失給水回熱系統(tǒng)的換熱損失輔助設(shè)備工作引起的損失主冷凝器中的換熱損失主汽輪機中的損失9/2/2023《核動力裝置》41.反應堆內(nèi)的損失反應堆在運行過程中，堆芯核燃料發(fā)生裂變反應，放出大量熱能；同時，冷卻劑流過堆芯，將堆芯釋熱帶出堆外。因此，反應堆內(nèi)具有核裂變能轉(zhuǎn)換為熱能以及核燃料釋熱傳遞給冷卻劑兩個熱力過程。堆內(nèi)核能轉(zhuǎn)換為熱能過程堆內(nèi)核燃料釋熱傳遞給冷卻劑過程9/2/2023《核動力裝置》5從熱力學的觀點來看，核能都是，如果忽略核裂變過程中的能量損失，則核能從數(shù)值上應等于反應堆熱功率，即核裂變過程中，堆芯核燃料釋熱所具有的取決于釋熱時的核燃料溫度。即堆內(nèi)核能轉(zhuǎn)化為熱能過程中，損失為

堆內(nèi)核能轉(zhuǎn)換為熱能過程的損失9/2/2023《核動力裝置》6

圖6-22堆芯功率分布假設(shè)設(shè)堆芯為無反射層、均勻裝載的圓柱體，且釋熱沿堆芯高度的軸向分布遵循正弦規(guī)律9/2/2023《核動力裝置》7

堆芯功率、溫度分布規(guī)律9/2/2023《核動力裝置》8

堆內(nèi)核燃料釋熱傳遞給冷卻劑過程的損失冷卻劑流經(jīng)堆芯吸收的熱量所具有的為堆芯換熱過程的損失為9/2/2023《核動力裝置》9

反應堆內(nèi)損失原因分析堆內(nèi)核能轉(zhuǎn)換為熱能過程

核能全部是，熱能只有部分，從核能轉(zhuǎn)換為熱能，能量形式變化，能質(zhì)下降堆內(nèi)核燃料釋熱傳遞給冷卻劑過程

堆芯核燃料釋熱溫度遠高于冷卻劑吸熱溫度，即傳熱過程存在較大的溫差，從而造成了損失9/2/2023《核動力裝置》106.5.2蒸汽發(fā)生器的損失冷卻劑將反應堆產(chǎn)生的熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器中將熱能傳給二回路工質(zhì)。在蒸汽發(fā)生器的換熱過程中，由于冷卻劑和二回路工質(zhì)之間存在著傳熱溫差，因而產(chǎn)生損失。9/2/2023《核動力裝置》11在每一個區(qū)段冷卻劑的溫度和二回路工質(zhì)的溫度均為線性變化，每個區(qū)段的損失均等于該區(qū)段的一次側(cè)冷卻劑放出的熱量與二次側(cè)工質(zhì)吸收的熱差，總的損失為三個區(qū)段損失之和9/2/2023《核動力裝置》12蒸汽發(fā)生器預熱段損失二次側(cè):損失:一次側(cè):9/2/2023《核動力裝置》136.5.3給水回熱系統(tǒng)的energy損失給水回熱是利用輔機排出的廢汽或主汽輪機的抽汽來加熱蒸汽發(fā)生器的給水，以提高給水溫度，進而改善熱力循環(huán)的效率。在給水加熱器中，加熱蒸汽與給水之間存在換熱溫差，因此在換熱過程中必然要產(chǎn)生損失9/2/2023《核動力裝置》14放出吸收損失損失系數(shù)9/2/2023《核動力裝置》15

泵類的損失電動泵電動機泵汽動泵汽輪機泵9/2/2023《核動力裝置》16電動機的損失對于電動泵，驅(qū)動電機在工作過程中由于電樞繞組中的銅損、鐵損和機械摩擦使得部分電能和機械能耗散為熱能，被設(shè)備冷卻水帶走或者散失到周圍環(huán)境中;電動機的損失為Nm——電動機的輸入功率；Np——泵的輸入功率。9/2/2023《核動力裝置》17泵的損失泵在工作過程中，由于水力、流量及機械等損失使部分機械能耗散為熱能，這些耗散的能量基本上被流體所吸收；泵的損失為Ne——泵的有效功率；T0——環(huán)境的絕對溫度；Tf——泵所輸送流體的平均溫度。9/2/2023《核動力裝置》18核電廠熱力系統(tǒng)中主要的換熱設(shè)備有蒸汽發(fā)生器、凝汽器、蒸汽再熱器、給水加熱器等，這些設(shè)備的工作過程各不相同，但本質(zhì)相同；加熱介質(zhì)放出的熱量：吸熱介質(zhì)吸收的熱量：3.換熱設(shè)備的損失9/2/2023《核動力裝置》19加熱介質(zhì)放熱量的值吸熱介質(zhì)吸熱量的值換熱過程的損失

換熱過程的損失9/2/2023《核動力裝置》20

換熱設(shè)備損失原因分析換熱過程存在換熱溫差，是造成損失的根本原因向環(huán)境的散熱，造成了外部損失

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冷凝器損失原因分析冷凝器的損失換熱溫差引起的損失散熱引起的損失循環(huán)冷卻水帶入環(huán)境引起的損失9/2/2023《核動力裝置》226.5.6.主汽輪的損失從熱力學的角度來看，汽輪機的工作包括以下三個能量過程：蒸汽在汽輪機進、出口管道內(nèi)的流動損失；蒸汽在汽輪機通流部分膨脹做功而產(chǎn)生的各類損失；汽輪機輸出的機械能在通過汽輪機軸承、齒輪減速器傳遞到推進器軸系時產(chǎn)生的摩擦損失。9/2/2023《核動力裝置》236.6核動力裝置熱線圖分析在設(shè)計和論證階段，熱線圖是確定核動力裝置技術(shù)經(jīng)濟指標的重要依據(jù)。經(jīng)過分析、優(yōu)化而確定下來的熱線圖方案，除了保證裝置在運行時具有較高的經(jīng)濟性以外，還應滿足工作可靠、機動性好、重量尺寸小和造價低等許多重要指標。受重量、尺寸的限制，船舶核動力裝置的二回路系統(tǒng)一般不采用再熱循環(huán)，采取的回熱循環(huán)。對核動力裝置熱線圖的分析，主要是研究無回熱循環(huán)、有回熱循環(huán)以及裝置熱力參數(shù)對核動力裝置熱經(jīng)濟性的影響，確定符合裝置最大效率的這些參數(shù)的數(shù)值。

9/2/2023《核動力裝置》246.6.1無回熱循環(huán)的熱線圖

圖6-25無回熱循環(huán)的核動力裝置熱線圖9/2/2023《核動力裝置》25Energy損失系數(shù)：反應堆內(nèi)核能轉(zhuǎn)變成熱能：堆芯熱量傳遞：蒸汽發(fā)生器：給水回熱：輔助設(shè)備：主冷凝器：主汽輪機9/2/2023《核動力裝置》26圖6-26核動力裝置溫度分布圖6-27核動力裝置損失系數(shù)分布9/2/2023《核動力裝置》27反應堆內(nèi)核裂變能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓^程的損失最大因為核能是高質(zhì)能，熱能是低質(zhì)能，高質(zhì)能向低質(zhì)能轉(zhuǎn)換造成了較大的做功能力損失減小這項損失的措施有兩個方面提高核燃料的釋熱溫度采用適當裝置將核能直接變?yōu)殡娔芑驒C械能9/2/2023《核動力裝置》28堆芯熱量傳遞過程的損失原因是堆芯核燃料與流經(jīng)堆芯的冷卻劑之間存在較大的傳熱溫差]基本措施是減小傳熱溫差維持堆芯核燃料釋熱的溫度水平不變，在堆芯熱工設(shè)計時應盡量使熱阻最小，以提高堆芯冷卻劑平均溫度。冷卻劑溫度提高提高二回路蒸汽初參數(shù)，有利于改善熱循環(huán)效率；冷卻劑溫度提高，還有利于減小蒸汽發(fā)生器的傳熱面積，降低蒸汽發(fā)生器的重量尺寸。9/2/2023《核動力裝置》29蒸汽發(fā)生器中的損失原因：一次側(cè)冷卻劑與二次側(cè)工質(zhì)之間存在著換熱溫差減小換熱溫差可以減小該項損失，但是增大了換熱面。使蒸汽發(fā)生器的重量和尺寸加大。采用過熱蒸汽也會使蒸汽發(fā)生器中損失增大，過熱蒸汽可以降低汽輪機內(nèi)的損失。降低蒸汽發(fā)生器換熱過程中的損失的方法提高蒸汽的初壓、選擇適當?shù)倪^熱蒸汽溫度采用給水回熱蒸汽發(fā)生器外表面向周圍介質(zhì)散熱，也會引起工質(zhì)損失。9/2/2023《核動力裝置》301.蒸汽初溫對energy的影響9/2/2023《核動力裝置》312.廢氣壓力對energy損失的影響9/2/2023《核動力裝置》323.輔機驅(qū)動形式energy損失的影響9/2/2023《核動力裝置》336.6.3熱線圖比較

四種型式熱線圖型式Ⅰ為有電氣化輔機而無回熱的熱線圖型式Ⅱ為有一系列汽輪輔機而無回熱的熱線圖。型式Ⅲ為用輔機廢汽加熱給水的熱線圖型式Ⅳ為主機抽汽加熱給水的熱線圖。9/2/2023《核動力裝置》341.輔機廢氣回熱

圖6-31輔機廢氣加熱給水的熱線圖9/2/2023《核動力裝置》35圖6-32加