熱網(wǎng)凝汽器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)探討

顏強(qiáng)，周進(jìn)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

隨著電廠節(jié)能降耗的推進(jìn)，余熱利用成為電廠關(guān)注的重點(diǎn)，其中有一種很好的方案是在供暖期，將熱網(wǎng)回水通入凝汽器，汽機(jī)采用高背壓，并用汽機(jī)乏汽來加熱供熱水到預(yù)定溫度，達(dá)到余熱利用的目的，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

對于空冷機(jī)組一般是在排汽管道打孔抽汽，引入與空冷島并列運(yùn)行的新增凝汽器；濕冷機(jī)組是將原有凝汽器進(jìn)行改造，在凝汽器水側(cè)通入熱網(wǎng)回水。一般將蒸汽側(cè)為乏汽、水側(cè)為熱網(wǎng)水的凝汽器叫做熱網(wǎng)凝汽器，以區(qū)別常規(guī)凝汽器和熱網(wǎng)加熱器。由于凝汽器水側(cè)通入的是熱網(wǎng)回水，壓力較普通凝汽器高許多，在改造時(shí)，由于供熱管道高差較大或有的將熱網(wǎng)凝汽器放在泵后，這樣凝汽器受壓更高，另外汽側(cè)為高背壓，由此熱網(wǎng)凝汽器的一些設(shè)計(jì)條件和常規(guī)凝汽器不同，在設(shè)計(jì)時(shí)有些地方需要注意。

1 熱網(wǎng)凝汽器相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

1.1 管板

現(xiàn)熱網(wǎng)凝汽器的水側(cè)設(shè)計(jì)壓力基本在0.6～2.0 MPa，大部分設(shè)計(jì)壓力1.0～1.6 MPa，壓力較高，由于管板管孔量大，在進(jìn)行管板強(qiáng)度有限元分析時(shí)，計(jì)算機(jī)很難滿足運(yùn)算要求，可采用簡化模型進(jìn)行計(jì)算：換熱管簡化為實(shí)體并等效彈性模量，泊松比設(shè)定為0；管板布管區(qū)按多孔板簡化為當(dāng)量實(shí)心板，等效彈性模量以及泊松比。這樣對管板施加邊界條件即可對管板進(jìn)行近似計(jì)算，可用于工程應(yīng)用。

1.2 水室

由于水側(cè)高壓，水室的強(qiáng)度安全必須要保證，一般采用弧形水室，水室由于不連續(xù)結(jié)構(gòu)較多，并且水室較大，采用壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)方法很難解決強(qiáng)度問題，比較好的辦法是對水室進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算，采用ASMEⅧ-2或JB 4732分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求對分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分類并按規(guī)范要求進(jìn)行判定，但是對于不連續(xù)結(jié)構(gòu)較多時(shí)，對各項(xiàng)應(yīng)力進(jìn)行分類有較大困難。ASMEⅧ-2附錄5-A介紹了一種等效應(yīng)力線性化方法，該方法是基于彈性應(yīng)力分析方法，對于這種不連續(xù)處較多的結(jié)構(gòu)很適用，將危險(xiǎn)截面應(yīng)力線性化后，即可得到該路徑上的各類應(yīng)力值，從而判定應(yīng)力是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

JB 4732規(guī)定：一次薄膜+一次彎曲應(yīng)力≤1.5 KSm、一次薄膜+二次應(yīng)力≤3 KSm，可見應(yīng)力類別對于合格的評判標(biāo)準(zhǔn)差別很大，有時(shí)對于結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分類時(shí)很難判斷是一次彎曲應(yīng)力還是二次應(yīng)力，而有時(shí)彎曲應(yīng)力里有相當(dāng)大的二次應(yīng)力成分，而若在分析的時(shí)候不能判定應(yīng)力屬于一次彎曲還是二次應(yīng)力或不能分離出應(yīng)力里的二次應(yīng)力，保守處理可以都?xì)w于一次應(yīng)力。為了識別出應(yīng)力中的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，一次結(jié)構(gòu)法[3]提出將原結(jié)構(gòu)中的不利約束去掉，得到能承受外加機(jī)械載荷的一次結(jié)構(gòu)，在一次結(jié)構(gòu)下用等效線性化方法獲得的薄膜應(yīng)力和線性彎曲應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，從而可以對原結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分離，具體可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。

對于提高水室抗壓能力，除了直接對水室進(jìn)行分析，還有其他方法，比如對于雙流程，后水室的大小近乎于前水室的兩倍大，后水室抗壓能力較弱，可以考慮將后水室劃分為兩個(gè)水室，這里又有兩種劃分方法，一種是后水室設(shè)計(jì)為與前水室同樣的排列方式，在后水室兩個(gè)水室中間增加連通管；另一種是后水室所分的兩個(gè)水室與前水室軸線垂直排列，如圖1所示，此時(shí)每個(gè)后水室大致只容納一半的循環(huán)水流量，因此不需要增加連通管，當(dāng)凝汽器很大時(shí)，可以將后水室分割為并列的多個(gè)。這兩種分割水室的方法對于多流程同樣適用，把各個(gè)回彎水室作類似更改即可。水室的分割，使得水室的直徑大大減小，無疑提高了抗壓能力。另外水室分割后直徑減小，在場地限制非常嚴(yán)格的條件下，可以相對增加換熱管的有效長度，從而減少換熱管數(shù)量，減小凝汽器斷面尺寸。

圖1 后水室的另一種分割方法

另外可以考慮采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，采用半個(gè)橢圓或球形封頭加半個(gè)圓筒的形式，該結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)，可以減薄殼體厚度，并且在主體部分的接管可按壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。

圖2 新結(jié)構(gòu)的弧形水室

1.3 直接空冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器的連接方式

直接空冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器上是新增的較大的排汽管道，對整個(gè)凝汽器附加的推力和推力矩較大，由于放在室外，上部管道還有風(fēng)雪載荷等。凝汽器本身要考慮對喉部、殼體、熱井的加強(qiáng)，支座的載荷應(yīng)考慮上部管道附加的載荷，對不能承受的要對上部管道進(jìn)行調(diào)整。

對于固定支座的熱網(wǎng)凝汽器，為保證凝汽器及上部管道的運(yùn)行安全，凝汽器一般不配供上部的膨脹節(jié)，該撓性部件應(yīng)由管道設(shè)計(jì)方納入管道整體設(shè)計(jì)考慮，凝汽器提供允許推力及推力矩配合。

對于彈簧支座的熱網(wǎng)凝汽器，這里主要有三個(gè)方面的因素：凝汽器自重、運(yùn)行水重、運(yùn)行熱膨脹。按照常規(guī)情況，上部管道應(yīng)為剛性，彈簧僅承受凝汽器自重，運(yùn)行時(shí)凝汽器中的水重由上部管道承受，運(yùn)行時(shí)凝汽器的熱膨脹由彈簧來補(bǔ)償。在運(yùn)行時(shí)，水重對上部管道產(chǎn)生附加向下拉力，熱膨脹對上部管道產(chǎn)生附加向上推力，兩者可以抵消一些；如果運(yùn)行水重改為由凝汽器支座承受，則運(yùn)行水重不會產(chǎn)生對管道的向下拉力，但是彈簧要承受水重，所以彈簧數(shù)量要多一些或者剛度要大一些，但這樣會使得上部管道受力惡劣（熱膨脹的力會很大）。水重與凝汽器結(jié)構(gòu)有關(guān)，熱膨脹與運(yùn)行溫度、凝汽器高度、上部管道長度有關(guān)，這里要根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算判斷，比如可以通過改變彈簧剛度、數(shù)量等來調(diào)整。停機(jī)時(shí)無水重，無熱膨脹，與運(yùn)行時(shí)的受力剛好相反，此條件下也要計(jì)算對上部管道的影響以便管道設(shè)計(jì)方進(jìn)行判斷。另外由于熱膨脹量較大，還要考慮彈簧的壓縮量是否符合彈簧要求。

1.4 濕冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器的連接方式

濕冷機(jī)組凝汽器上面是汽機(jī)平臺，對于采用固定支座的凝汽器，要考慮原膨脹節(jié)是否還可以滿足新工況的要求；對于采用彈簧支座的凝汽器，因溫差較原來大，若采用原彈簧，要核算改造后的重量變化引起的壓縮變化以及較大熱膨脹量對上面汽機(jī)的作用力，這里可以考慮減少彈簧數(shù)量、調(diào)整彈簧剛度來減小熱膨脹產(chǎn)生的彈力。另外雖然在改造時(shí)喉部基本不變動，但最好檢查下喉部支撐桿等構(gòu)件是否因?yàn)槟昃娩P蝕嚴(yán)重，造成支撐失效。

1.5 是否設(shè)置殼體膨脹節(jié)

因熱網(wǎng)凝汽器汽水溫差較大，應(yīng)計(jì)算殼體中的軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間連接拉脫力，三個(gè)應(yīng)力有一個(gè)超過許用值時(shí)，可以考慮增加管板厚度，增加換熱管厚度，減短換熱管長度 （降低管內(nèi)流速或增加管側(cè)流程數(shù)），改強(qiáng)度脹為強(qiáng)度焊等辦法，如果不能通過或者不經(jīng)濟(jì)不合理 （比如減短換熱管長度會增加管孔數(shù)量，增加脹焊成本，并增大水室，帶來水室強(qiáng)度問題），則應(yīng)考慮設(shè)置膨脹節(jié)。

濕冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器若設(shè)置殼體膨脹節(jié)，在改造設(shè)計(jì)時(shí)，換熱管長度較原有設(shè)備會有所加長，一般熱網(wǎng)凝汽器在水側(cè)阻力條件限制比較苛刻，此情況下?lián)Q熱管所需長度達(dá)不到改造后那么長，則會增加一些多余的面積。另外加長后，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮現(xiàn)場安裝條件。

1.6 水室法蘭密封連接

熱網(wǎng)凝汽器運(yùn)行溫度高，水側(cè)壓力高，墊片材料形式會根據(jù)實(shí)際情況有所變化，若采用橡膠墊片，應(yīng)選用耐高溫橡膠以免墊片在高溫下容易老化。

對于大型方形結(jié)構(gòu)凝汽器，高壓下的水室法蘭強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)是不易的，再加上凝汽器散件現(xiàn)場安裝，密封面若有變形，法蘭的密封面在高溫高壓下的泄露可能性很大，綜合各方面考慮，為保證運(yùn)行可靠性，在壓力較高的情況下，一般推薦采用全焊接結(jié)構(gòu)。

1.7 熱網(wǎng)凝汽器的一些其他經(jīng)驗(yàn)探討

濕冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器由于冬季夏季都在一個(gè)殼體內(nèi)完成熱交換，而兩者的參數(shù)相差很大，一般冬季供熱的水流量為夏季發(fā)電冷卻水量的一半不到，這時(shí)候水側(cè)流程若設(shè)計(jì)成一致，則冬季管內(nèi)流速將很低，當(dāng)然這樣也能通過設(shè)計(jì)來滿足工況要求?？梢詫⒍舅畟?cè)流程數(shù)設(shè)計(jì)為夏季的兩倍，以提高換熱管管內(nèi)流速，增加換熱效率，這樣需要更改外部循環(huán)水管道系統(tǒng)。另外對于夏季通海水冷卻的機(jī)組，若采用襯膠防腐，應(yīng)采用耐高溫橡膠，以免在冬季供熱時(shí)高溫老化。

對于直接空冷機(jī)組熱網(wǎng)凝汽器，在很難實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備高壓力下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可將整個(gè)凝汽器設(shè)計(jì)成圓筒形式，水室為圓筒加封頭結(jié)構(gòu)，除此之外，還可以考慮設(shè)計(jì)成若干小凝汽器并聯(lián)等。

2 結(jié)語

熱網(wǎng)凝汽器對電廠的經(jīng)濟(jì)效益很可觀，是近些年快速發(fā)展的一種設(shè)備，與普通凝汽器相比，熱網(wǎng)凝汽器循環(huán)倍率小、溫升大、溫差大、溫度高、背壓高、水側(cè)壓力高、有上部排汽管道施加的較大推力和推力矩，隨著改造機(jī)組的大型化，熱網(wǎng)凝汽器的設(shè)計(jì)難度會加大，在設(shè)計(jì)時(shí)有需要細(xì)致考慮的地方。本文羅列了熱網(wǎng)凝汽器設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)和注意事項(xiàng)，為熱網(wǎng)凝汽器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。