空冷排氣管道主要技術(shù)問題分析

全 俊

（上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司，上海 200090）

1 概 述

近幾年，隨著我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展，高效、低耗和環(huán)保已成為設(shè)計(jì)和建造現(xiàn)代化發(fā)電廠優(yōu)先考慮的因素?？绽湎到y(tǒng)因其無(wú)需依賴水源的特點(diǎn)，在干旱、缺水地區(qū)的新建火電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用，其潛在而巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和環(huán)保效益正獲得越來越顯著的體現(xiàn)，未來發(fā)展前景十分廣闊。在空冷機(jī)組中，直接空冷系統(tǒng)憑借其調(diào)峰的靈活性和基建投資相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，在新建火電機(jī)組中得到了較為普遍的運(yùn)用。

圖1 直接空冷機(jī)組汽水系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)的原理圖，見圖1所示。汽輪機(jī)的乏汽從低壓排汽缸引出后，經(jīng)大直徑的排汽管道送至廠房外的空冷島內(nèi)，直接被空氣冷凝?？諝馀c蒸汽之間進(jìn)行熱交換所需的冷卻空氣由機(jī)械式風(fēng)機(jī)提供，通過對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)或投入切風(fēng)機(jī)，可靈活調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。

空冷島內(nèi)的流場(chǎng)系統(tǒng)，見圖2所示?？绽鋶u中除散熱器外，排汽管道系統(tǒng)也是十分重要的部分。排汽管道是指從低壓缸排汽裝置出口到空冷凝汽器蒸汽分配聯(lián)箱入口之間的管道，其作用是在各種工況下，將汽輪機(jī)排汽依次經(jīng)排汽裝置和排氣管道排入空冷凝汽器內(nèi)。管道流場(chǎng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體應(yīng)力的計(jì)算，管道布置等技術(shù)問題直接關(guān)系著機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)也影響投資額及占地面積的大小。

圖2 直接空冷空冷島流場(chǎng)系統(tǒng)

2 管道流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

直接空冷系統(tǒng)中排汽管道設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，關(guān)系到空冷凝汽器的冷卻效果和空冷系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。優(yōu)化空冷排汽管道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是在排汽管道的某些特殊部位平衡各蒸汽分配管的流量與壓降，均勻分配系統(tǒng)中水與蒸汽的流量，減少蒸汽的壓損，從而提高換熱效率。

工程中常利用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)不同汽輪機(jī)工況下的排汽管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)直接空冷排汽管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模擬計(jì)算前，需對(duì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算網(wǎng)格的優(yōu)化。從幾何形狀上看，排汽管道系統(tǒng)為軸對(duì)稱布置，但流體并不完全沿對(duì)稱軸進(jìn)行對(duì)稱流動(dòng)，因此，采用四邊形結(jié)構(gòu)對(duì)排汽管道系統(tǒng)的網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域離散。選用不同的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格質(zhì)量和疏密程度的影響，并檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)聯(lián)性。通常情況下，采用有限容積法控制微分方程的離散化，同時(shí)采用K－ε雙方程式建立湍流模型，并對(duì)方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，再利用SIMPLE算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合。在排汽管道入口處，采用質(zhì)量與流量的入口條件，選取各分配管的出口壓力，作為該處的壓力出口邊界條件，忽略蒸汽的壓縮性及其通過管道壁面的傳熱，以此簡(jiǎn)化計(jì)算模型，使得排汽管道內(nèi)流動(dòng)的飽和蒸汽滿足下列控制方程：

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量守恒方程

基于以上模型，利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)空冷排汽管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用試誤法對(duì)各種工況進(jìn)行了模擬。對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可確定管道導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)及數(shù)量，并可計(jì)算流經(jīng)各管段的流量與壓降。在數(shù)值模擬過程中，通常將大排汽管道系統(tǒng)中的三通連接管作為分析的重點(diǎn)部位。

模擬結(jié)果表明：在直接空冷大直徑排汽管道的彎頭和三通等處，應(yīng)當(dāng)安裝導(dǎo)流葉，不僅可以減小工質(zhì)在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力，使管道內(nèi)的工質(zhì)分布均勻，還有利于提高直接空冷系統(tǒng)的整體熱效率，從而優(yōu)化了直接空冷排汽管道的設(shè)計(jì)。

3 管道強(qiáng)度校核與應(yīng)力分析

直接空冷機(jī)組排汽管道采用大直徑的薄壁管，在負(fù)壓的工況下工作，其載荷條件和支吊架的型式較復(fù)雜，因此，需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核和應(yīng)力分析。

排汽管道常處于多向應(yīng)力的作用下，故以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，采用不同性質(zhì)的應(yīng)力分析法，分別以不同限定值的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。管道應(yīng)力一般可分為一次、二次和峰值這三類應(yīng)力。由內(nèi)壓和外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于一次應(yīng)力，對(duì)其采用極限分析法進(jìn)行校核；因熱脹冷縮引發(fā)變形，使管道承受約束力而產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力，對(duì)其采用許用應(yīng)力驗(yàn)算和控制交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行限定。峰值應(yīng)力是指管系結(jié)構(gòu)在不連續(xù)處由于局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的增量，須對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對(duì)管系的整體應(yīng)力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以確保排汽管道在各種荷載作用下安全可靠，并計(jì)算其對(duì)汽輪機(jī)低壓缸產(chǎn)生的推力，將力矩值控制在安全范圍之內(nèi)，以滿足設(shè)備運(yùn)行的要求。有關(guān)大排汽負(fù)壓管道的強(qiáng)度計(jì)算，用有限元軟件ANSYS對(duì)排汽管道系統(tǒng)進(jìn)行建模，進(jìn)而對(duì)其做應(yīng)力分析：（1）根據(jù)重力、溫度、沉降差、風(fēng)載、地震等載荷情況，分為多個(gè)典型工況進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行強(qiáng)度校核；（2）對(duì)排汽管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和地震響應(yīng)譜分析，計(jì)算地震對(duì)排汽管道的動(dòng)載荷；（3）選取特征值分析排汽管道的屈曲臨界壓力；（4）根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)排汽管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并按ASME VIII標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，對(duì)管道強(qiáng)度進(jìn)行校核，使其滿足極限設(shè)計(jì)條件。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：

采用ANSYS有限元分析排汽管道時(shí)，可以通過施加重力、內(nèi)壓、沉降差、附件位移、風(fēng)載、地震等載荷條件和提取位移、支反力、彎矩、應(yīng)力、膨脹節(jié)角度和軸力等計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確反映出排汽管道系統(tǒng)的形態(tài)和受力。

在排汽管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)考慮以下兩個(gè)潛在因素的影響：在不同工況下，排汽管道系統(tǒng)支吊架的支吊力在一定范圍內(nèi)變化，可能會(huì)引起支吊架的裂紋擴(kuò)展和疲勞失效；由于排汽管道系統(tǒng)的固有頻率低，空冷系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的低頻振動(dòng)可能造成管道系統(tǒng)的激勵(lì)而形成共振，對(duì)管道造成破壞。

排汽管道的應(yīng)力變化具有其特殊性，因而，在建立管道模型之前，需進(jìn)行補(bǔ)償器的選擇計(jì)算，并考慮設(shè)備基礎(chǔ)的差異沉降位移、風(fēng)荷載、地震荷載、支架摩擦力等的影響。采用CAESAR II管道應(yīng)力分析程序?qū)ε牌艿赖膬?nèi)壓及外部荷載（真空推力、摩擦力、風(fēng)荷載、地震荷載、差異沉降等）進(jìn)行分析及組合計(jì)算，以此來解析波紋補(bǔ)償器與減震器的受力狀況。通過計(jì)算各設(shè)備接口處的推力和力矩，以控制支吊架（包括非線性約束）的荷載和位移。這些計(jì)算結(jié)果可用于排汽管道的局部荷載計(jì)算及整體應(yīng)力分析，為設(shè)備和材料的訂制提供依據(jù)。

4 管道排布

目前，空冷系統(tǒng)中的管道布置方式，有落地式、懸吊式和V形布置（也稱Y形布置）等三類形式。管道的布置方式會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生直接的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮。

落地式管道布置是從排汽裝置接口引出管道，經(jīng)地面延伸至汽輪機(jī)房A列外，然后在平行于A列的直管段上，按機(jī)組中空冷散熱器的列數(shù)進(jìn)行分支，分出的支管豎直向上延伸至空冷平臺(tái)后，再與蒸汽分配管相接。該布置方式節(jié)省了固定在鋼桁架上的大管道吊架和大直徑的膨脹節(jié)，但由于其管道長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致管材用量增多。

懸吊式管道布置是將排汽總管水平引至汽機(jī)房A列外，讓總管彎曲90°再豎直向上，達(dá)到某高度后，按列數(shù)分出支管，然后用連接彎頭與蒸汽分配管相連。與落地式布置相比，懸吊式管道布置因采用懸空吊架與外伸的鋼桁架代替地面上的防扭滑動(dòng)支座，節(jié)省了支座數(shù)量，使得基礎(chǔ)用量和加工量大為減少；此外，該布置方式還有利于電氣母線與地面小管道的布置，且便于將管道引入汽輪機(jī)房?jī)?nèi)。

“V”型布置方式是從排汽裝置水平引出管道至汽輪機(jī)房A列外，然后在垂直于地面的平面內(nèi)傾斜上升，在上升過程中豎直展開分支并通過90°彎頭與蒸汽分配管相連接。該種布置型式不僅使管道耗鋼量和支座數(shù)量明顯減少，也減少了從排氣裝置出口到蒸汽分配管的90°彎頭數(shù)，管道沿程阻力及管道壓降隨之減少。此外，“V”形布置有利于電氣母線出線和A列外管溝布置，便于小管道垂直A列進(jìn)入汽輪機(jī)房。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇懸吊式管道的布置方案，且盡量將管道布置成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這不僅能夠使蒸汽均勻分配至每個(gè)支管，也簡(jiǎn)化了管道支吊點(diǎn)的設(shè)置和整個(gè)管系的計(jì)算。選擇管系的布置形式前，應(yīng)與排汽裝置的生產(chǎn)廠家進(jìn)行協(xié)商解決接口處的受力問題。在確定了支管（列數(shù)）數(shù)量后，應(yīng)結(jié)合A列柱布置條件（涉及到管系能否對(duì)稱布置）、土建支柱、平臺(tái)布置（在靠近A列處是否懸挑）、電氣母線出線等因素進(jìn)行綜合分析，從而選擇合適的管道布置方式。

5 管道施工

合理、高效的管道施工管理，對(duì)節(jié)約投資費(fèi)用、確保工程進(jìn)度有重要影響。

熱沖洗前需對(duì)管道進(jìn)行“噴砂”處理，徹底清理管道內(nèi)部。采用分段焊接方式，使排汽管與汽缸連接，同時(shí)需密切監(jiān)測(cè)汽缸連接處負(fù)荷的變化，避免應(yīng)力產(chǎn)生。排汽管的安裝，依照先低后高的順序進(jìn)行。充分利用土建施工的空冷平臺(tái)作為支撐，先安裝好支吊架，再吊裝管道，以減少臨時(shí)支 吊架的施工量。管道安裝前，應(yīng)將減振器布置在地面（零米標(biāo)高）以下，通過控制減振器與排汽管道的距離來保證管道的標(biāo)高尺寸和管道在各個(gè)方向的熱膨脹，為下一步的管道安裝提供便利。

整個(gè)管道系統(tǒng)施工完畢后，采用人工打磨和氣流吹掃等方法，再次清理管道并進(jìn)行密封性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)管道及散熱管束的密封性。試驗(yàn)前，利用干凈的壓縮空氣作為介質(zhì)，對(duì)臨時(shí)接入的管道進(jìn)行吹掃。該過程中，臨時(shí)管道的接入路線應(yīng)便捷，以減少施工量和吹掃次數(shù)。密封性試驗(yàn)后，可對(duì)管道系統(tǒng)的支吊架彈簧進(jìn)行調(diào)整。機(jī)組投運(yùn)前，對(duì)整套系統(tǒng)的空冷管道進(jìn)行熱態(tài)沖洗，以保證凝結(jié)水和疏水的水質(zhì)達(dá)到運(yùn)行要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)的水資源日益緊缺，所以，開發(fā)空冷機(jī)組技術(shù)具有重要的意義。按照《電力工業(yè)“十一五”規(guī)劃》、《國(guó)家重大技術(shù)裝備研制和重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)規(guī)劃》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》的要求，加強(qiáng)大型空冷機(jī)組成套設(shè)備的研究開發(fā)能力，逐步掌握空冷島系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提升核心設(shè)備及配套設(shè)備的設(shè)計(jì)能力，才能加快推進(jìn)直接空冷系統(tǒng)的自主化設(shè)計(jì)進(jìn)程。

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