凝汽器喉部開孔強度的有限元研究

黃立濤 黃子鰻

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，德陽 618000）

在我國西北部地區(qū)的火電站建設(shè)中，多使用空冷機型用于汽輪機排出的蒸汽冷凝工作。凝汽器的使用能夠提高火電機組的運轉(zhuǎn)性能，降低事故風(fēng)險。技術(shù)人員對凝汽器喉部開孔強度的有限元分析，能夠確定設(shè)備運轉(zhuǎn)中是否會發(fā)生形變，為凝汽器的改進與維修提供試驗數(shù)據(jù)支持。

1 凝汽器應(yīng)用與工作原理

凝汽器是將驅(qū)動火力發(fā)電的氣體重新變回凝結(jié)水的設(shè)備。該設(shè)備中，這些對汽輪機做功的蒸汽在凝結(jié)階段自身體積會急劇縮小，造成凝汽器內(nèi)部出現(xiàn)高度真空，因此對設(shè)備外殼提出了較高的要求。這些凝結(jié)水會通過循環(huán)管道再次作為熱介質(zhì)參與到汽輪機做功，從而完成整個火力發(fā)電的熱力循環(huán)工作。

火力發(fā)電中存在較多可能對凝汽器產(chǎn)生負(fù)面影響的因素。技術(shù)人員必須加強對該設(shè)備的分析，盡量減少設(shè)備腐蝕現(xiàn)象，以延長火力發(fā)電設(shè)備的使用壽命。例如：如果這些蒸汽中含有較多的氧氣，在蒸汽凝結(jié)成后，濃度較高的氧氣會對設(shè)備的外殼造成腐蝕，因此技術(shù)人員通常會在凝汽器內(nèi)部設(shè)置真空除氧器。

現(xiàn)階段，凝汽器的使用對火力發(fā)電具有重要作用，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)冷凝水的回收利用，另一方面能夠增加汽輪機的焓降，從而提高設(shè)備的熱利用率。

在凝汽器內(nèi)部構(gòu)造中，一般會布置較多的銅管，使得蒸汽會隨著銅管的冷卻形成凝結(jié)水，大幅度降低了凝汽器的內(nèi)部氣體密度，出現(xiàn)較高的真空環(huán)境。

2 凝汽器喉部開孔強度測量的重要作用

凝汽器在發(fā)電機組中的運用較為普遍。凝汽器喉部是蒸汽的入口，如果該部件發(fā)生形變，將會影響整體設(shè)備的運行效率。通過對凝汽器喉部開孔強度的測量，技術(shù)人員可以對設(shè)備進行優(yōu)化，進一步提升汽輪機的熱利用效率，從而為火力發(fā)電廠設(shè)備更新?lián)Q代提供數(shù)據(jù)支持，便于后續(xù)改造工作順利進行。技術(shù)人員對凝汽器開孔強度進行測量結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的不足，并根據(jù)分析結(jié)果更換凝汽器的喉部開孔，以避免凝汽器內(nèi)部形成較高的真空而造成設(shè)備受到多種壓力的影響出現(xiàn)形變，從而延長設(shè)備的使用壽命，避免后續(xù)使用中出現(xiàn)安全事故而給火力發(fā)電廠帶來損失。對凝汽器的強度測量工作有助于分析該設(shè)備在大氣壓力較小的情況下自身結(jié)構(gòu)能夠抵抗的外界壓力，為后續(xù)凝汽器改造方案提供數(shù)據(jù)支撐，從而提高技術(shù)人員的工作效率。

3 凝汽器喉部開孔強度有限元分析

3.1 凝汽器喉部參數(shù)

凝汽器收集汽輪機排出的氣體，通過冷凝設(shè)備將這些蒸汽重新轉(zhuǎn)化成為冷凝水，最后通過管道水泵輸送至火力發(fā)電機組的不同環(huán)節(jié)，提高火力發(fā)電站水資源利用效率。

在對該設(shè)備進行有限元計算時，技術(shù)人員需要深入學(xué)習(xí)ABAQUS軟件，結(jié)合該軟件的使用環(huán)境構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)模型，并填充模型材質(zhì)。在該有限元分析工作中，技術(shù)人員將該設(shè)備的材料設(shè)置為Q235-A材料，密度為7.85g/cm3，泊松比為0.3，并施加應(yīng)力113MPa。結(jié)合現(xiàn)階段火電廠的使用場景，選擇合適的排量，合理設(shè)置蒸汽的流速。通過在凝汽器喉部增加兩個小孔并外接不同設(shè)備，分析該喉部開孔的強度，并結(jié)合實際數(shù)據(jù)判斷該操作是否會對凝汽器的內(nèi)部運作產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

3.2 凝汽器模型的確定

在測量凝汽器時，技術(shù)人員需要重視對有限元模型的確定，分析該設(shè)備在低壓環(huán)境下自身結(jié)構(gòu)剛度能否達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。在火力發(fā)電廠日常工作中，凝汽器外殼受到外界壓力后，自身受力將會發(fā)生較大改變。由于凝汽器不同組件的使用環(huán)境會隨著凝汽器的變化而改變，因此需要技術(shù)人員結(jié)合凝汽器喉管的使用場景，對外界邊界進行約束。設(shè)置6個自由度，便于ABAQUS軟件對該模型進行計算，有助于技術(shù)人員從有限元分析中獲得符合現(xiàn)階段設(shè)備需求的分析結(jié)果。

在火力發(fā)電站使用中，凝汽器的改造升級能夠提高熱力的利用效率，節(jié)約了大量水資源。技術(shù)人員對該設(shè)備進行分析時，將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，劃分好網(wǎng)格，然后按照現(xiàn)階段火力發(fā)電廠的使用場景對該模型施加邊界條件，進而分析凝汽器的喉管受力。通過分析試驗結(jié)果，技術(shù)人員能夠?qū)Ω脑旆桨傅某尚в幸粋€直觀的認(rèn)識。

在軟件分析階段，提供準(zhǔn)確的模型對后續(xù)分析工作有著較大的促進作用。對模型的設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用場景的分析，能夠為該技術(shù)的使用提供便捷條件，提高有限元計算工作的準(zhǔn)確性。

3.3 有限元數(shù)值模型計算

在對該模型進行分析計算時，技術(shù)人員需要對軟件的不同提示進行有效處理，從而獲得正確的計算結(jié)果。使用中，為了提高整體分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員采用實體單元作為凝汽器的外殼，按照ABAQUS軟件操作的要求，對一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的喉管受力與變形情況進行有效分析，獲得試驗數(shù)據(jù)。

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用中凝汽器的上部側(cè)板在外界壓力的作用下發(fā)生了形變。但是，該試驗對于凝汽器的內(nèi)部支撐管的分析結(jié)果顯示，凝汽器并沒有在使用中發(fā)生較大的形變，且各部分的受力較為均衡，能夠完成該設(shè)備在蒸汽冷凝中的重要功能。解讀試驗數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段整體設(shè)備形變較小，自身剛度符合需求，但是外部側(cè)板發(fā)生了一定的變形。因此，技術(shù)人員在對設(shè)備的改造中應(yīng)重視對外部側(cè)板的加固，避免發(fā)生形變，進而對內(nèi)部管道產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

ABAQUS軟件分析結(jié)果顯示，在減溫減壓區(qū)域，凝汽器設(shè)備受到了較大的應(yīng)力影響，即在凝汽器上部區(qū)域存在一定的安全隱患。技術(shù)人員對于該區(qū)域受力情況進行準(zhǔn)確計算，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域壓力達到了288.9MPa。結(jié)合凝汽器相關(guān)參數(shù)可知，它的標(biāo)準(zhǔn)值為339MPa。因此，該設(shè)計符合整體需要，喉部開孔后的強度符合凝汽器的使用場景要求。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，為了提高凝汽器的性能，應(yīng)該在喉部開孔周邊添加支撐來提高該部位的剛度，以提高整體管道的穩(wěn)定性，從而延長該設(shè)備的使用壽命。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段技術(shù)人員對凝汽器喉部開孔的有限元分析，驗證了該設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)在較低的大氣壓環(huán)境下能夠勝任蒸汽輸入工作，避免在使用階段由于設(shè)備自身性能不足而發(fā)生屈從形變，造成進氣口孔徑變小，進而影響到火力機組的熱循環(huán)。