國產超臨界1000MW汽輪機組主汽閥結構優化分析

趙樹材， 王永旭， 謝長鴻

（通遼發電總廠，內蒙古通遼028000）

0 引言

近些年來，隨著科學技術的不斷發展以及國民經濟的不斷提速，能源的作用和地位已經不斷為人們所重視。汽輪機組單機發電容量以及發電總裝機容量都已經在不斷地提高。汽輪機組是否能夠長期、高效率和安全穩定地運行具有十分重要的意義[1-3]。

汽輪機主汽閥門是關乎機組是否能夠安全啟動、運行和停機的關鍵結構部件。主汽閥是汽輪機蒸汽流入機組的第一道閥門，它的主要作用是在特殊的緊急狀況下能夠快速自動關閉，阻斷流入機組的主蒸汽通路，從而迫使汽輪機組打閘停機，避免事故進一步發生。此外，部分汽輪機主汽閥還能夠控制帶部分負荷，以及在汽輪機組啟機時控制轉子的轉速。因此，主汽閥是否能夠設計要求對機組的安全運行起著重要作用。

1 數值計算方法

1.1 物理模型的建立及網絡劃分

本文以主汽閥為研究對象，由于國產某型超臨界1000 MW汽輪機組主汽閥原設計方案存在強度不達標情況，進而對主汽閥進行結構優化。根據超臨界1000 MW機組主汽閥結構建立實體結構模型，并且分為優化前和優化后兩種情況進行數值分析。優化前閥體結構如圖1所示，優化后結構實體模型如圖2所示，具體優化方案為主汽閥閥體加長400 mm。應用有限元軟件Workbench分別對優化前和優化后的模型進行強度分析，其中網格尺寸劃分選為40 mm，單元類型為SOLID186和SOLID187兩種，材料屬性選擇D9TC，彈性模量設定為200 GPa，泊松比為0.3，網格劃分如圖3所示。

圖1 主汽閥體優化前三維有限元實體

圖2 主汽閥體優化后三維有限元實體

圖3 主汽閥三維有限元網格劃分

圖4 主汽閥座位移約束

1.2 邊界條件

在主汽閥閥座位置施加位移約束，具體位置如圖4所示，閥座四個螺栓孔處施加全約束。壓力邊界條件的施加如圖5和圖6所示。在圖5所示的紅色區域施加28.84 MPa的壓力邊界。圖6中紅色編號區域壓力施加具體數值參見表1。

2 計算結果和分析

應用商業有限元軟件對優化前和優化后的主汽閥閥體的應力場進行數值計算，依照實際工況對模型設置位移邊界條件以及力邊界條件。數值計算結果應力云圖分別如圖7和圖8所示。從圖中可以發現，主汽閥閥體加長400 mm后，相比于優化前方案，優化后方案應力集中區域明顯減少。圖7所示為原設計方案的應力場計算結果。

圖8所示為優化后方案主汽閥應力場計算結果。

然后計算分析優化前和優化后主汽閥閥體的線性化應力。具體選取路徑如圖9所示，圖中標志路徑C、D、E和I代表主汽閥閥體焊縫；A、B、F、G、H、J、K、L、M和N為閥體處路徑。如表2所示為原設計方案與優化后方案在不同路徑下的膜應力以及膜加彎應力的具體數值。數值結果表明，主汽閥的幾處關鍵部位的應力在優化后都有大幅度的降低。例如C焊縫路徑3處，膜應力從優化前的49.4 MPa減小為優化后的31.4 MPa，降低了36.44%，膜加彎應力從優化前的88.2 MPa減小為優化后的61.0 MPa，降低了30.84%；D焊縫路徑4處，膜應力從優化前的46.1 MPa減小為優化后的31.0 MPa，降低了32.75%，膜加彎應力從優化前的72.3 MPa減小為優化后的55.7 MPa，降低了22.96%；F路徑6處，膜應力從優化前的60.4 MPa減小為優化后的54.7 MPa，降低了9.44%，膜加彎應力從優化前的115.6 MPa減小為優化后的97.0 MPa，降低了16.09%；J路徑10處，膜應力從優化前的46.MPa減小為優化后的40.9 MPa，降低了35.79%，膜加彎應力從優化前的115.8 MPa減小為優化后的83.0 MPa，降低了28.32%；L路徑12處，膜應力從優化前的56.4 MPa減小為優化后的41.5 MPa，降低了26.41%，膜加彎應力從優化前的107.0 MPa減小為優化后的81.0 MPa，降低了24.30%。

圖5 主汽閥結構模型壓力邊界條件一

圖6 主汽閥結構模型壓力邊界條件二

表1 主汽閥結構模型壓力邊界條件數值

圖7 優化前應力等值云圖

圖8 優化后應力等值云圖

圖9 線性化應力路徑

表2 線性化應力對比

圖10 膜應力對比分析

圖11 膜加彎應力對比分析

圖10 和圖11所示分別為主汽閥膜應力和膜加彎應力在優化前后的對比柱狀圖，由圖可以明確地發現，在邊界相同的情況下，優化后主汽閥模型的應力結果在關鍵位置都要小于原設計方案，并且均滿足許用值，因此本文提出的優化方案可行。

3 結論

本文通過數值計算，研究分析了國產超臨界1000 MW汽輪機主汽閥強度，并且提出了優化方案。通過原設計與優化后方案的對比分析，優化后的結果表明各關鍵路徑應力都小于原設計方案，并且優化后應力值都小于許用值，因此該方案可以作為國產超臨界1000 MW汽輪機主汽閥結構設計優選方案，從而為該閥的制造和工程應用提供了理論支撐。