軸向排汽凝汽器支座載荷分析

軸向排汽凝汽器支座載荷分析

王 健
（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150090）

軸向排汽凝汽器具有流動(dòng)損失少，結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在大型電站汽輪機(jī)中具有良好的應(yīng)用前景。針對(duì)軸向凝汽器的軸向載荷引起各支座載荷的影響，結(jié)合漕涇項(xiàng)目軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)等效密度方法建立了凝汽器簡(jiǎn)化模型，計(jì)算分析了凈重、運(yùn)行及滿水工況下凝汽器各支座載荷，并于設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明軸向排汽凝汽器的支座載荷受到運(yùn)行工況的影響明顯，在軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮軸向載荷引起的支座載荷變化。

軸向排汽凝汽器；支座載荷；工況；等效密度

在大型燃煤電站和聯(lián)合循環(huán)電站中，汽輪機(jī)凝汽器存在徑向和軸向排汽兩種排汽方式。徑向排汽的汽流從低壓缸進(jìn)入凝汽器過(guò)程中存在流動(dòng)轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致低壓缸排汽損失，而軸向排汽方式的凝汽器直接在軸向連接低壓缸，汽流從低壓缸進(jìn)入凝汽器流動(dòng)順暢，能夠充分利用低壓缸排汽動(dòng)能，可有效減小排汽的流動(dòng)損失。此外，軸向排汽方式的機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝檢修方便，能夠有效降低電站基建成本和工期，相對(duì)徑向排汽的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)突出[1]。

軸向排汽凝汽器與低壓缸和基礎(chǔ)的連接結(jié)構(gòu)需要考慮水平熱位移和軸向力[2]。一般軸向排汽凝汽器與低壓缸之間通過(guò)膨脹節(jié)來(lái)考慮其熱位移的影響[3]。軸向排汽方式中汽輪機(jī)低壓缸沿軸向直接進(jìn)入凝汽器，這樣的設(shè)計(jì)方式在運(yùn)行時(shí)會(huì)在凝汽器側(cè)板上產(chǎn)生軸向推力。隨著汽輪機(jī)運(yùn)行工況的變化，軸向排汽凝汽器受到的軸向力發(fā)生變化，進(jìn)而改變凝汽器各支座載荷，甚至改變部分支座的受力方向。如果在某些工況下軸向排汽凝汽器軸向載荷過(guò)大，引起部分凝汽器支座載荷超過(guò)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，就容易導(dǎo)致凝汽器傾覆的安全事故，因此需要精確掌握軸向凝汽器運(yùn)行過(guò)程中支座載荷分布情況。

本文針對(duì)漕涇項(xiàng)目的軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)，建立了凝汽器結(jié)構(gòu)有限元模型，通過(guò)等效密度方法考慮了凝汽器內(nèi)部換熱管、隔板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重力，分別計(jì)算了凈重、運(yùn)行及滿水等三個(gè)工況下凝汽器各座的載荷，并與原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，為軸向排汽凝汽器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 漕涇項(xiàng)目軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)介紹

漕涇項(xiàng)目凝汽器具有5個(gè)支座，結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)工況，凝汽器在凈重、運(yùn)行，灌水三種工況下的總重分別為：

① 凈重：115 668 kg

②運(yùn)行重量：201 941 kg

③灌水重量：284 648 kg

④喉部?jī)糁兀?2 000 kg

⑤殼體凈重：80 000 kg

⑥滿水水重：170 kg

圖1 漕涇項(xiàng)目凝汽器結(jié)構(gòu)圖和支座分布

在支座載荷核算過(guò)程中，為更加準(zhǔn)確地反應(yīng)凝汽器的支座反力分布情況，通過(guò)數(shù)值方法對(duì)凝汽器底部各個(gè)支座的載荷情況進(jìn)行分析，并與漕涇項(xiàng)目凝汽器原設(shè)計(jì)方（TEI）所提供數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以期對(duì)軸向排汽凝汽器的設(shè)計(jì)提供參考。

2 凝汽器有限元建模

漕涇項(xiàng)目凝汽器可分為兩部分：（1）凝汽器殼體，包含水室和內(nèi)部管束結(jié)構(gòu)，即圖2中長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；（2）凝汽器喉部以及其內(nèi)部加強(qiáng)等設(shè)備，即圖2中梯形臺(tái)結(jié)構(gòu)。

由于凝汽器設(shè)備復(fù)雜，在計(jì)算凝汽器支座載荷時(shí)沒(méi)有必要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙建立凝汽器全模型，所以將對(duì)凝汽器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。凝汽器模型的簡(jiǎn)化既能保證與原設(shè)備重量相符，又有利于進(jìn)行有限元計(jì)算的形式。為此，該凝汽器簡(jiǎn)化為具有限元簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的凝汽器結(jié)構(gòu)

為了保證與原設(shè)備的重量相符，通過(guò)調(diào)整殼體和喉部的密度進(jìn)行等效密度的計(jì)算。首先計(jì)算出凈重狀態(tài)下有限元模型殼體和喉部的質(zhì)量分別為1 460 508 kg、370 704 kg，密度取 7 850 kg/m3.由第二部分設(shè)備參數(shù)知道，有限元模型質(zhì)量為原設(shè)備殼體質(zhì)量80 000 kg和35 668 kg時(shí)，求得此時(shí)的等效密度見(jiàn)表1.

表1 凝汽器等效密度

3 軸向排汽凝汽器支座載荷分析結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可以提取凝汽器各支座在凈重、運(yùn)行及滿水工況下的載荷，與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比情況如表2所示。

表2 凝汽器各支座載荷結(jié)果及與設(shè)計(jì)工況的對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）在凈重和灌水工況下，由于只受重力作用，支反力的方向均豎直向上。根據(jù)表3的顯示對(duì)比分析：凈重工況，R1、R2支座由于重心向喉部偏移，受喉部力矩影響，這兩個(gè)支座的支反力相對(duì)其他支座反力較小，與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比偏差較大；運(yùn)行工況與滿水工況，其分析結(jié)果與原設(shè)方數(shù)據(jù)更為接近。

（2）運(yùn)行時(shí)凝汽器內(nèi)部真空，側(cè)板受大氣壓強(qiáng)作用，對(duì)凝汽器軸向產(chǎn)生一個(gè)水平的推力，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)R1、R2兩支座的反力由壓力變?yōu)槔?。并且由于R5為死點(diǎn)固定，所以在此支座位置上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平方向的分力，用來(lái)平衡水平的大氣壓力。

4 結(jié)論

軸向排汽凝汽器運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大軸向推力，造成凝汽器一側(cè)有抬起趨勢(shì)。如果推力過(guò)大，地腳螺栓不牢固將有側(cè)翻危險(xiǎn)。通過(guò)建立簡(jiǎn)化模型對(duì)漕涇凝汽器底部支反力的計(jì)算表明，支座反力的趨勢(shì)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)有所差別，但支座載荷方向、趨勢(shì)吻合，能夠更精確反映凝汽器在凈重、運(yùn)行和灌水三種工況下的支座反力情況，為軸向排汽凝汽器的設(shè)計(jì)提供參考。本文的分析設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用到后續(xù)軸向排汽凝汽器的設(shè)計(jì)工作中。

[1]李萬(wàn)軍.一種軸向排汽低壓缸的研制[J].裝備制造技術(shù)，2015（5）：239-240.

[2]吳春燕，李海紅.西門(mén)子燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸向排汽凝汽器的特點(diǎn)[J].電站輔機(jī)，2006，12（4）：18-21.

[3]方 韋.軸向凝汽器膨脹節(jié)的分析研究[J].電站輔機(jī)，2016，37（3）：18-20.

Analysis of the Support Load of an Axial Exhaust Condenser

WANG Jian
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin Heilongjiang 150090，China）

With the advantage of low flow loss，compact structure and the convenience of assembly and dismounting，the axial exhaust condenser has a good application prospect in huge power stations.In order to study the influence of the axial force of axial exhaust condenser on the support load distribution，this paper considered the structure of the axial exhaust condenser in caojing power station，a simplified model of condenser was established based on equivalent density，the support load was calculated under net weight，working condition and full water，the results were compared with the design date.Results show that the influence of working condition on the support load is obvious，and the variation of support load due to axial load of condenser should be considered in the design of axial exhaust condenser.

axial exhaust condenser；support load；work condition；equivalent density

TK264.11

A

1672-545X（2017）08-0043-03