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        1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)分析

        2018-01-05 03:06:05張道麗李家富張春秀
        東方汽輪機(jī) 2017年4期
        關(guān)鍵詞:冷卻管喉部管束

        張道麗,李家富,張春秀

        (東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng),618000)

        1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)分析

        張道麗,李家富,張春秀

        (東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng),618000)

        文章分析了海門(mén)電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組采用單背壓凝汽器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)單背壓凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,對(duì)單雙流程的管束布置進(jìn)行比較,優(yōu)化凝汽器喉部結(jié)構(gòu)并利用有限元軟件進(jìn)行分析,為單殼體、雙流程、表面式結(jié)構(gòu)的凝汽器設(shè)計(jì),提供技術(shù)參考。

        凝汽器,超超臨界,單背壓,結(jié)構(gòu),分析,設(shè)計(jì),特點(diǎn)

        1 概述

        國(guó)際上600 MW、1 000 MW超超臨界機(jī)組主要為三缸四排汽汽輪機(jī),所配凝汽器有單背壓和雙背壓兩種型式。在國(guó)內(nèi),較多電站項(xiàng)目出于經(jīng)濟(jì)性考慮,采用雙背壓凝汽器,該方案具有較大優(yōu)勢(shì),但初期投資成本較高,同時(shí)東方1 000 MW超超臨界機(jī)組配套雙背壓凝汽器循環(huán)水管為凝汽器底部布置,負(fù)挖較多。海門(mén)電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組經(jīng)過(guò)論證,最終采用單背壓凝汽器半地下布置,將1 000 MW超超臨界機(jī)組汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高由常規(guī)17 m優(yōu)化至15.5 m,降低基建投資和運(yùn)行成本。

        常規(guī)凝汽器采用雙殼體雙背壓,2個(gè)汽輪機(jī)低壓缸連接2臺(tái)凝汽器,如圖1所示,凝汽器的管束為雙流程型式。冷卻水從A列水室進(jìn)入凝汽器,經(jīng)過(guò)殼體內(nèi)冷卻水管冷卻蒸汽后,通過(guò)循環(huán)水聯(lián)通管道進(jìn)入B列另一側(cè)凝汽器冷卻蒸汽,最終從另一側(cè)凝汽器A列水室排出。凝汽器循環(huán)水管為凝汽器底部布置。

        圖1 三缸四排汽汽輪機(jī)雙背壓凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

        海門(mén)電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器如圖2所示,凝汽器管束為雙流程型式。 冷卻水從A列左水室進(jìn)入凝汽器,經(jīng)過(guò)殼體內(nèi)冷卻水管冷卻蒸汽后,通過(guò)B列水室轉(zhuǎn)向,從A列右水室排出。汽側(cè)通過(guò)凝汽器喉部聯(lián)通管聯(lián)通。水側(cè)通過(guò)B列水室之間聯(lián)通管轉(zhuǎn)向,無(wú)需設(shè)置冗長(zhǎng)循環(huán)水聯(lián)通管。

        圖2 三缸四排汽汽輪機(jī)單背壓凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

        2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

        海門(mén)電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組單背壓凝汽器最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于管束的布置、雙殼體之間加裝汽聯(lián)通管、后水室之間加水聯(lián)通管 (用于冷卻水轉(zhuǎn)向)、凝汽器喉部開(kāi)孔后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度削弱等。

        根據(jù)HEI計(jì)算可知,相同條件 (如排汽量,進(jìn)口水溫,背壓等)下,凝汽器采用單背壓比雙背壓面積增加約10%,增加管束面積,只有調(diào)整冷卻管長(zhǎng)度和加大管束密度,這將在管束布置時(shí)帶來(lái)一系列問(wèn)題。首先,在不改動(dòng)管束長(zhǎng)度情況下,所布置的管束非常密集。管束太密,將增大汽阻,使凝汽器過(guò)冷度提高,影響機(jī)組效率。其次,由于凝汽器殼體在寬度方向受到汽輪機(jī)平臺(tái)支撐立柱的限制 (兩個(gè)立柱的中心間凈空間為10 m,如圖3所示),同時(shí)鈦復(fù)合板的寬度在制造上也不能隨意加寬,因此管束布置在寬度方向上受到限制。再次,殼體在長(zhǎng)度方向上受到凝汽器擴(kuò)散角的限制,角度太大將引起脫流。所以管束也不能設(shè)計(jì)得太長(zhǎng)。在高度方向上,管束的布置統(tǒng)一受到限制,管束的頂部要保證低于汽輪機(jī)中間平臺(tái)層橫梁 (此工程汽機(jī)廠房是國(guó)內(nèi)首臺(tái)1 000 MW運(yùn)行層由17 m降至15.5 m機(jī)組)。經(jīng)與業(yè)主和設(shè)計(jì)院溝通,管束底部排管可在0 m以下。因此,適當(dāng)加高冷卻管管束高度和密度是可行的。

        圖3 汽輪發(fā)電機(jī)組剖面簡(jiǎn)圖

        3 結(jié)構(gòu)分析

        3.1 管束的單、雙流程分析

        凝汽器的流程型式有單流程和雙流程之分。在相同的循環(huán)水量、蒸汽流量、冷卻水溫、蒸汽壓力等條件下:若單背壓凝汽器采用單流程方案,冷卻管根數(shù)相對(duì)較少,但冷卻管長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng);若采用雙流程方案,冷卻管根數(shù)相對(duì)較多,但冷卻管長(zhǎng)度相對(duì)較短。管束流程示意圖如圖4所示,箭頭所指為水流動(dòng)方向。根據(jù)廠房布置的限制條件,凝汽器循環(huán)水進(jìn)出水管只能布置在同側(cè) (A列,B列為除氧器等設(shè)備布置空間)。因此,只能采用單背壓雙流程方案,在保證凝汽器喉部擴(kuò)散角為40°的情況下,根據(jù)汽機(jī)房的寬度10 m,運(yùn)行層15.5 m等限制條件,選擇最佳的凝汽器冷卻管長(zhǎng)度和數(shù)量,為了避免管束密集對(duì)凝汽器汽阻造成的影響,合理布置凝汽器管束成了關(guān)鍵問(wèn)題。

        圖4 背壓流程分析圖

        3.2 管束布置

        公司管束布置,引進(jìn)國(guó)外公司的先進(jìn)技術(shù)。分別用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷卻管進(jìn)行了管束布置,如圖5所示。

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有的條件下合理布置管束,無(wú)論采取何種規(guī)格冷卻管,管束高度均需增加,如表1所示。而汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層15.5 m的標(biāo)高是不能改變的,只能采取凝汽器管束往地下布置,造成凝汽器半地下布置。分別采用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷卻管管束布置進(jìn)行流程分析并比較,最終選取冷卻管直徑為Φ25 mm。

        圖5 各種規(guī)格管束布置圖

        表1 不同管徑冷卻水管排管高度

        取凝汽器兩組管束進(jìn)行流程分析,分別計(jì)算管束殼側(cè)流線、殼側(cè)壓力分布、管束空氣濃度場(chǎng)、管束換熱系數(shù)場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6,冷卻管管束具有汽阻小、不凝結(jié)氣體分布收斂、流場(chǎng)分布均勻等特點(diǎn),布置合理。

        圖6 凝汽器冷卻管采用Φ25 mm布置管束流場(chǎng)分析圖

        3.3 聯(lián)通管

        在工程運(yùn)用上,機(jī)組投運(yùn)后常常由于各種原因 (如堵管數(shù)量不同)造成兩側(cè)冷卻面積并不一致,同時(shí)需保證凝汽器具有半側(cè)運(yùn)行功能。因此在工程設(shè)計(jì)階段,需在兩側(cè)凝汽器之間加裝蒸汽聯(lián)通管 (如圖7所示)。其作用是保證凝汽器兩側(cè)背壓相同,當(dāng)冷卻管臟污、損壞等需要半側(cè)清洗或需要進(jìn)行堵管操作時(shí),凝汽器可半側(cè)運(yùn)行。此時(shí)停運(yùn)側(cè)蒸汽通過(guò)蒸汽聯(lián)通管引至另一側(cè)冷卻,避免停運(yùn)側(cè)凝汽器 “干燒”。根據(jù)已知數(shù)據(jù)和半側(cè)運(yùn)行熱平衡圖計(jì)算,確定聯(lián)通管的直徑,最終采用3個(gè)直徑為2.8 m的聯(lián)通管。蒸汽聯(lián)通管直徑選定后,建模分析凝汽器喉部強(qiáng)度,保證凝汽器整體的剛度和強(qiáng)度。

        本機(jī)組凝汽器底部未設(shè)置冗長(zhǎng)循環(huán)水管道,循環(huán)水B列轉(zhuǎn)向依靠后水室之間的聯(lián)通管。此聯(lián)通管大小與進(jìn)水室循環(huán)水接管面積相等即可 (如圖7所示)。根據(jù)水室結(jié)構(gòu),最終確定如圖7所示循環(huán)水聯(lián)通管。

        圖7 凝汽器蒸汽聯(lián)通管及水室聯(lián)通管

        3.4 凝汽器喉部強(qiáng)度及剛度分析

        公司600 MW系列凝汽器結(jié)構(gòu)為斜垳架支撐結(jié)構(gòu),當(dāng)喉部高度顯著增加時(shí)布置困難,且在真空載荷作用下外圍殼板應(yīng)力偏大,垳架群在高度方向受力分布不均。1 000 MW凝汽器喉部較600 MW凝汽器喉部無(wú)論在外形尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置上,均產(chǎn)生了較大的變化;傳統(tǒng)的喉部設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很難提供可靠的設(shè)計(jì)保證。因此1 000 MW凝汽器喉部采用了井架支撐結(jié)構(gòu),海門(mén)工程凝汽器需在兩喉部之間增加 3個(gè)直徑 2.8 m的聯(lián)通管,削弱了凝汽器喉部整體強(qiáng)度、剛度,需進(jìn)行凝汽器喉部的強(qiáng)度及剛度分析,優(yōu)化凝汽器喉部井架群各支撐桿的布置位置、截面形狀以及部分連接約束方式,盡量避免 “細(xì)長(zhǎng)桿”,提高結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性。

        凝汽器喉部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,利用有限元軟件進(jìn)行分析,結(jié)果如下:

        優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖8所示,沿低加軸線增加連接板之間的軸向支撐,從而在縱、橫兩向獲得相等或接近相等受力穩(wěn)定性。

        另對(duì)凝汽器喉部聯(lián)通管開(kāi)孔的高應(yīng)力區(qū)域,通過(guò)合理的肋板及支撐桿布置提高其承壓能力,如圖9所示。

        圖9 喉部聯(lián)通管開(kāi)孔加強(qiáng)

        有限元應(yīng)力分析云圖如圖10所示。

        圖10 喉部有限元分析云圖

        有限元建模分析結(jié)論如下:優(yōu)化后喉部整體剛度提高,位移變形減??;聯(lián)通管開(kāi)孔區(qū)域應(yīng)力值滿足強(qiáng)度要求;內(nèi)部支撐桿軸力降低到失穩(wěn)臨界壓力值以下。

        4 結(jié)語(yǔ)

        海門(mén)電廠超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)采用單背壓凝汽器,因大大減少負(fù)挖、無(wú)循環(huán)水聯(lián)通管布置、減小循環(huán)水泵容量及造價(jià),可稱(chēng)為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)新的發(fā)展方向。海門(mén)電廠投運(yùn)至今,未出現(xiàn)任何內(nèi)凹現(xiàn)象、凝汽器各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)良。而此機(jī)組的設(shè)計(jì)也將對(duì)公司新產(chǎn)品如600 MW超超臨界機(jī)組單殼體、雙流程、表面式結(jié)構(gòu)的凝汽器設(shè)計(jì),提供技術(shù)參考。

        [1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

        [2]曠仲和.1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組汽機(jī)運(yùn)行層標(biāo)高的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].電力建設(shè),2008,29(1):74-77.

        [3]張水桃.核電汽輪機(jī)凝汽器冷卻管避免振動(dòng)碰磨的預(yù)防措施[J].東方汽輪機(jī),2014,(3):1-4,10.

        [4]張道麗.1 000 MW超超臨界凝汽式汽輪機(jī)組凝汽器循環(huán)水管布置方式探討[J].東方汽輪機(jī),2013,(4):4-7.

        Structure Analysis of Single Back Pressure Condenser of 1 000 MW Ultra-supercritical Turbine

        Zhang Daoli, Li Jiafu, Zhang Chunxiu

        (Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

        The paper analyzes the design difficulties of single back pressure condenser of Haimen 1 000 MW ultra-supercritical units.Through the analysis of the structure characteristics of the single pressure condenser,and the comparison between single and double bundle set-up,optimization of the throat structure is analyzed by finite element software to provide the technical support for the design of the single shell,double flow,surface structure condenser.

        condenser,ultra-supercritical,single back pressure,structure,analyze,design,characteristic

        TK262

        B

        1674-9987(2017)04-0001-04

        10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.001

        張道麗 (1978-),女,高級(jí)工程師,畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子專(zhuān)業(yè),現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)技術(shù)管理工作。

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