低壓內缸落地凝汽器喉部結構設計

陽歐，高揚

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽618000）

1 引言

傳統的火電汽輪機低壓模塊落地方式為低壓軸承座落于低壓外缸，低壓外缸直接落于汽輪機運行平臺基礎。隨著汽輪機技術的發展，保證汽輪機軸系穩定和降低汽輪機運行平臺承受的低壓外缸真空載荷，減小汽輪發電機混凝土基座的載荷，低壓缸內缸落地機型得到了廣泛的應用。

凝汽器是汽輪機組必不可少的重要輔機，凝汽器性能的優劣直接影響電廠的經濟性、可靠性和安全性[1]。低壓內缸落地汽輪機組凝汽器相比傳統的低壓外缸落地機組凝汽器，低壓外缸與凝汽器喉部采用剛性連接，在機組運行中凝汽器喉部內處于真空狀態，低壓外缸重量和低壓外缸的真空載荷同時承載到凝汽器喉部上。低壓內缸落地凝汽器喉部的受力情況與傳統凝汽器喉部區別較大。

2 常規凝汽器喉部結構

常規凝汽器與基礎及低壓缸的連接方式通常有剛性支撐-彈性連接和彈性支撐-剛性連接兩種方式。

2.1 剛性支撐-彈性連接方式

凝汽器底部與基礎采用剛性支撐，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用膨脹節連接，膨脹節的主要作用是吸收凝汽器自身相對于零米層基礎的熱膨脹以及低壓缸相對于運轉層基礎的熱膨脹。凝汽器與基礎及低壓缸的連接如圖1 所示。

圖1 凝汽器剛性支撐-彈性連接圖示

凝汽器由于喉部采用膨脹節連接，在運行中低壓缸受到的大氣壓力由運轉層基礎承受，凝汽器底部受到豎直向上的真空浮力，但凝汽器運行水重及自重較大，可以抵消真空浮力，凝汽器整體的受力仍然是豎直向下。就凝汽器喉部而言，豎直方向上只受到由于膨脹節自身的剛度產生受壓的力及自身重力，由于膨脹節軸剛度較小，重力對結構強度影響很小，喉部結構設計中主要考慮的還是凝汽器側板受到的大氣壓力作用。

2.2 彈性支撐-剛性連接方式

凝汽器底部與零米層基礎采用彈簧連接，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用剛性連接，凝汽器自重通常由彈簧承受，凝汽器運行中的水重由低壓缸承受，進而承載在運轉層基礎上，凝汽器與基礎及低壓缸的連接如圖2 所示。

圖2 凝汽器彈性支撐-剛性連接圖示

凝汽器與低壓缸剛性連接，整體上受到的大氣壓力互相平衡。在運行中需保證低壓缸受到凝汽器喉部的向下拉力，防止低壓缸被頂起，影響機組安全性；就凝汽器喉部而言，喉部頂板受拉，其分力與側板大氣壓力方向相反，能部分抵消側板的大氣壓力在豎直方向上的分力，對于凝汽器喉部結構強度有利，凝汽器喉部結構設計中影響最大的還是凝汽器側板受到的大氣壓力作用。

2.3 喉部結構

上述兩種連接方式，凝汽器喉部設計中主要考慮的還是側板四周的大氣壓力，在結構設計時通過桿件進行加強，通常有兩種結構形式，一種是桁架，另一種是井架，其結構如圖3 所示。

圖3 凝汽器喉部結構（左為桁架，右為井架）

桁架結構中，采用斜向支撐喉部側板，將側板的大氣壓力分散到喉部的工字鋼上，進而通過凝汽器殼體中的中間管板進一步分散，不僅受力好，而且凝汽器喉部中間部分沒有支撐桿，對于低壓缸的回熱抽汽管線及低壓加熱器的布置十分有利，在600 MW 及以下的機組中廣泛應用。在1 000 MW等級機組，由于喉部較大，斜支撐桿較長，容易造成受壓失穩，通常采用井架結構，兩端的喉部側板通過桿件直接連接，平衡大氣壓力，四個方向的撐桿互相連接，組成整體，結構簡單，剛性好。

3 低壓內缸落地凝汽器喉部設計

低壓內缸落地機型，凝汽器與零米層基礎采用剛性支撐，低壓外缸排汽口與凝汽器剛性連接，凝汽器的自重和水重以及低壓外缸所承受的真空力都由基礎承受，汽輪機運行平臺不承受真空載荷[2]。低壓外缸凝汽器與基礎及低壓缸的連接如圖4 所示。

圖4 低壓內缸落地凝汽器連接圖示

3.1 喉部受力情況

凝汽器整體剛性連接，大氣壓力互相平衡，運行中凝汽器的熱膨脹推動低壓外缸上移，由于低壓缸排汽口較大，巨大的大氣壓力及低壓缸的自重通過低壓缸的排汽口傳遞到凝汽器的側板上，以某660 MW 超超臨界三缸兩排汽機組為例，排汽口面積達67 m2，低壓缸自重約75 t，低壓缸排汽口傳遞給喉部接口處的豎直方向上合力達7 450 kN，凝汽器喉部的結構強度要求更高，設計難度更大。

3.2 喉部結構優化

常規凝汽器喉部結構如果要滿足內缸落地機型帶來的高強度要求，則需要對側板進行加強，增加側板的厚度，并采用更粗壯的支撐桿或增加額外的支撐桿進行加強，不僅結構復雜，質量較重，在運行中應力分布不合理，支撐桿的數量增加，也會導致凝汽器喉部的氣動性能較差。

優化后的凝汽器喉部在低壓加熱器等高的高度上采用井架布置，在低壓加熱器以上布置采用桁架結構，以方便抽汽管道的布置，并對低壓缸排汽口連接的頂板進行加厚，頂板下增加了一定數量的支撐桿件，將喉部排汽口的真空力及低壓缸重量載荷分散到數量眾多的支撐桿上，進而傳遞到喉部底部的H 形鋼上，再分散到凝汽器殼體上的中間管板上，從整體上對凝汽器喉部進行了加強，喉部頂板下增加的支撐桿僅僅布置在側板的擴散角范圍內，對凝汽器的氣動性能基本無影響，喉部結構如圖5 所示。

圖5 凝汽器喉部結構（俯視圖）

3.3 強度分析

采用第三強度理論，以彈性應力分析準則為基礎，進行有限元的分析。在運行工況下，喉部變形量如圖6 所示，喉部應力強度如圖7 所示。根據分析數據，參照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》的判定方法，計算應力強度滿足應力強度極限值，其結構滿足運行強度要求。

圖6 凝汽器喉部變形量云圖

圖7 凝汽器喉部應力強度云圖

4 結論

針對低壓內缸落地凝汽器的受力情況，對凝汽器喉部進行結構上的優化，并采用有限元分析方法，結合壓力容器分析設計標準進行驗證，優化后的凝汽器喉部結構強度得到了提高，滿足運行工況下的強度要求，提高了機組的安全性。