軸向排汽凝汽器支座載荷分析

王 健
（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150090）

軸向排汽凝汽器具有流動損失少，結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便等優(yōu)點，在大型電站汽輪機中具有良好的應(yīng)用前景。針對軸向凝汽器的軸向載荷引起各支座載荷的影響，結(jié)合漕涇項目軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)特點，通過等效密度方法建立了凝汽器簡化模型，計算分析了凈重、運行及滿水工況下凝汽器各支座載荷，并于設(shè)計參數(shù)進行了對比。結(jié)果表明軸向排汽凝汽器的支座載荷受到運行工況的影響明顯，在軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮軸向載荷引起的支座載荷變化。

軸向排汽凝汽器；支座載荷；工況；等效密度

在大型燃煤電站和聯(lián)合循環(huán)電站中，汽輪機凝汽器存在徑向和軸向排汽兩種排汽方式。徑向排汽的汽流從低壓缸進入凝汽器過程中存在流動轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致低壓缸排汽損失，而軸向排汽方式的凝汽器直接在軸向連接低壓缸，汽流從低壓缸進入凝汽器流動順暢，能夠充分利用低壓缸排汽動能，可有效減小排汽的流動損失。此外，軸向排汽方式的機組結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝檢修方便，能夠有效降低電站基建成本和工期，相對徑向排汽的經(jīng)濟效益優(yōu)勢突出[1]。

軸向排汽凝汽器與低壓缸和基礎(chǔ)的連接結(jié)構(gòu)需要考慮水平熱位移和軸向力[2]。一般軸向排汽凝汽器與低壓缸之間通過膨脹節(jié)來考慮其熱位移的影響[3]。軸向排汽方式中汽輪機低壓缸沿軸向直接進入凝汽器，這樣的設(shè)計方式在運行時會在凝汽器側(cè)板上產(chǎn)生軸向推力。隨著汽輪機運行工況的變化，軸向排汽凝汽器受到的軸向力發(fā)生變化，進而改變凝汽器各支座載荷，甚至改變部分支座的受力方向。如果在某些工況下軸向排汽凝汽器軸向載荷過大，引起部分凝汽器支座載荷超過連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度，就容易導(dǎo)致凝汽器傾覆的安全事故，因此需要精確掌握軸向凝汽器運行過程中支座載荷分布情況。

本文針對漕涇項目的軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)，建立了凝汽器結(jié)構(gòu)有限元模型，通過等效密度方法考慮了凝汽器內(nèi)部換熱管、隔板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重力，分別計算了凈重、運行及滿水等三個工況下凝汽器各座的載荷，并與原設(shè)計參數(shù)進行了對比，為軸向排汽凝汽器的設(shè)計提供參考。

1 漕涇項目軸向排汽凝汽器結(jié)構(gòu)介紹

漕涇項目凝汽器具有5個支座，結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計工況，凝汽器在凈重、運行，灌水三種工況下的總重分別為：

① 凈重：115 668 kg

②運行重量：201 941 kg

③灌水重量：284 648 kg

④喉部凈重：32 000 kg

⑤殼體凈重：80 000 kg

⑥滿水水重：170 kg

圖1 漕涇項目凝汽器結(jié)構(gòu)圖和支座分布

在支座載荷核算過程中，為更加準確地反應(yīng)凝汽器的支座反力分布情況，通過數(shù)值方法對凝汽器底部各個支座的載荷情況進行分析，并與漕涇項目凝汽器原設(shè)計方（TEI）所提供數(shù)據(jù)進行對比，以期對軸向排汽凝汽器的設(shè)計提供參考。

2 凝汽器有限元建模

漕涇項目凝汽器可分為兩部分：（1）凝汽器殼體，包含水室和內(nèi)部管束結(jié)構(gòu)，即圖2中長方體結(jié)構(gòu)；（2）凝汽器喉部以及其內(nèi)部加強等設(shè)備，即圖2中梯形臺結(jié)構(gòu)。

由于凝汽器設(shè)備復(fù)雜，在計算凝汽器支座載荷時沒有必要嚴格按照圖紙建立凝汽器全模型，所以將對凝汽器結(jié)構(gòu)進行簡化處理。凝汽器模型的簡化既能保證與原設(shè)備重量相符，又有利于進行有限元計算的形式。為此，該凝汽器簡化為具有限元簡化模型如圖2所示。

圖2 簡化后的凝汽器結(jié)構(gòu)

為了保證與原設(shè)備的重量相符，通過調(diào)整殼體和喉部的密度進行等效密度的計算。首先計算出凈重狀態(tài)下有限元模型殼體和喉部的質(zhì)量分別為1 460 508 kg、370 704 kg，密度取 7 850 kg/m3.由第二部分設(shè)備參數(shù)知道，有限元模型質(zhì)量為原設(shè)備殼體質(zhì)量80 000 kg和35 668 kg時，求得此時的等效密度見表1.

表1 凝汽器等效密度

3 軸向排汽凝汽器支座載荷分析結(jié)果

根據(jù)有限元計算結(jié)果，可以提取凝汽器各支座在凈重、運行及滿水工況下的載荷，與設(shè)計參數(shù)的對比情況如表2所示。

表2 凝汽器各支座載荷結(jié)果及與設(shè)計工況的對比

從計算結(jié)果可以看出：

（1）在凈重和灌水工況下，由于只受重力作用，支反力的方向均豎直向上。根據(jù)表3的顯示對比分析：凈重工況，R1、R2支座由于重心向喉部偏移，受喉部力矩影響，這兩個支座的支反力相對其他支座反力較小，與原設(shè)計數(shù)據(jù)對比偏差較大；運行工況與滿水工況，其分析結(jié)果與原設(shè)方數(shù)據(jù)更為接近。

（2）運行時凝汽器內(nèi)部真空，側(cè)板受大氣壓強作用，對凝汽器軸向產(chǎn)生一個水平的推力，導(dǎo)致運行時R1、R2兩支座的反力由壓力變?yōu)槔?。并且由于R5為死點固定，所以在此支座位置上會產(chǎn)生一個水平方向的分力，用來平衡水平的大氣壓力。

4 結(jié)論

軸向排汽凝汽器運行中會產(chǎn)生一個較大軸向推力，造成凝汽器一側(cè)有抬起趨勢。如果推力過大，地腳螺栓不牢固將有側(cè)翻危險。通過建立簡化模型對漕涇凝汽器底部支反力的計算表明，支座反力的趨勢與設(shè)計數(shù)據(jù)有所差別，但支座載荷方向、趨勢吻合，能夠更精確反映凝汽器在凈重、運行和灌水三種工況下的支座反力情況，為軸向排汽凝汽器的設(shè)計提供參考。本文的分析設(shè)計方法已應(yīng)用到后續(xù)軸向排汽凝汽器的設(shè)計工作中。

[1]李萬軍.一種軸向排汽低壓缸的研制[J].裝備制造技術(shù)，2015（5）：239-240.

[2]吳春燕，李海紅.西門子燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組軸向排汽凝汽器的特點[J].電站輔機，2006，12（4）：18-21.

[3]方 韋.軸向凝汽器膨脹節(jié)的分析研究[J].電站輔機，2016，37（3）：18-20.

Analysis of the Support Load of an Axial Exhaust Condenser

WANG Jian
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin Heilongjiang 150090，China）

With the advantage of low flow loss，compact structure and the convenience of assembly and dismounting，the axial exhaust condenser has a good application prospect in huge power stations.In order to study the influence of the axial force of axial exhaust condenser on the support load distribution，this paper considered the structure of the axial exhaust condenser in caojing power station，a simplified model of condenser was established based on equivalent density，the support load was calculated under net weight，working condition and full water，the results were compared with the design date.Results show that the influence of working condition on the support load is obvious，and the variation of support load due to axial load of condenser should be considered in the design of axial exhaust condenser.

axial exhaust condenser；support load；work condition；equivalent density

TK264.11

A

1672-545X（2017）08-0043-03