凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)優(yōu)化計(jì)算分析

劉克為， 孫源浦， 程方

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司；哈爾濱 150046；2.中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150050）

0 引言

凝汽器的喉部是電站凝汽器的重要組成結(jié)構(gòu)，它聯(lián)系著凝汽器的主凝結(jié)區(qū)和汽輪機(jī)排汽口，接收來自汽輪機(jī)低壓缸的排汽，蒸汽經(jīng)過喉部進(jìn)入凝汽器的主蒸汽區(qū)換熱凝結(jié)。如果凝汽器喉部流動阻力過大，最直接的將是導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽壓力的升高，從而影響其效率，一般喉部壓力損失增加0.133 kPa，汽輪機(jī)功率將減少0.08[1]。同時(shí)，蒸汽阻力過大還會造成凝結(jié)水內(nèi)氧氣超標(biāo)，加速換熱管和其他設(shè)備的腐蝕性。而且，由于喉部流場不均勻而產(chǎn)生的局部高速汽流，對凝汽器內(nèi)的換熱管和支撐管產(chǎn)生巨大的沖擊力，影響凝汽器的使用壽命。低壓加熱器、抽氣管組、上部支撐管、喉部補(bǔ)償節(jié)等結(jié)構(gòu)的布置，都會產(chǎn)生一定的阻力作用[2]。為此在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下，降低凝汽器喉部的汽阻，是非常必要的。近來一些研究人員將研究方向置于低壓加熱器的布置位置及布置方式上[3-4]，希望通過調(diào)整低壓加熱器的合理布置，以達(dá)到降低凝汽器喉部阻力的效果。本文研究內(nèi)容主要是通過對凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究降低喉部汽阻的優(yōu)選方案，為凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 喉部補(bǔ)償節(jié)流場分析

1.1 設(shè)備參數(shù)和物理模型

凝汽器與汽輪機(jī)后氣缸的連接方式為剛性和彈性連接兩種形式：1）剛性連接進(jìn)氣口與汽輪機(jī)后氣缸排氣口采用法蘭螺栓連接，一般用于汽輪機(jī)后氣缸為鑄鐵結(jié)構(gòu)的小汽輪機(jī)組。2）彈性連接是指凝汽器進(jìn)汽口與汽輪機(jī)后氣缸排汽口之間采用橡膠或金屬波形膨脹節(jié)（補(bǔ)償節(jié)）的連接形式。橡膠補(bǔ)償節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是可大量地吸收來自各個(gè)方向的熱膨脹量，成本低，但存在橡膠老化問題，需定期更換。金屬波形膨脹節(jié)即不銹鋼補(bǔ)償節(jié)，補(bǔ)償量受到限制，不能太大，但壽命長，成本相對較高，目前廣泛采用的是此種補(bǔ)償節(jié)。本文計(jì)算模型采用的也是此種結(jié)構(gòu)。

常用凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)設(shè)計(jì)方案通過4排支撐鋼管進(jìn)行加固，考慮到多排支撐管的布置可能會引起過大的氣阻，需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，方案1為將原有的4排支撐管減少為單排，并在中間殼體直段外部增加兩排筋板，方案2將原有的4排支撐管減少為雙排，并在中間殼體直段外部增加一排筋板。

圖1 補(bǔ)償節(jié)支撐管布置外形圖

本文的計(jì)算思路為：根據(jù)設(shè)備尺寸利用Unigraphics NX建立凝汽器上部的三維計(jì)算模型，導(dǎo)入ANSYS-Icem網(wǎng)格劃分軟件中劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，使用CFX（或FLUENT）流體分析軟件進(jìn)行流場阻力計(jì)算。如圖1為凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)支撐鋼管布置外形圖，其中圖1（a）為補(bǔ)償節(jié)支撐鋼管布置的俯視圖（用于圖1(c)和圖1(d)），圖1（c）為常用喉部補(bǔ)償節(jié)4排支撐鋼管布置方案，圖1(d)為優(yōu)化的支撐鋼管單排布置方案；圖1(b)為根據(jù)圖1(a)進(jìn)行簡化后的補(bǔ)償節(jié)支撐鋼管布置的俯視圖（用于圖1(e)），圖1(e)為優(yōu)化的支撐鋼管雙排布置方案；圖1中，支撐鋼管尺寸為φ76 mm×6 mm。

所用的控制方程組為[5]：

其中：ρ為流體的密度；μ為動力黏度系數(shù)；ε為湍流耗散率；k為湍流動能。常數(shù)取值為：Cμ=0.09；Cε1=1.44；Cε2=1.92;στ=1.0，σε=1.3。

以單排布置方案為例（4排布置和雙排布置類同），圖2為所建立的凝汽器三維結(jié)構(gòu)模型，凝汽器上部主要包括低壓加熱器、抽氣管組、大量的支撐管等等，由于本文主要著眼于凝汽器喉部的阻力計(jì)算分析，因此在建模時(shí)為節(jié)約計(jì)算內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間，暫不考慮上部支撐管的存在。

圖3為該模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果圖，本模型采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，總網(wǎng)格數(shù)約為1 267 900個(gè)。

根據(jù)工程實(shí)際情況，在模型計(jì)算的過程中，做以下假設(shè)條件[6]：1）由于主要分析凝汽器喉部一段的蒸汽流場，蒸汽流動的速度快，距離短，發(fā)生相變的蒸汽量少，因此假定工質(zhì)蒸汽的密度不變；2）假設(shè)凝汽器喉部入口的蒸汽流場分布均勻；3）假設(shè)整個(gè)流場的溫度恒定不變；4）忽略蒸汽自身重力的影響。

圖2 凝汽器三維結(jié)構(gòu)模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

根據(jù)以上假設(shè)，本文求解模型采用k-ε模型，運(yùn)用SIMPLEC算法，不考慮重力的影響，流體介質(zhì)為蒸汽，給定入口邊界條件為：inlet蒸汽入口流量為168.89 kg/s，蒸汽焓值為2 321 925 J/kg；蒸汽出口邊界條件設(shè)為壓力出口，靜壓為0.0049 MPa。

1.2 流場計(jì)算結(jié)果分析

按照以上計(jì)算過程，分別對如圖1中的喉部補(bǔ)償節(jié)各種支撐鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到，本文中喉部補(bǔ)償節(jié)支撐鋼管采用單排布置產(chǎn)生的喉部汽阻要比采用4排布置結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的喉部汽阻減少73左右，雙排布置產(chǎn)生的喉部汽阻將比單排布置產(chǎn)生的喉部汽阻多17左右；可見文中所提出的兩種優(yōu)化方案中，喉部補(bǔ)償節(jié)支撐鋼管的單排布置方案產(chǎn)生的喉部汽阻更小些。圖4為單排支撐管布置方案最終得到的流線圖。

2 喉部補(bǔ)償節(jié)強(qiáng)度分析

2.1 有限元計(jì)算模型

為了解優(yōu)化后的凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠滿足強(qiáng)度要求，通過有限元軟件對補(bǔ)償節(jié)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的變形和應(yīng)力情況進(jìn)行了分析計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估，以期為凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)殼體材料為Q235-A材料，許用應(yīng)力為113 MPa，彈性模量為210 GPa，材料密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3。補(bǔ)償節(jié)材料為06Cr19Ni10，彈性模量為186 GPa,許用應(yīng)力為137 MPa。

由于凝汽器上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件繁多，為準(zhǔn)確模擬補(bǔ)償節(jié)上下邊界的載荷和位移邊界條件，本次建模還建立了一部分凝汽器上部結(jié)構(gòu)以及低壓缸的一部分。對補(bǔ)償節(jié)部分進(jìn)行了全實(shí)體三維建模，忽略一些對計(jì)算結(jié)果影響不大的部件。計(jì)算模型包括凝汽器上部、低壓缸一部分、補(bǔ)償節(jié)殼體、支撐結(jié)構(gòu)、筋板以及波紋段。所建立的計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 單排布置計(jì)算結(jié)果圖

圖5 凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)有限元計(jì)算模型

凝汽器在設(shè)計(jì)工況下，凝汽器喉部、補(bǔ)償節(jié)、低壓缸均承受外部的大氣壓力為0.101 325 MPa。凝汽器上部和低壓缸結(jié)構(gòu)的邊界部位施加固定約束，凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的載荷和邊界條件施加如圖6所示。

圖6 凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的載荷及邊界條件施加

圖7 單排凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

通過建立有限元模型，導(dǎo)入軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)在優(yōu)化設(shè)計(jì)后的應(yīng)力和變形結(jié)果。

2.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前結(jié)果分析

圖8 單排凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)的變形情況

表1 單排凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的應(yīng)力結(jié)果判定

1）由應(yīng)力結(jié)果云圖7可知，凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)承受外壓后，補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力主要出現(xiàn)位置位于補(bǔ)償節(jié)短邊跨中支撐管與殼體連接位置，最大應(yīng)力為338.8 MPa。殼體材料為Q235A，100℃的許用應(yīng)力強(qiáng)度值為108 MPa，補(bǔ)償節(jié)材料為06Cr19Ni10，許用應(yīng)力為116 MPa。根據(jù)JB-4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求對此工況下進(jìn)行應(yīng)力評定，評定結(jié)果如表1所示。

2）由變形結(jié)果云圖8可知，改為單排支撐管后，補(bǔ)償節(jié)的最大變形出現(xiàn)在短邊下部波紋段的跨中位置，最大變形為15.4 mm。由圖7支撐桿件應(yīng)力云圖可以看出，十字支撐桿件超出許用應(yīng)力的桿件個(gè)數(shù)較多，且單排支撐管豎向變形為5.3 mm，易導(dǎo)致補(bǔ)償節(jié)支撐失效，有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)果分析

1）由應(yīng)力結(jié)果云圖9可知，改為雙排補(bǔ)償節(jié)，補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力主要出現(xiàn)位置位于補(bǔ)償節(jié)長邊跨中下部波紋段位置，最大應(yīng)力為411.4 MPa。殼體材料為Q235A，100℃的許用應(yīng)力強(qiáng)度值為108 MPa，補(bǔ)償節(jié)材料為06Cr19Ni10，許用應(yīng)力為116 MPa。根據(jù)JB-4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求對此工況下進(jìn)行應(yīng)力評定，評定結(jié)果如表2所示。

2）由變形結(jié)果云圖10可知，改為雙排支撐管后，補(bǔ)償節(jié)的最大變形出現(xiàn)在短邊下部波紋段的跨中位置，最大變形為9.4 mm。單排支撐管豎向變形為1.2 mm，補(bǔ)償節(jié)剛度較單排支撐情況有很大改善，降低了失穩(wěn)的可能性。

圖9 雙排凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)波的應(yīng)力分布

圖10 凝汽器補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)的變形情況

表2 雙排凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)的應(yīng)力結(jié)果判定

通過對以上模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析得到，單排支撐結(jié)構(gòu)相比雙排支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷要大很多，尤其是如圖1（a）中心位置十字交叉的2根鋼管為高應(yīng)力集中區(qū)域，可能導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的集體失穩(wěn)；為此，可以將中心2根鋼管的外徑適當(dāng)加大，當(dāng)鋼管規(guī)格由φ76 mm×6 mm提高到φ114 mm×6 mm后，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到一定的緩解。但同時(shí)補(bǔ)償節(jié)的高度高，支撐跨度大，支撐結(jié)構(gòu)桿件承受的壓力比較大，桿件應(yīng)力和支撐結(jié)構(gòu)的豎向變形均相對較大，對補(bǔ)償節(jié)的整體穩(wěn)定性有一定的影響。

采用雙排支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，補(bǔ)償節(jié)結(jié)構(gòu)的整體剛性較單排支撐剛度提升較大，且鋼管的φ76 mm×6 mm規(guī)格較單排φ114 mm×6 mm的管子的重量不會增加太多，應(yīng)力水平也在允許范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

本文利用流場分析計(jì)算軟件及強(qiáng)度計(jì)算軟件對以往常用的凝汽器喉部補(bǔ)償節(jié)4排支撐鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出一種單排支撐鋼管結(jié)構(gòu)和一種雙排支撐鋼管結(jié)構(gòu)，并對2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了阻力對比分析以及強(qiáng)度對比分析，最后得到幾種支撐結(jié)構(gòu)中單排支撐鋼管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的喉部汽阻更小些，但是相對來說，穩(wěn)定性比較差；相比之下，雙排支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的喉部壓損略有增加，但是穩(wěn)定性也有所提升。