凝汽器整體上浮分析與對策

陽歐，高揚

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

凝汽器作為電站系統的重要冷端設備，主要作用是冷凝汽輪機排汽，達到真空條件。大型機組汽輪機通常采用下排汽，凝汽器布置在汽輪機底部[1]。汽輪機低壓缸排汽口與凝汽器直接連接，由于整個凝汽器上需要連接汽輪機汽水系統上的各種管道及設備，如：5段抽汽接口、6 段抽汽接口、7&8 號合體低壓加熱器，低壓軸封送回汽接口、疏水接口、補水接口、循環水接口等，受力復雜；各種接口對凝汽器的推力互相疊加，尤其是規格較大的接口產生的巨大推力直接作用到凝汽器上，不僅影響凝汽器的穩定性，同時也影響機組的運行安全。

1 故障情況

某國外電廠300 MW 機組，汽輪機為兩缸兩排汽濕冷機組，凝汽器安裝完成后進行現場循環水水側壓力試驗，在水壓試驗中出現了凝汽器整體上浮，凝汽器水室循環水接管法蘭下部的膨脹節拉裂變形；凝汽器滑動支座上下部脫離，支座底部的預埋件從混凝土基座中被拔起，受損支座情況如圖1 所示。

圖1 凝汽器受損支座

2 故障分析

該機組凝汽器采用單殼體雙流程設計，凝汽器底部與基礎采用剛性支撐形式，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用彈性（膨脹節）連接，凝汽器殼體上設有6個水室，分為前水室4 個，后水室2 個，凝汽器采用水平流程，前水室為2 個進水水室以及2 個出水水室，后水室為回轉水室，凝汽器可半側運行，水室循環水采用底部接入方式，循環水接管管口豎直向下，水室進出口通過膨脹節與循環水管道相連，結構示意圖如圖2 所示。

圖2 凝汽器結構示意圖

凝汽器（含內置7&8 合體低壓加熱器、旁路減溫減壓器等）設備凈重約460 t，凝汽器水室（含前后水室）及換熱管內總存水重約260 t，凝汽器熱井在正常水位線處水重約90 t，循環水運行壓力約0.25 MPa，水壓試驗壓力0.6 MPa，凝汽器喉部與低壓缸排汽接口處的接管規格為7.4 m×6.3 m，循環水接管規格為DN2000。

2.1 盲板力

當兩端封閉的管道受到壓力作用時，在管道的軸向端部截面上會產生壓力推力，對于管道系統，壓力推力作用在彎頭處；對于設備，壓力推力作用在接管端部的設備上；由于管道或設備的剛度較大，壓力推力被彎頭或設備承受，壓力推力不會作用到外部的支吊（支撐）上；當管道設置普通波紋膨脹節（如圖3所示）時，由于波紋自身的剛度較小，波紋將出現形變，壓力推力將作用在波紋兩端的管道或設備的支吊（支撐）上，形成盲板力；如果支吊（支撐）不牢固，膨脹節波紋處將出現位移，波紋將被拉壞，也可能造成設備或管道的形變，造成設備損壞；在大口徑管網中介質壓力超過0.5 MPa 時，盲板力很大[2]。

圖3 普通波紋膨脹節結構示意圖

普通波紋膨脹節（單式軸向型金屬波紋膨脹節）軸向雖然出廠時帶有均布的小拉桿，但是小拉桿僅僅用于膨脹節運輸過程中的固定，在運行中需要松開一端或者完全拆除。盲板力計算公式如下：

凝汽器的喉部與低壓缸排汽口、凝汽器前水室循環水接口與外部循環水管道都采用普通單式軸向型金屬波紋膨脹節連接，通過波紋管的柔性變形來吸收管線軸向位移（也有少量橫向、角向位移）[3]。所以只要在膨脹節內外存在壓差，膨脹節兩端都會產生盲板力。

2.2 凝汽器受力分析

凝汽器在運行工況下，凝汽器真空運行，水室、換熱管充水運行，熱井維持正常水位，喉部膨脹節和水室膨脹節都會產生盲板力。凝汽器整體受力如圖4所示。

圖4 凝汽器運行工況整體受力示意圖

凝汽器喉部膨脹節處盲板力F1=0.1×（7 400×6 300）/1 000=4 662 kN；凝汽器前水室在循環水運行壓力（0.25 MPa）下盲板力F2=4×0.25×（π×2 0002）/4 000=3 141.6 kN；凝汽器凈重F3=4 600 kN；水室及換熱管水重F4=2 600 kN；熱井運行水位水重F5=900 kN。

運行工況下豎直方向向下合力為Fx=F3+F4+F5=4 600+2 600+900=8 100 kN；運行工況下豎直方向向上合力為Fs=F1+F2=4 662+3 141.6=7 803.6 kN。

凝汽器在水壓試驗工況下，凝汽器內部與大氣壓相通，喉部膨脹節內外無壓差，無盲板力（F1=0）；水室、換熱管充水，水室膨脹節處存在盲板力，熱井處于無水位狀態（F5=0）。凝汽器整體受力如圖5 所示。

圖5 凝汽器水壓試驗工況整體受力示意圖

水壓試驗壓力（0.6 MPa）下盲板力F2′=4×0.6×（π×2 0002）/4 000=7 539.8 kN。水壓試驗時，豎直方向向下合力為Fx′=F3+F4=4 600+2 600=7 200 kN；水壓試驗時，豎直方向向上合力為Fs′=F2′=7 539.8 kN。

由計算數據可知：運行壓力下Fs＜Fx，水壓試驗壓力下Fs′＞Fx′，所以在運行壓力下，凝汽器合力向下，不會上浮；但在試驗壓力下，凝汽器合力向上，整體上浮，造成膨脹節及支座受損。

3 對策

從上述分析中可知，造成凝汽器上浮的主要原因為盲板力過大，可通過外部措施和內部措施進行優化，降低或減小盲板力帶來的負面作用。

3.1 外部措施

3.1.1 改變盲板力方向，優化凝汽器受力方向

在凝汽器設計和管道設計中，將凝汽器水室循環水管進出水口部分或全部采用水平進出設計，雖然不能消除盲板力，但盲板力的方向不在豎直方向上，可以減小或消除豎直方向的盲板力，如圖6 所示結構，前水室左右兩側的接管采用水平對稱設計，盲板力對于凝汽器整體而言可互相抵消，中間水室即使采用原設計，循環水管的盲板力也可減小為原來的50%。

圖6 循環水接口部分水平設置

3.1.2 采用無盲板力補償器

將水室接口的補償器采用特殊形式膨脹節，例如大拉桿橫向波紋補償器，結構如圖7 所示，由于拉桿能承受壓力推力和其他附加外力的作用，膨脹節自身吸收內壓推力，不會對管道產生外力，能夠消除管道內壓產生的盲板力[3]，該結構可以完全消除循環水管接口的盲板力。

圖7 大拉桿橫向型膨脹節結構示意圖

3.1.3 循環水管道采用無補償器設計

管道的熱膨脹通過管道自身的柔性吸收，例如中南電力設計院采用的無補償器設計方案，在凝汽器供水、排水管段上各增設法蘭，通過法蘭以釋放循環水管道對凝汽器接口的作用力和力矩[4]，消除循環水管道盲板力。

3.1.4 凝汽器整體配重

凝汽器安裝完成后在進行水壓試壓時，需進行受力分析核算，如果凝汽器整體受力的合力向上，需要在凝汽器熱井內進行灌水配重，以平衡循環水管道盲板力的影響。

3.2 內部措施

從凝汽器水室結構上進行防盲板力設計，采用類似大拉桿橫向波紋補償器的結構，在水室接管上設置盲板力平衡裝置，在凝汽器水室接管上下設置平衡管，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[5]。

更改凝汽器與低壓缸的連接形式，凝汽器采用底部彈性支撐，凝汽器喉部與低壓缸剛性連接的方式，消除喉部盲板力。改進凝汽器支座，設計為能承受拉應力的結構，將凝汽器的滑動支座上增加一定數量的螺栓，使得支座不僅能承受壓力還能承受拉力。對固定支座、滑動支座的基礎及預埋板進行優化，預埋板采用受拉結構，并將凝汽器底板與埋件的連接柱增加焊縫焊牢。

4 結論

凝汽器的喉部接口和循環水管道尺寸規格大，加裝普通單式軸向型波紋補償器后，產生的盲板力在凝汽器的受力中影響較大，需要在凝汽器的設計中與管道設計院充分配合，針對不同工況對整個凝汽器的受力進行分析，并采取相應措施，防止出現凝汽器上浮的情況，給設備和機組帶來安全風險。