核電站凝汽器冷卻管防碰摩優化設計

張春秀， 李家富， 藺楊穎， 涂霜

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 前言

凝汽器冷卻管的振動碰摩事故， 一直是電站凝汽器運行中的一大問題， 尤其是對于濱海核電機組。 核電站凝汽器不僅要避開汽輪機轉速與冷卻管固有頻率的耦合共振， 更要考慮核電站凝汽器接收汽輪機旁路蒸汽后， 由于凝汽器喉部內汽相流動不均性增加， 在某些特殊工況下會引起冷卻管碰摩。 防止冷卻管發生碰摩對核電凝汽器設計十分重要。

本文以某核電站凝汽器為例， 詳細闡述為防止凝汽器冷卻管振動碰摩采取的優化設計， 并分析了優化措施。

1 優化設計措施

1.1 合理布置凝汽器喉部內的輔助設備

某核電站汽輪機為半轉速， 凝汽器要接受汽輪機旁路系統排放的蒸汽量為85%額定工況的主蒸汽量， 旁路蒸汽通過12 根管道排入凝汽器。

在凝汽器總體方案設計時， 要注意合理布置凝汽器喉部內的輔助設備包括旁路蒸汽擴散裝置，以保證喉部出口汽流在流入管束前達到一定均勻程度[1]。 根據汽機房布置、 并充分考慮凝汽器內部空間情況， 凝汽器旁路接收裝置布置如圖1 所示：在凝汽器殼體之間共布置6 個旁路擴散器， 每個旁路擴散器連接2 根旁路蒸汽管道。

圖1 凝汽器旁路布置示意圖

1.2 優化跨距布置

避免冷卻管振動碰摩的最主要方法是在冷卻管上加入支撐隔板， 通過改變冷卻管自身的振動屬性來實現。 因此確定支撐管板數量、 跨距布置方案是設計中最基礎、 最關鍵的部分。

根據HEI 標準 （第九版）[2]，冷卻管的計算最大跨距L 為：

式中： L0為基本跨距； K1為冷卻管外徑與壁厚修正系數； K2為冷卻管排列間隙修正系數； K3為冷卻管材料修正系數。

基本跨距和各修正系數可根據參數查表求得。

根據HEI 標準要求， 設計端跨距需小于計算最大跨距L 的1.18 倍， 設計中間跨距需小于計算最大跨距L 的1.05 倍。

按照GB 151-1999《鋼制管殼式換熱器》[3]附錄E2.4， 端跨距為 l1， 其余跨距為 l 時， 凝汽器管束計算簡化模型如圖2 所示。

圖2 凝汽器管束計算簡化模型

冷卻管的固有頻率按式（2）計算：

式中： fn為冷卻管固有頻率； di為管子內徑； d0為管子外徑； E 為材料彈性模量； m 為單位管長的質量； k 為彎曲系數。

對于兩端固定的直管， k 值可通過求解式（3）求得。

式中： n 為總跨數； ln為第n 跨的間距。

凝汽器冷卻管最大撓度Ym根據式（7）計算：

式中： Vmax， ν 為蒸汽的最大流速和比容； I 為截面慣性矩； Lm為中間跨距； k 為經驗系數。

最大撓度Ym應滿足：

式中： S 為排管橋距。

根據工程實際， 提出3 種跨距布置方案計算固有頻率見表1。

表1 冷卻管固有頻率表

從表1 可以看出： 按方案2 布置時冷卻管固有頻率接近倍頻， 因此方案2 不可取。

根據工程實際， 計算方案1 及方案3 在各個工況下的冷卻管最大撓度見表2。

表2 冷卻管最大撓度表

從表2 可以看出： 按照方案1 和3 計算出的最大撓度值均小于1/3 橋距。 按方案1 設計的冷卻管在各個工況下的最大撓度值均小于方案3。 為加大防振安全裕度， 設計跨距布置按方案1 進行。

1.3 在管束頂部及汽道迎流面增加厚壁管數量

根據某核電廠現場運行反饋： 其2 臺機組的凝汽器分別在機組投運初期做試驗 （含甩100%負荷、 甩50%負荷、 旁路投入等工況）期間先后共有5 根冷卻管發生了斷裂、 泄漏事故， 并且在停機后抽管檢查均發現管束的某些迎流區有幾排冷卻管之間存在碰摩現象[4]。 為防止管束汽道迎流面出現碰摩， 排管時， 在管束頂部及管束蒸汽通道的迎流面增加厚壁冷卻管（壁厚0.7 mm）數量， 如圖3所示， 以降低汽道迎流面冷卻管發生振動碰摩的風險。

圖3 管束汽道迎流面厚壁管示意圖

1.4 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管

為防止頂排冷卻管被異物砸傷及高速汽流對冷卻管的沖刷， 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管， 以起到保護冷卻管的作用， 如圖4 所示。

圖4 凝汽器不銹鋼防沖管示意圖

2 結語

凝汽器設計時通過合理布置凝汽器喉部內的輔助設備、 優化跨距布置、 在管束頂部及汽道迎流面增加厚壁冷卻管數量、 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管， 可有效預防冷卻管發生碰摩， 使凝汽器能夠安全運行。