压水堆核电站多级限流孔板设计方法及其试验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.4MB 81 页 15积分
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摘 要
限流孔板是用于系统中的流体（各种液体和气体）在管道中流动时进行能量
交换和转移的过程中按一定运行工况要求降低静压的装置，是服务于蒸汽供应系
统（NSSS）和核岛配套设施（BNI）的辅助装置，是压水堆核电站中不可缺少的
辅助设备。国内核电站中所用的多级限流孔板由于设计计算比较困难，基本上由
国外进口，但是根据我国核电的发展趋势，多级孔板的国产化是必要的，也是必
然的。本课题来源于秦山二期核电站扩建工程，首先，基于限流孔板节流原理，
推导出三条重要推论，并在此基础上，分别对标准限流孔板，特殊限流孔板和多
级限流孔板进行了设计计算。然后分别研究和讨论了限流孔板、联接螺栓和法兰
的强度，并对限流孔板进行了抗震分析。最后，设计出限流孔板流动性试验平台，
验证了限流孔板的设计和计算方法的正确性。论文所做的工作主要体现在以下几
个方面：
1、理论研究：具体地介绍了限流孔板的功能、分类和节流原理，然后通过对
GB/T2624.2-2006/ISO5167-2:2003 的分析，总结出三点重要推论，为非标准限流孔
板的设计计算提供了理论依据。
2、设计计算：标准限流孔板是基于 GB/T 2624.2-2006《用安装在圆形截面管
道中的差压装置测量满管流体流量 第 2部分：孔板》中所提的迭代法设计计算的。
小孔径限流孔板的设计主要采用最小二乘法，拟合出一条关于
、
和
ReD
的三维
曲线，并得出
、
和
ReD
的关系式。多级限流孔板的设计计算，没有可供依据的
标准可循，主要根据经验公式，参考系统运行要求及安装空间，确定有关的结构
参数。
3、安全分析：计算了单板孔板、特殊孔板和多级孔板的应力并对其进行了
强度校核；然后分别对单板孔板、特殊孔板和多级孔板进行了抗震分析与计算；
介绍了联接螺栓和法兰的应力计算方法，并对它们的强度进行了校核。
4、限流孔板流动性能试验台的设计：介绍了限流孔板流动性能试验台的设计。
对各个种类的泵和流量计进行了详细的比较和说明，然后具体的介绍了流动性能
试验的试验条件、试验步骤、数据处理和误差分析等。
5、数据采集及相应界面设计：对数据采集卡 USB-9211 进行了介绍，然后具
体地得介绍了整个数据采集处理系统，并且详细地描述了各个工作模块。设计的
限流孔板流动性能试验台将实现流量压力与实际工况一致，并且使用数据采集卡
直接从传感器中采集数据，用高级语言编写软件，对采集的数据进行处理，计算
出雷诺数
ReD
和阻力系数
，绘制出雷诺数
ReD
和阻力系数
的曲线图。当雷诺数
足够大时，将限流孔板的阻力系数
值与限流孔板实际运行工况下要求的阻力系数
值进行比较，即能验证限流孔板的结构设计性能。
本文的理论研究和实验结果均表明，限流孔板的设计方法是正确可行的，有
重要的理论意义和实用价值。
关键词：核电站 限流孔板 最小二乘法 阻力系数 强度校核
ABSTRACT
The restriction orifice is a device used in the system's fluid (each kind of liquid and
gas) flows in the pipeline. It can reduce static pressure according to certain operating
condition in the exchange and transfer of energy process. It is indispensable auxiliary
equipment served in NSSS and BNI in a pressurized water reactor nuclear power plant.
The domestic multi-level restriction orifice used in nuclear power plant is basically
imported from abroad because the design and calculation is difficult. However, the
localization of multi-level restriction orifice is necessary and inevitable according to
China's nuclear power development trend. This research comes from Qinshan nuclear
power plant second phase expand project. First of all, we derived three important
inferences based on the throttling principle of restriction orifice. And on this basis, the
standard restriction orifice, special restriction orifice and multi-level restriction orifice
design calculations have been carried out respectively. And then we studied and
discussed the strength of restriction orifice, attachment bolt and flange. The
earthquake-resistant analysis of restriction orifice has been carried out. Finally, we
designed a flow property test-bed of restriction orifice to verify the validity of
restriction orifice’s design and calculation method. The major works of this paper were
as follows:
1. Principle research: This paper specifically describes the restriction orifice
functions, classifications and the principles of throttling, and analyses
GB/T2624.2-2006/ISO5167-2:2003, and then sums up three important deductions. It
provides a theoretical basis for the design calculation of the non-standard restriction
orifice.
2. Design calculation: The design calculation of standard restriction orifice is based
on GB/T2624.2-2006
《The differential pressure devices installed in circular section pipe
measure full bobbin fluid flow. Part 2: Orifice 》. The design of small-aperture
restriction orifice mainly uses least square method to fit out a three-dimensional curve
of
、
and
ReD
, and derive the relationship of
、
and
ReD
. To multi-level
restriction orifice design calculations, there is no basis for the standard to follow. It
mainly based on empirical formulas, and referenced system operating requirements and
the installation space to determine the structural parameters.
3. Safety analysis: The paper calculated the stress of single-stage restriction orifice,
special restriction orifice and multi-level restriction orifice, and check of their strength.
Then the earthquake-resistant analyses and calculations of single-stage restriction
orifice, special restriction orifice and multi-level restriction orifice have been carried out.
Simultaneously the paper described the attachment bolt and flange stress calculation
methods, and conducted a check of their strength.
4. Restriction orifice flow property test-bed design: The paper introduced the
design of restriction orifice flow property test-bed. It made detailed comparisons and
descriptions of the various types of pumps and flow meters, and then introduced the
flow property test’s test conditions, test steps, data processing and error analysis and so
on.
5. Data acquisition and the GUI design: The USB-9211 data acquisition card was
introduced. And then the entire data acquisition and processing system was introduced
specifically, and the various process modules were described in detail. The designed
restriction orifice flow property test-bed achieved the same flow and pressure as the
actual working conditions. The data acquisition card acquires data directly from the
sensors, and use high-level language to write software for processing data acquired.
Then calculate the Reynolds number and drag coefficient, drawing out the curve of the
Reynolds number and. When the Reynolds number is large enough, we compare the
drag coefficient of restriction orifice to the actual operating conditions required drag
coefficient. That is able to verify the structural design performance of restriction orifice.
This theoretical research and experimental results show that the restriction orifice
design method is correct and feasible, and there are important theoretical significance
and practical value.
Key Word ：Nuclear power plant, Restriction orifice, least square
method, Drag coefficient, Strength checking
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...................................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义.........................................................................................1
§1.2 国内外研究水平.............................................................................................2
§1.3 孔板的介绍.....................................................................................................4
§1.4 核电厂安全功能及分级[5] ..............................................................................5
§1.4.1 安全功能及分析方法.............................................................................6
§1.4.2 安全分级.................................................................................................6
§1.4.3 抗震分类.................................................................................................8
§1.5 本文的主要工作.............................................................................................8
第二章 限流孔板及其节流原理...................................................................................10
§2.1 限流孔板.......................................................................................................10
§2.1.1 限流孔板的功能和分类.......................................................................10
§2.1.2 限流孔板的节流原理...........................................................................11
§2.2 计算局部损失的普遍公式...........................................................................12
§2.2.1 管内流动突然扩大的局部损失...........................................................12
§2.2.2 计算局部损失的普遍公式...................................................................13
§2.2.3 局部阻力系数
的计算式 ................................................................... 13
§2.3 压力损失系数 K的确定..............................................................................14
§2.3.1 标准孔板压力损失系数 K的确定......................................................14
§2.3.2 非标准孔板及各种局部阻力件的压力损失系数的确定...................18
§2.4 本章小结.......................................................................................................18
第三章 限流孔板的设计计算.......................................................................................19
§3.1 管道内径大于 50mm 标准限流孔板的设计 .............................................. 19
§3.1.1 标准孔板的设计...................................................................................19
§3.1.2 基于 VB.NET 的设计界面及设计结果.............................................. 21
§3.2 管道内径小于 50mm 的小孔径限流孔板的设计 ...................................... 22
§3.2.1 利用量纲法对小孔径限流孔板设计...................................................22
§3.2.2 利用历史数据与试验方法对小孔径限流孔板设计...........................25
§3.3 特殊限流孔板设计计算...............................................................................28
§3.4 多级限流孔板设计计算...............................................................................29
§3.4.1 多级限流孔板的设计制造步骤...........................................................29
§3.4.2 多级限流孔板的设计计算...................................................................30
§3.5 采用的符号（包括单位）...........................................................................31
§3.6 本章小结.......................................................................................................32
第四章 限流孔板强度校核计算及抗震分析...............................................................34
§4.1 限流孔板的应力计算与强度校核...............................................................34
§4.1.1 应力计算公式.......................................................................................35
§4.1.2 强度条件...............................................................................................35
§4.1.3 应力计算与强度校核结果...................................................................35
§4.2 限流孔板的抗震分析与计算.......................................................................36
§4.2.1 限流孔板弯曲振动的固有频率计算...................................................37
§4.2.2 等效静力载荷计算...............................................................................37
§4.2.3 特殊限流孔板的抗震分析...................................................................38
§4.2.4 多级限流孔板的抗震分析...................................................................39
§4.2.5 计算结果...............................................................................................39
§4.3 联接螺栓预紧力计算及其强度校核...........................................................40
§4.3.1 记号及其定义.......................................................................................40
§4.3.2 预紧力的计算.......................................................................................41
§4.4 法兰应力计算与强度校核...........................................................................42
§4.4.1 记号及其定义.......................................................................................42
§4.4.2 弯矩的计算...........................................................................................44
§4.4.3 法兰应力计算.......................................................................................44
§4.4.4 法兰强度校核.......................................................................................45
§4.5 本章小结.......................................................................................................45
第五章 限流孔板流动性能试验平台设计与水压试验...............................................46
§5.1 限流孔板流动性能试验台的设计...............................................................46
§5.1.1 试验流程图与装置...............................................................................46
§5.1.2 泵的选择...............................................................................................48
§5.1.3 流量计的选择.......................................................................................49
§5.2 试验条件.......................................................................................................51
§5.2.1 流体条件...............................................................................................51
§5.2.2 试验环境温度.......................................................................................51
§5.2.3 试验压力...............................................................................................51
§5.2.4 试验管段...............................................................................................51
§5.2.5 取压口位置...........................................................................................51
§5.2.6 流量计的安装.......................................................................................52
§5.3 试验步骤.......................................................................................................52
§5.4 数据处理.......................................................................................................52
§5.5 误差分析.......................................................................................................53
§5.5.1 阻力系数
的相对标准偏差 ............................................................... 54
§5.5.2 运行流量条件
V
q设计
下的压降误差 ..................................................... 54
§5.5.3 运行压降条件
P设计
下的流量误差.....................................................54
§5.6 限流孔板水压试验.......................................................................................55
§5.6.1 试验装置...............................................................................................55
§5.6.2 试验要求...............................................................................................55
§5.6.3 水压试验的实施...................................................................................56
§5.6.4 水压试验的验收准则...........................................................................56
§5.6.5 水压试验结果.......................................................................................56
§5.7 本章小结.......................................................................................................57
第六章 数据采集及软件平台开发...............................................................................58
§6.1 数据采集卡 USB-9211.................................................................................58
§6.1.1 外观及参数...........................................................................................59
§6.1.2 连接及电路............................................................................................60
§6.1.3 USB-9211 驱动 ......................................................................................62
§6.2 程序设计基础...............................................................................................62
§6.3 程序设计及调试...........................................................................................63
§6.3.1 软件开发平台的选择...........................................................................63
§6.3.2 系统软件的整体结构...........................................................................64
§6.3.3 数据采集模块.......................................................................................66
§6.3.4 数据处理模块.......................................................................................66
§6.4 本章小结.......................................................................................................68
第七章 总结与展望.......................................................................................................70
§7.1 总结...............................................................................................................70
§7.2 论文的主要工作...........................................................................................70
§7.3 展望...............................................................................................................71
参考文献.........................................................................................................................72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................75
致 谢...............................................................................................................................76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源及意义
能源是人类社会存在与发展的基石。在过去的几百年中，以煤炭、石油、天
然气为主的一次性化石能源体系在推动社会进步，促进人类物质生活水平不断提
高的同时，也给地球发展带来了严重的负面影响：资源枯竭、环境污染、气候异
常，严重地影响了人类的生存和可持续发展。因此，开发清洁、安全、可靠、可
持续的新能源系统替代常规化石能源体系，已成为人类发展中最紧迫的课题[1]。
为了缓解能源矛盾，除了应积极开发太阳能、风能、潮汐能以及生物质能等
再生能源外，核能是被公认的唯一可大规模替代常规能源的既清洁又经济的现代
能源。
核能不仅资源丰富，而且单位能量大，地球上蕴藏的铀矿和镀矿资源相当于
有机燃料的几十倍。如果进一步实现受控核聚变，并从海水中提取氚加以利用，
就能从根本上解决能源供应的矛盾。
核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电。核电有以下几方面的优
势：一是核电在经济上有竞争力。核电成本每度只有 1.8 美分，以煤为燃料的发
电每度为 2.11 美分，以天然气为燃料的发电每度为 3.5 美分。虽然核电站建造成
本比常规发电厂成本高得多，但是由于政府放宽政策和未来核电站建造的规模优
势与设计的系统化、标准化，成本可以大大降低。二是核电有利于环保。它不排
放二氧化碳，可防止气候变暖，风力发电、太阳能、燃料电池等新能源虽然干净，
但效费比太高，还不是成熟的能源。三是安全性强。核电站存在放射性的危险，
所有国家都制定了严格的放射性防护安全标准。对个人允许接受的放射性剂量和
排入废气、废液的放射性允许浓度均有严格的规定。实际上，核电站排出污染物
对人类健康的危害程度要比同样规模的火电站小得多。一座 1000MW 的燃煤电站
每天排出的二氧化硫要在 500t 以上，还有一氧化碳、氧化氮和飞灰等的污染。由
于核燃料资源丰富，运输和储存方便，且核电厂具有污染小、发点成本地等优点，
因而从 1954 年前苏联建成第一座核电厂以来，核能发电在全世界得到很大发展。
国际原子能机构 2003 年5月30 日的统计数字表明，全球正在运行中的核电
机组到 2002 年年底共有 441 座，总发电能力为 359.7TW，发电量约占全世界总
发电量的 16%，即约为总发电量的 1/6。目前全世界还有 32 座核电机组正在兴建。
我国一次能源分布不均匀，70%的煤炭资源分布在西北部地区，水电资源主
要分布在西南、西北地区，而经济发达的东南沿海地区，煤炭资源仅占全国的 1%，
水资源不足 6%。全国铁路运输能力的 40%和水运总量的 1/3 用于煤炭运输。到
压水堆核电站多级限流孔板设计方法及其试验研究
2
2000 年底，我国发电装机容量达到 319320MW，其中水电 79350MW，占 24.9%；
火力 237549MW，占 74.4%；核电 2100MW，占 0.7%；风力、太阳能等新能源发
电约 330MW。全年发电量达到 1368.5TW·h，发电装机容量和发电量均占世界第
二位[2]。
据专家预测，到 2010 年和 2020 年，中国将有数万 MW 的电力缺口需要由
核电厂或者其他新能源来补充。受到其他能源经济竞争的影响，中国核电发展的
规模近期可能不会很大，但是核电作为常规电力的补充，有着不可替代的优势，
仍有相当大的发展空间。
限流孔板是用于核电站系统中的流体（各种液体和气体）在管道中流动时，
进行能量交换和转移的过程中按一定运行工况要求降低静压的装置，所以又称节
流孔板或限流孔板，是核电站中不可缺少的辅助设备。由于运行工况的不同，设
计了多种形式限流孔板，主要可分为单级孔板和多级孔板两大类。
本课题来源于秦山二期核电站扩建工程，分别对单级限流孔板、特殊孔板以
及多级限流孔板进行设计计算，开发出限流孔板流动性能试验台，验证限流孔板
的设计和计算方法的正确性，实现了多级限流孔板的国产化。
§1.2 国内外研究水平
核电虽然提供了全球发电量的 16%，但 83%的核发电量都集中在工业化国
家。有 16 个国家的核发电量占国内总发电量的 25%以上，其中法国、立陶宛、
比利时、斯洛伐克思过的核电百分比超过 50%。
到目前为止美国总共建造的商业核电站有 132 座，除已经关闭的 28 座，目前
仍在运行的有 104 座。2003 年，核电在美国发电量中所占比例约为 20%。美国核
能研究所(NEI)2003 年9月3日宣布，2002 年，美国的 103 座核反应堆连续第四
年成为可扩大规模的基荷电力生产中成本最低的电力来源。
法国目前拥有 59 座核反应堆，总装机容量超过 63Gwe，每年提供 4000 亿千
瓦时以上的电力。现在，法国 80%的能源来自核能，15%来自水电，5%的调峰用
电来自煤和石油。法国还是世界上最大的电力净出口国，每年因此获得约 26 亿欧
元的收人。法国政府计划在 2012 年建成第三代(EPR)反应堆的首台机组，2015 至
2020 年具备批量建设第三代反应堆的能力，2035 年完成第四代反应堆的开发。
截至 2005 年底，日本已建成并投入运行的核动力反应堆为 54 座，总功率为
4800 余万千瓦，其规模仅次于美国和法国，位列世界第三。2007 年度日本用于核
能开发利用和相关研究领域的经费高达 4831.55 亿日元(约合 41.55 亿美元)，与
2006 年度相比，增幅为 9.4%。
摘要：

摘要限流孔板是用于系统中的流体（各种液体和气体）在管道中流动时进行能量交换和转移的过程中按一定运行工况要求降低静压的装置，是服务于蒸汽供应系统（NSSS）和核岛配套设施（BNI）的辅助装置，是压水堆核电站中不可缺少的辅助设备。国内核电站中所用的多级限流孔板由于设计计算比较困难，基本上由国外进口，但是根据我国核电的发展趋势，多级孔板的国产化是必要的，也是必然的。本课题来源于秦山二期核电站扩建工程，首先，基于限流孔板节流原理，推导出三条重要推论，并在此基础上，分别对标准限流孔板，特殊限流孔板和多级限流孔板进行了设计计算。然后分别研究和讨论了限流孔板、联接螺栓和法兰的强度，并对限流孔板进行了抗震分析...

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