凝汽器整體上浮分析與對策

陽歐，高揚

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

凝汽器作為電站系統(tǒng)的重要冷端設(shè)備，主要作用是冷凝汽輪機排汽，達到真空條件。大型機組汽輪機通常采用下排汽，凝汽器布置在汽輪機底部[1]。汽輪機低壓缸排汽口與凝汽器直接連接，由于整個凝汽器上需要連接汽輪機汽水系統(tǒng)上的各種管道及設(shè)備，如：5段抽汽接口、6 段抽汽接口、7&8 號合體低壓加熱器，低壓軸封送回汽接口、疏水接口、補水接口、循環(huán)水接口等，受力復(fù)雜；各種接口對凝汽器的推力互相疊加，尤其是規(guī)格較大的接口產(chǎn)生的巨大推力直接作用到凝汽器上，不僅影響凝汽器的穩(wěn)定性，同時也影響機組的運行安全。

1 故障情況

某國外電廠300 MW 機組，汽輪機為兩缸兩排汽濕冷機組，凝汽器安裝完成后進行現(xiàn)場循環(huán)水水側(cè)壓力試驗，在水壓試驗中出現(xiàn)了凝汽器整體上浮，凝汽器水室循環(huán)水接管法蘭下部的膨脹節(jié)拉裂變形；凝汽器滑動支座上下部脫離，支座底部的預(yù)埋件從混凝土基座中被拔起，受損支座情況如圖1 所示。

圖1 凝汽器受損支座

2 故障分析

該機組凝汽器采用單殼體雙流程設(shè)計，凝汽器底部與基礎(chǔ)采用剛性支撐形式，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用彈性（膨脹節(jié)）連接，凝汽器殼體上設(shè)有6個水室，分為前水室4 個，后水室2 個，凝汽器采用水平流程，前水室為2 個進水水室以及2 個出水水室，后水室為回轉(zhuǎn)水室，凝汽器可半側(cè)運行，水室循環(huán)水采用底部接入方式，循環(huán)水接管管口豎直向下，水室進出口通過膨脹節(jié)與循環(huán)水管道相連，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

凝汽器（含內(nèi)置7&8 合體低壓加熱器、旁路減溫減壓器等）設(shè)備凈重約460 t，凝汽器水室（含前后水室）及換熱管內(nèi)總存水重約260 t，凝汽器熱井在正常水位線處水重約90 t，循環(huán)水運行壓力約0.25 MPa，水壓試驗壓力0.6 MPa，凝汽器喉部與低壓缸排汽接口處的接管規(guī)格為7.4 m×6.3 m，循環(huán)水接管規(guī)格為DN2000。

2.1 盲板力

當(dāng)兩端封閉的管道受到壓力作用時，在管道的軸向端部截面上會產(chǎn)生壓力推力，對于管道系統(tǒng)，壓力推力作用在彎頭處；對于設(shè)備，壓力推力作用在接管端部的設(shè)備上；由于管道或設(shè)備的剛度較大，壓力推力被彎頭或設(shè)備承受，壓力推力不會作用到外部的支吊（支撐）上；當(dāng)管道設(shè)置普通波紋膨脹節(jié)（如圖3所示）時，由于波紋自身的剛度較小，波紋將出現(xiàn)形變，壓力推力將作用在波紋兩端的管道或設(shè)備的支吊（支撐）上，形成盲板力；如果支吊（支撐）不牢固，膨脹節(jié)波紋處將出現(xiàn)位移，波紋將被拉壞，也可能造成設(shè)備或管道的形變，造成設(shè)備損壞；在大口徑管網(wǎng)中介質(zhì)壓力超過0.5 MPa 時，盲板力很大[2]。

圖3 普通波紋膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

普通波紋膨脹節(jié)（單式軸向型金屬波紋膨脹節(jié)）軸向雖然出廠時帶有均布的小拉桿，但是小拉桿僅僅用于膨脹節(jié)運輸過程中的固定，在運行中需要松開一端或者完全拆除。盲板力計算公式如下：

凝汽器的喉部與低壓缸排汽口、凝汽器前水室循環(huán)水接口與外部循環(huán)水管道都采用普通單式軸向型金屬波紋膨脹節(jié)連接，通過波紋管的柔性變形來吸收管線軸向位移（也有少量橫向、角向位移）[3]。所以只要在膨脹節(jié)內(nèi)外存在壓差，膨脹節(jié)兩端都會產(chǎn)生盲板力。

2.2 凝汽器受力分析

凝汽器在運行工況下，凝汽器真空運行，水室、換熱管充水運行，熱井維持正常水位，喉部膨脹節(jié)和水室膨脹節(jié)都會產(chǎn)生盲板力。凝汽器整體受力如圖4所示。

圖4 凝汽器運行工況整體受力示意圖

凝汽器喉部膨脹節(jié)處盲板力F1=0.1×（7 400×6 300）/1 000=4 662 kN；凝汽器前水室在循環(huán)水運行壓力（0.25 MPa）下盲板力F2=4×0.25×（π×2 0002）/4 000=3 141.6 kN；凝汽器凈重F3=4 600 kN；水室及換熱管水重F4=2 600 kN；熱井運行水位水重F5=900 kN。

運行工況下豎直方向向下合力為Fx=F3+F4+F5=4 600+2 600+900=8 100 kN；運行工況下豎直方向向上合力為Fs=F1+F2=4 662+3 141.6=7 803.6 kN。

凝汽器在水壓試驗工況下，凝汽器內(nèi)部與大氣壓相通，喉部膨脹節(jié)內(nèi)外無壓差，無盲板力（F1=0）；水室、換熱管充水，水室膨脹節(jié)處存在盲板力，熱井處于無水位狀態(tài)（F5=0）。凝汽器整體受力如圖5 所示。

圖5 凝汽器水壓試驗工況整體受力示意圖

水壓試驗壓力（0.6 MPa）下盲板力F2′=4×0.6×（π×2 0002）/4 000=7 539.8 kN。水壓試驗時，豎直方向向下合力為Fx′=F3+F4=4 600+2 600=7 200 kN；水壓試驗時，豎直方向向上合力為Fs′=F2′=7 539.8 kN。

由計算數(shù)據(jù)可知：運行壓力下Fs＜Fx，水壓試驗壓力下Fs′＞Fx′，所以在運行壓力下，凝汽器合力向下，不會上??；但在試驗壓力下，凝汽器合力向上，整體上浮，造成膨脹節(jié)及支座受損。

3 對策

從上述分析中可知，造成凝汽器上浮的主要原因為盲板力過大，可通過外部措施和內(nèi)部措施進行優(yōu)化，降低或減小盲板力帶來的負(fù)面作用。

3.1 外部措施

3.1.1 改變盲板力方向，優(yōu)化凝汽器受力方向

在凝汽器設(shè)計和管道設(shè)計中，將凝汽器水室循環(huán)水管進出水口部分或全部采用水平進出設(shè)計，雖然不能消除盲板力，但盲板力的方向不在豎直方向上，可以減小或消除豎直方向的盲板力，如圖6 所示結(jié)構(gòu)，前水室左右兩側(cè)的接管采用水平對稱設(shè)計，盲板力對于凝汽器整體而言可互相抵消，中間水室即使采用原設(shè)計，循環(huán)水管的盲板力也可減小為原來的50%。

圖6 循環(huán)水接口部分水平設(shè)置

3.1.2 采用無盲板力補償器

將水室接口的補償器采用特殊形式膨脹節(jié)，例如大拉桿橫向波紋補償器，結(jié)構(gòu)如圖7 所示，由于拉桿能承受壓力推力和其他附加外力的作用，膨脹節(jié)自身吸收內(nèi)壓推力，不會對管道產(chǎn)生外力，能夠消除管道內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力[3]，該結(jié)構(gòu)可以完全消除循環(huán)水管接口的盲板力。

圖7 大拉桿橫向型膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.3 循環(huán)水管道采用無補償器設(shè)計

管道的熱膨脹通過管道自身的柔性吸收，例如中南電力設(shè)計院采用的無補償器設(shè)計方案，在凝汽器供水、排水管段上各增設(shè)法蘭，通過法蘭以釋放循環(huán)水管道對凝汽器接口的作用力和力矩[4]，消除循環(huán)水管道盲板力。

3.1.4 凝汽器整體配重

凝汽器安裝完成后在進行水壓試壓時，需進行受力分析核算，如果凝汽器整體受力的合力向上，需要在凝汽器熱井內(nèi)進行灌水配重，以平衡循環(huán)水管道盲板力的影響。

3.2 內(nèi)部措施

從凝汽器水室結(jié)構(gòu)上進行防盲板力設(shè)計，采用類似大拉桿橫向波紋補償器的結(jié)構(gòu)，在水室接管上設(shè)置盲板力平衡裝置，在凝汽器水室接管上下設(shè)置平衡管，平衡管上方設(shè)置膨脹節(jié)，上下膨脹節(jié)之間用長拉桿連接，形成盲板力平衡裝置[5]。

更改凝汽器與低壓缸的連接形式，凝汽器采用底部彈性支撐，凝汽器喉部與低壓缸剛性連接的方式，消除喉部盲板力。改進凝汽器支座，設(shè)計為能承受拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，將凝汽器的滑動支座上增加一定數(shù)量的螺栓，使得支座不僅能承受壓力還能承受拉力。對固定支座、滑動支座的基礎(chǔ)及預(yù)埋板進行優(yōu)化，預(yù)埋板采用受拉結(jié)構(gòu)，并將凝汽器底板與埋件的連接柱增加焊縫焊牢。

4 結(jié)論

凝汽器的喉部接口和循環(huán)水管道尺寸規(guī)格大，加裝普通單式軸向型波紋補償器后，產(chǎn)生的盲板力在凝汽器的受力中影響較大，需要在凝汽器的設(shè)計中與管道設(shè)計院充分配合，針對不同工況對整個凝汽器的受力進行分析，并采取相應(yīng)措施，防止出現(xiàn)凝汽器上浮的情況，給設(shè)備和機組帶來安全風(fēng)險。