核電站凝汽器冷卻管防碰摩優(yōu)化設(shè)計

張春秀， 李家富， 藺楊穎， 涂霜

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

凝汽器冷卻管的振動碰摩事故， 一直是電站凝汽器運行中的一大問題， 尤其是對于濱海核電機組。 核電站凝汽器不僅要避開汽輪機轉(zhuǎn)速與冷卻管固有頻率的耦合共振， 更要考慮核電站凝汽器接收汽輪機旁路蒸汽后， 由于凝汽器喉部內(nèi)汽相流動不均性增加， 在某些特殊工況下會引起冷卻管碰摩。 防止冷卻管發(fā)生碰摩對核電凝汽器設(shè)計十分重要。

本文以某核電站凝汽器為例， 詳細闡述為防止凝汽器冷卻管振動碰摩采取的優(yōu)化設(shè)計， 并分析了優(yōu)化措施。

1 優(yōu)化設(shè)計措施

1.1 合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)備

某核電站汽輪機為半轉(zhuǎn)速， 凝汽器要接受汽輪機旁路系統(tǒng)排放的蒸汽量為85%額定工況的主蒸汽量， 旁路蒸汽通過12 根管道排入凝汽器。

在凝汽器總體方案設(shè)計時， 要注意合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)備包括旁路蒸汽擴散裝置，以保證喉部出口汽流在流入管束前達到一定均勻程度[1]。 根據(jù)汽機房布置、 并充分考慮凝汽器內(nèi)部空間情況， 凝汽器旁路接收裝置布置如圖1 所示：在凝汽器殼體之間共布置6 個旁路擴散器， 每個旁路擴散器連接2 根旁路蒸汽管道。

圖1 凝汽器旁路布置示意圖

1.2 優(yōu)化跨距布置

避免冷卻管振動碰摩的最主要方法是在冷卻管上加入支撐隔板， 通過改變冷卻管自身的振動屬性來實現(xiàn)。 因此確定支撐管板數(shù)量、 跨距布置方案是設(shè)計中最基礎(chǔ)、 最關(guān)鍵的部分。

根據(jù)HEI 標準 （第九版）[2]，冷卻管的計算最大跨距L 為：

式中： L0為基本跨距； K1為冷卻管外徑與壁厚修正系數(shù)； K2為冷卻管排列間隙修正系數(shù)； K3為冷卻管材料修正系數(shù)。

基本跨距和各修正系數(shù)可根據(jù)參數(shù)查表求得。

根據(jù)HEI 標準要求， 設(shè)計端跨距需小于計算最大跨距L 的1.18 倍， 設(shè)計中間跨距需小于計算最大跨距L 的1.05 倍。

按照GB 151-1999《鋼制管殼式換熱器》[3]附錄E2.4， 端跨距為 l1， 其余跨距為 l 時， 凝汽器管束計算簡化模型如圖2 所示。

圖2 凝汽器管束計算簡化模型

冷卻管的固有頻率按式（2）計算：

式中： fn為冷卻管固有頻率； di為管子內(nèi)徑； d0為管子外徑； E 為材料彈性模量； m 為單位管長的質(zhì)量； k 為彎曲系數(shù)。

對于兩端固定的直管， k 值可通過求解式（3）求得。

式中： n 為總跨數(shù)； ln為第n 跨的間距。

凝汽器冷卻管最大撓度Ym根據(jù)式（7）計算：

式中： Vmax， ν 為蒸汽的最大流速和比容； I 為截面慣性矩； Lm為中間跨距； k 為經(jīng)驗系數(shù)。

最大撓度Ym應(yīng)滿足：

式中： S 為排管橋距。

根據(jù)工程實際， 提出3 種跨距布置方案計算固有頻率見表1。

表1 冷卻管固有頻率表

從表1 可以看出： 按方案2 布置時冷卻管固有頻率接近倍頻， 因此方案2 不可取。

根據(jù)工程實際， 計算方案1 及方案3 在各個工況下的冷卻管最大撓度見表2。

表2 冷卻管最大撓度表

從表2 可以看出： 按照方案1 和3 計算出的最大撓度值均小于1/3 橋距。 按方案1 設(shè)計的冷卻管在各個工況下的最大撓度值均小于方案3。 為加大防振安全裕度， 設(shè)計跨距布置按方案1 進行。

1.3 在管束頂部及汽道迎流面增加厚壁管數(shù)量

根據(jù)某核電廠現(xiàn)場運行反饋： 其2 臺機組的凝汽器分別在機組投運初期做試驗 （含甩100%負荷、 甩50%負荷、 旁路投入等工況）期間先后共有5 根冷卻管發(fā)生了斷裂、 泄漏事故， 并且在停機后抽管檢查均發(fā)現(xiàn)管束的某些迎流區(qū)有幾排冷卻管之間存在碰摩現(xiàn)象[4]。 為防止管束汽道迎流面出現(xiàn)碰摩， 排管時， 在管束頂部及管束蒸汽通道的迎流面增加厚壁冷卻管（壁厚0.7 mm）數(shù)量， 如圖3所示， 以降低汽道迎流面冷卻管發(fā)生振動碰摩的風(fēng)險。

圖3 管束汽道迎流面厚壁管示意圖

1.4 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管

為防止頂排冷卻管被異物砸傷及高速汽流對冷卻管的沖刷， 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管， 以起到保護冷卻管的作用， 如圖4 所示。

圖4 凝汽器不銹鋼防沖管示意圖

2 結(jié)語

凝汽器設(shè)計時通過合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)備、 優(yōu)化跨距布置、 在管束頂部及汽道迎流面增加厚壁冷卻管數(shù)量、 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管， 可有效預(yù)防冷卻管發(fā)生碰摩， 使凝汽器能夠安全運行。