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        核電站凝汽器冷卻管防碰摩優(yōu)化設(shè)計

        2021-07-19 03:23:44張春秀李家富藺楊穎涂霜
        東方汽輪機 2021年2期
        關(guān)鍵詞:冷卻管跨距厚壁

        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(zhuǎn)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(nèi)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(fā)生碰摩對核電凝汽器設(shè)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(yōu)化設(shè)計, 并分析了優(yōu)化措施。

        1 優(yōu)化設(shè)計措施

        1.1 合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)備

        某核電站汽輪機為半轉(zhuǎn)速, 凝汽器要接受汽輪機旁路系統(tǒng)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(shè)計時, 要注意合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)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(jù)汽機房布置、 并充分考慮凝汽器內(nèi)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(yōu)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(xiàn)。 因此確定支撐管板數(shù)量、 跨距布置方案是設(shè)計中最基礎(chǔ)、 最關(guān)鍵的部分。

        根據(jù)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(shù); K2為冷卻管排列間隙修正系數(shù); K3為冷卻管材料修正系數(shù)。

        基本跨距和各修正系數(shù)可根據(jù)參數(shù)查表求得。

        根據(jù)HEI 標準要求, 設(shè)計端跨距需小于計算最大跨距L 的1.18 倍, 設(shè)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(nèi)徑; d0為管子外徑; E 為材料彈性模量; m 為單位管長的質(zhì)量; k 為彎曲系數(shù)。

        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(shù); ln為第n 跨的間距。

        凝汽器冷卻管最大撓度Ym根據(jù)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(jīng)驗系數(shù)。

        最大撓度Ym應(yīng)滿足:

        式中: S 為排管橋距。

        根據(jù)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(jù)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(shè)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(shè)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(shù)量

        根據(jù)某核電廠現(xiàn)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(fā)生了斷裂、 泄漏事故, 并且在停機后抽管檢查均發(fā)現(xiàn)管束的某些迎流區(qū)有幾排冷卻管之間存在碰摩現(xiàn)象[4]。 為防止管束汽道迎流面出現(xiàn)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(shù)量, 如圖3所示, 以降低汽道迎流面冷卻管發(fā)生振動碰摩的風(fēng)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(jié)語

        凝汽器設(shè)計時通過合理布置凝汽器喉部內(nèi)的輔助設(shè)備、 優(yōu)化跨距布置、 在管束頂部及汽道迎流面增加厚壁冷卻管數(shù)量、 在管束頂部增加不銹鋼厚壁防沖管, 可有效預(yù)防冷卻管發(fā)生碰摩, 使凝汽器能夠安全運行。

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