凝汽器水室平衡循環水管道盲板力的研究分析

周 綺，陳俊斌，嚴強華

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090）

1 概 述

某核電機組凝汽器與汽輪機低壓缸采用剛性連接，凝汽器喉部與汽輪機低壓外缸直接焊接，凝汽器與基礎通過彈簧支座彈性連接。當凝汽器運行時，凝汽器受熱向下膨脹，通過底部彈簧支座吸收熱位移。

該核電站每臺機組有2個凝汽器，每個凝汽器有4個水室。單個凝汽器凈重約為900t（含內置低壓加熱器），單個汽輪機低壓缸重量約為570t。凝汽器在正常水位運行時的重量約為1 460t，在最低水位運行時的重量約為1 360t。凝汽器底部彈簧支座預壓力約1 060t，凝汽器剩余重量作用于汽輪機低壓缸，汽輪機低壓缸座落在汽機基礎上。

該核電站在循環水管道豎直方向設置了1個膨脹節，以吸收管道的推力。循環水管道的水平段埋設于基礎內，循環水管道在水平方向上未設置膨脹節。核電機組的循環水管道布置示意圖，如圖1所示。

2 問題分析

圖1 某核電機組循環水管道布置示意圖

當凝汽器運行時，循環水管道內部產生內壓，管側設計壓力為0.4MPa。循環水管道內部壓力作用于各個方向，水平方向是封閉結構，內壓可相互抵消；向上的內壓作用到水室接管上，向下的內壓作用到膨脹節下部的循環水管道上，由于循環水管道豎直方向設置了膨脹節，而膨脹節不傳遞上下接管受力，使水室內部向上的內壓無法抵消，從而在水室內部形成向上盲板力。盲板力傳遞至凝汽器，由于凝汽器與汽輪機低壓缸剛性連接，使盲板力直接影響了汽輪機的受力。盲板力分析圖，如圖2所示。

圖2 盲板力分析圖

根據該核電站旁海水潮位及循環水泵狀況等實際情況，在2臺循環水泵同時啟動瞬態工況下，每個凝汽器水室接口受的盲板力約為154t，當循環水泵發生故障后重新啟動的瞬態工況下，每個凝汽器水室接口承受的盲板力約為197t。

在2臺循環水泵同時發生故障后重新啟動的極端情況下，凝汽器水室每個接口都受到約197t的盲板力，每個凝汽器有4個水室接口，此時作用到凝汽器的向上推力達到788t。

現將凝汽器與汽輪機低壓缸作為整體進行考慮，此時該整體受到向下自身重力G凝和G汽、凝汽器底部向上彈簧反力F反彈、向上水室接口盲板力F盲板以及汽機基礎受力F基礎。當凝汽器運行時，凝汽器受熱向下膨脹，則此時彈簧進一步受壓，反彈力增大。凝汽器與汽輪機低壓缸受力分析，如圖3所示。

圖3 凝汽器與汽輪機低壓缸受力分析圖

凝汽器凈重G凝1＝900t；

凝汽器正常水位運行重量G凝2＝1 460t；

凝汽器最低水位運行重量G凝3＝1 360t；

汽輪機低壓缸重量G汽＝570t。

凝汽器底部彈簧反力為F反彈＝1 060t＋180t＝1 240t（彈簧預壓力1 060t，最大熱膨脹產生的反彈力180t）。

水室接口盲板力F盲板＝788t（考慮最危險工況）。

汽機基礎受力F基礎＝G凝＋G汽－F反彈－F盲板（由于其他外部推力等作用力相對較小，暫忽略不計。）

當F基礎≥0時，則凝汽器和汽輪機低壓缸整體處于穩定狀態。

當F基礎＜0時，則凝汽器和汽輪機低壓缸整體被頂起，汽輪機處于危險狀態。

為了機組的安全運行，則汽機基礎受力必須大于等于零。即：

F基礎＝G凝＋G汽－F反彈－F盲板≥0

G凝≥F反彈＋F盲板－G汽＝1 240＋788－570＝1 458t

當凝汽器運行重量小于1 458t時，汽輪機被頂起，由此說明循環水管道盲板力影響到汽輪機的安全運行。汽輪機是電廠非常重要的設備，為保證機組安全運行，必須解決循環水管道盲板力的問題。

此外，由于該凝汽器底部采用彈簧支座，當凝汽器運行時，凝汽器水室接管會隨著凝汽器熱膨脹向下移動，由此增加了解決盲板力問題的難度。

3 解決方法

現通過改變水室接管自身結構解決循環水管道盲板力問題。在凝汽器水室接管上設置盲板力平衡裝置，消除盲板力對汽輪機的影響。盲板力平衡裝置如圖4所示。

圖4 盲板力平衡裝置示意圖

3.1 盲板力平衡裝置原理分析

在凝汽器水室接管上部設置平衡管，平衡管上方設置膨脹節，上下膨脹節之間用長拉桿連接，形成盲板力平衡裝置。盲板力平衡裝置原理圖，如圖5所示。

圖5 盲板力平衡裝置原理圖

平衡管的作用是將水室接管內的水引到上部膨脹節內。水的內壓力作用到平衡管上部法蘭，從而對法蘭有一個向下的壓力，該壓力與作用到水室接管的力相互抵消，由此消除盲板力對凝汽器和汽輪機的影響。

水的內壓力同時作用到膨脹節頂部悶蓋，上下膨脹節連接長拉桿與頂部悶蓋及底部循環水管道連接，長拉桿將頂部悶蓋拉住，并將力傳遞到底部循環水管道，變相的將力轉移到循環水管道上，由此平衡頂部悶蓋受力。

此外，由于凝汽器水室接管上下都設置了膨脹節，當凝汽器運行時，水室接管可隨凝汽器熱膨脹向下自由移動，不受約束。頂部悶蓋被長拉桿固定，不會隨水室接管移動。

3.2 盲板力平衡裝置的設計分析

盲板力平衡裝置的設計必須保證結構安全可靠，現對主要設計難點進行分析。

（1）水室及水室接管應力分析

盲板力平衡裝置設計按最極端情況考慮，用有限元方法計算凝汽器水室與水室接管在內壓載荷作用下的應力分布，并組合抗震分析進行強度評定，保證結構安全。

考慮到水室和水室接管結構對稱及載荷對稱，取實際結構的一半作為分析模型。水室接管橫截面為自由端，上部法蘭位移約束也設為自由狀態。上部法蘭表面施加均布壓力，水室與水室接管內壁施加均布內壓力，結構整體施加三向位移約束限制移動。

設計條件為：設計地震加速度為0.15g，設計內壓為0.4MPa，設計溫度取常溫，設計溫度下的材料參數，如表1所示。

表1 設計溫度下的材料參數

經有限元分析，組合了結構應力計算與抗震計算，結構中最大薄膜應力位于水室與水室接管連接處，屬于局部一次薄膜應力，小于設計溫度下材料的屈服應力225MPa。結構中最大薄膜加彎曲應力位于水室與水室接管連接處，屬于二次應力，小于2倍的設計溫度下材料屈服應力450MPa。

綜合考慮內壓及地震載荷，結構強度及安定性應滿足要求。

（2）平衡管穩定性校核

穩定性校核參數：設計內壓為0.4MPa。

平衡管的尺寸為?700mm×30mm，平衡管長度2 600mm。

經計算，平衡管軸向壓力為2 308kN。

平衡管失穩載荷Pcr＝2.7×105kN，參照ASMEⅧ－2 2007失穩計算，安全系數?＝2.44。

許用失穩載荷為：Pcr／?＝1.1×105＞2 308 kN。校驗合格，結構是安全的。

（3）水室接管上部法蘭強度校核

正常運行情況下，水室內部存在內壓，內壓作用在法蘭上。法蘭在無接管（?700）時的受力，如圖6（a）所示，法蘭在有接管（?700）時的受力，如圖6（b）所示。由圖6可知，當法蘭在有接管時，對法蘭的壓力小于平蓋情況的壓力，且接管對法蘭有一個向上的支撐作用，可以認為平蓋情況更加危險，故現用平蓋計算方法對法蘭強度進行校核。

圖6 法蘭的受力圖

取法蘭厚度為100mm，采用平蓋計算方法中螺栓連接方式進行計算，該厚度滿足要求。

（4）上、下膨脹節連接長拉桿的布置

上、下膨脹節連接長拉桿與頂部悶蓋及底部循環水管道連接，長拉桿將頂部悶蓋固定，并將力傳遞到底部循環水管道，由此長拉桿的最大受力應與最危險工況下的盲板力相同，即為788t。

從長拉桿受力的穩定性考慮，最少在上、下膨脹節之間設置均分的3根長拉桿，但需考慮某根長拉桿發生破壞的情況，這種情況將導致平衡裝置發生受力不均，產生傾倒后會將膨脹節撕裂。從安全性考慮，將長拉桿數量定為6根，但仍按3根長拉桿均分受力進行校核。此外，由于循環水管道膨脹節與水室筒身間距離較近，無法使6根長拉桿均分，經分析，最終采用了在原有3根長拉桿的旁邊各加1根長拉桿的布置形式，此種布置形式可保證在某根長拉桿發生破壞時，其余長拉桿仍能保證機組的安全運行。長拉桿的布置方法，如圖7所示。

圖7 長拉桿布置圖

4 結 語

在該核電項目中，通過改變凝汽器水室接管自身結構，在水室接管設置盲板力平衡裝置，并對盲板力平衡裝置進行設計分析，解決了平衡裝置的設計難點，從而有效平衡循環水管道盲板力，消除了盲板力對凝汽器乃至汽輪機的影響，保證機組的安全運行。