1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)分析

張道麗，李家富，張春秀

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)分析

張道麗，李家富，張春秀

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

文章分析了海門電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組采用單背壓凝汽器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。通過對單背壓凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，對單雙流程的管束布置進(jìn)行比較，優(yōu)化凝汽器喉部結(jié)構(gòu)并利用有限元軟件進(jìn)行分析，為單殼體、雙流程、表面式結(jié)構(gòu)的凝汽器設(shè)計(jì)，提供技術(shù)參考。

凝汽器，超超臨界，單背壓，結(jié)構(gòu)，分析，設(shè)計(jì)，特點(diǎn)

1 概述

國際上600 MW、1 000 MW超超臨界機(jī)組主要為三缸四排汽汽輪機(jī)，所配凝汽器有單背壓和雙背壓兩種型式。在國內(nèi)，較多電站項(xiàng)目出于經(jīng)濟(jì)性考慮，采用雙背壓凝汽器，該方案具有較大優(yōu)勢，但初期投資成本較高，同時(shí)東方1 000 MW超超臨界機(jī)組配套雙背壓凝汽器循環(huán)水管為凝汽器底部布置，負(fù)挖較多。海門電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組經(jīng)過論證，最終采用單背壓凝汽器半地下布置，將1 000 MW超超臨界機(jī)組汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高由常規(guī)17 m優(yōu)化至15.5 m，降低基建投資和運(yùn)行成本。

常規(guī)凝汽器采用雙殼體雙背壓，2個(gè)汽輪機(jī)低壓缸連接2臺(tái)凝汽器，如圖1所示，凝汽器的管束為雙流程型式。冷卻水從A列水室進(jìn)入凝汽器，經(jīng)過殼體內(nèi)冷卻水管冷卻蒸汽后，通過循環(huán)水聯(lián)通管道進(jìn)入B列另一側(cè)凝汽器冷卻蒸汽，最終從另一側(cè)凝汽器A列水室排出。凝汽器循環(huán)水管為凝汽器底部布置。

圖1 三缸四排汽汽輪機(jī)雙背壓凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

海門電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器如圖2所示，凝汽器管束為雙流程型式。 冷卻水從A列左水室進(jìn)入凝汽器，經(jīng)過殼體內(nèi)冷卻水管冷卻蒸汽后，通過B列水室轉(zhuǎn)向，從A列右水室排出。汽側(cè)通過凝汽器喉部聯(lián)通管聯(lián)通。水側(cè)通過B列水室之間聯(lián)通管轉(zhuǎn)向，無需設(shè)置冗長循環(huán)水聯(lián)通管。

圖2 三缸四排汽汽輪機(jī)單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

海門電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于管束的布置、雙殼體之間加裝汽聯(lián)通管、后水室之間加水聯(lián)通管 （用于冷卻水轉(zhuǎn)向）、凝汽器喉部開孔后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度削弱等。

根據(jù)HEI計(jì)算可知，相同條件 （如排汽量，進(jìn)口水溫，背壓等）下，凝汽器采用單背壓比雙背壓面積增加約10%，增加管束面積，只有調(diào)整冷卻管長度和加大管束密度，這將在管束布置時(shí)帶來一系列問題。首先，在不改動(dòng)管束長度情況下，所布置的管束非常密集。管束太密，將增大汽阻，使凝汽器過冷度提高，影響機(jī)組效率。其次，由于凝汽器殼體在寬度方向受到汽輪機(jī)平臺(tái)支撐立柱的限制 （兩個(gè)立柱的中心間凈空間為10 m，如圖3所示），同時(shí)鈦復(fù)合板的寬度在制造上也不能隨意加寬，因此管束布置在寬度方向上受到限制。再次，殼體在長度方向上受到凝汽器擴(kuò)散角的限制，角度太大將引起脫流。所以管束也不能設(shè)計(jì)得太長。在高度方向上，管束的布置統(tǒng)一受到限制，管束的頂部要保證低于汽輪機(jī)中間平臺(tái)層橫梁 （此工程汽機(jī)廠房是國內(nèi)首臺(tái)1 000 MW運(yùn)行層由17 m降至15.5 m機(jī)組）。經(jīng)與業(yè)主和設(shè)計(jì)院溝通，管束底部排管可在0 m以下。因此，適當(dāng)加高冷卻管管束高度和密度是可行的。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)組剖面簡圖

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 管束的單、雙流程分析

凝汽器的流程型式有單流程和雙流程之分。在相同的循環(huán)水量、蒸汽流量、冷卻水溫、蒸汽壓力等條件下：若單背壓凝汽器采用單流程方案，冷卻管根數(shù)相對較少，但冷卻管長度相對較長；若采用雙流程方案，冷卻管根數(shù)相對較多，但冷卻管長度相對較短。管束流程示意圖如圖4所示，箭頭所指為水流動(dòng)方向。根據(jù)廠房布置的限制條件，凝汽器循環(huán)水進(jìn)出水管只能布置在同側(cè) （A列，B列為除氧器等設(shè)備布置空間）。因此，只能采用單背壓雙流程方案，在保證凝汽器喉部擴(kuò)散角為40°的情況下，根據(jù)汽機(jī)房的寬度10 m，運(yùn)行層15.5 m等限制條件，選擇最佳的凝汽器冷卻管長度和數(shù)量，為了避免管束密集對凝汽器汽阻造成的影響，合理布置凝汽器管束成了關(guān)鍵問題。

圖4 背壓流程分析圖

3.2 管束布置

公司管束布置，引進(jìn)國外公司的先進(jìn)技術(shù)。分別用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷卻管進(jìn)行了管束布置，如圖5所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的條件下合理布置管束，無論采取何種規(guī)格冷卻管，管束高度均需增加，如表1所示。而汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層15.5 m的標(biāo)高是不能改變的，只能采取凝汽器管束往地下布置，造成凝汽器半地下布置。分別采用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷卻管管束布置進(jìn)行流程分析并比較，最終選取冷卻管直徑為Φ25 mm。

圖5 各種規(guī)格管束布置圖

表1 不同管徑冷卻水管排管高度

取凝汽器兩組管束進(jìn)行流程分析，分別計(jì)算管束殼側(cè)流線、殼側(cè)壓力分布、管束空氣濃度場、管束換熱系數(shù)場。計(jì)算結(jié)果見圖6，冷卻管管束具有汽阻小、不凝結(jié)氣體分布收斂、流場分布均勻等特點(diǎn)，布置合理。

圖6 凝汽器冷卻管采用Φ25 mm布置管束流場分析圖

3.3 聯(lián)通管

在工程運(yùn)用上，機(jī)組投運(yùn)后常常由于各種原因 （如堵管數(shù)量不同）造成兩側(cè)冷卻面積并不一致，同時(shí)需保證凝汽器具有半側(cè)運(yùn)行功能。因此在工程設(shè)計(jì)階段，需在兩側(cè)凝汽器之間加裝蒸汽聯(lián)通管 （如圖7所示）。其作用是保證凝汽器兩側(cè)背壓相同，當(dāng)冷卻管臟污、損壞等需要半側(cè)清洗或需要進(jìn)行堵管操作時(shí)，凝汽器可半側(cè)運(yùn)行。此時(shí)停運(yùn)側(cè)蒸汽通過蒸汽聯(lián)通管引至另一側(cè)冷卻，避免停運(yùn)側(cè)凝汽器 “干燒”。根據(jù)已知數(shù)據(jù)和半側(cè)運(yùn)行熱平衡圖計(jì)算，確定聯(lián)通管的直徑，最終采用3個(gè)直徑為2.8 m的聯(lián)通管。蒸汽聯(lián)通管直徑選定后，建模分析凝汽器喉部強(qiáng)度，保證凝汽器整體的剛度和強(qiáng)度。

本機(jī)組凝汽器底部未設(shè)置冗長循環(huán)水管道，循環(huán)水B列轉(zhuǎn)向依靠后水室之間的聯(lián)通管。此聯(lián)通管大小與進(jìn)水室循環(huán)水接管面積相等即可 （如圖7所示）。根據(jù)水室結(jié)構(gòu)，最終確定如圖7所示循環(huán)水聯(lián)通管。

圖7 凝汽器蒸汽聯(lián)通管及水室聯(lián)通管

3.4 凝汽器喉部強(qiáng)度及剛度分析

公司600 MW系列凝汽器結(jié)構(gòu)為斜垳架支撐結(jié)構(gòu)，當(dāng)喉部高度顯著增加時(shí)布置困難，且在真空載荷作用下外圍殼板應(yīng)力偏大，垳架群在高度方向受力分布不均。1 000 MW凝汽器喉部較600 MW凝汽器喉部無論在外形尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置上，均產(chǎn)生了較大的變化；傳統(tǒng)的喉部設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很難提供可靠的設(shè)計(jì)保證。因此1 000 MW凝汽器喉部采用了井架支撐結(jié)構(gòu)，海門工程凝汽器需在兩喉部之間增加 3個(gè)直徑 2.8 m的聯(lián)通管，削弱了凝汽器喉部整體強(qiáng)度、剛度，需進(jìn)行凝汽器喉部的強(qiáng)度及剛度分析，優(yōu)化凝汽器喉部井架群各支撐桿的布置位置、截面形狀以及部分連接約束方式，盡量避免 “細(xì)長桿”，提高結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性。

凝汽器喉部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，利用有限元軟件進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖8所示，沿低加軸線增加連接板之間的軸向支撐，從而在縱、橫兩向獲得相等或接近相等受力穩(wěn)定性。

另對凝汽器喉部聯(lián)通管開孔的高應(yīng)力區(qū)域，通過合理的肋板及支撐桿布置提高其承壓能力，如圖9所示。

圖9 喉部聯(lián)通管開孔加強(qiáng)

有限元應(yīng)力分析云圖如圖10所示。

圖10 喉部有限元分析云圖

有限元建模分析結(jié)論如下：優(yōu)化后喉部整體剛度提高，位移變形減小；聯(lián)通管開孔區(qū)域應(yīng)力值滿足強(qiáng)度要求；內(nèi)部支撐桿軸力降低到失穩(wěn)臨界壓力值以下。

4 結(jié)語

海門電廠超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)采用單背壓凝汽器，因大大減少負(fù)挖、無循環(huán)水聯(lián)通管布置、減小循環(huán)水泵容量及造價(jià)，可稱為國內(nèi)市場新的發(fā)展方向。海門電廠投運(yùn)至今，未出現(xiàn)任何內(nèi)凹現(xiàn)象、凝汽器各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)良。而此機(jī)組的設(shè)計(jì)也將對公司新產(chǎn)品如600 MW超超臨界機(jī)組單殼體、雙流程、表面式結(jié)構(gòu)的凝汽器設(shè)計(jì)，提供技術(shù)參考。

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[3]張水桃.核電汽輪機(jī)凝汽器冷卻管避免振動(dòng)碰磨的預(yù)防措施[J].東方汽輪機(jī),2014,（3）：1-4,10.

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Structure Analysis of Single Back Pressure Condenser of 1 000 MW Ultra-supercritical Turbine

Zhang Daoli， Li Jiafu， Zhang Chunxiu

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The paper analyzes the design difficulties of single back pressure condenser of Haimen 1 000 MW ultra-supercritical units.Through the analysis of the structure characteristics of the single pressure condenser,and the comparison between single and double bundle set-up,optimization of the throat structure is analyzed by finite element software to provide the technical support for the design of the single shell,double flow,surface structure condenser.

condenser,ultra-supercritical,single back pressure,structure,analyze,design,characteristic

TK262

B

1674-9987（2017）04-0001-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.001

張道麗 （1978-），女，高級工程師，畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)技術(shù)管理工作。