陽(yáng)歐，高揚(yáng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

1 引言

傳統(tǒng)的火電汽輪機(jī)低壓模塊落地方式為低壓軸承座落于低壓外缸，低壓外缸直接落于汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)基礎(chǔ)。隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，保證汽輪機(jī)軸系穩(wěn)定和降低汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)承受的低壓外缸真空載荷，減小汽輪發(fā)電機(jī)混凝土基座的載荷，低壓缸內(nèi)缸落地機(jī)型得到了廣泛的應(yīng)用。

凝汽器是汽輪機(jī)組必不可少的重要輔機(jī)，凝汽器性能的優(yōu)劣直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性[1]。低壓內(nèi)缸落地汽輪機(jī)組凝汽器相比傳統(tǒng)的低壓外缸落地機(jī)組凝汽器，低壓外缸與凝汽器喉部采用剛性連接，在機(jī)組運(yùn)行中凝汽器喉部?jī)?nèi)處于真空狀態(tài)，低壓外缸重量和低壓外缸的真空載荷同時(shí)承載到凝汽器喉部上。低壓內(nèi)缸落地凝汽器喉部的受力情況與傳統(tǒng)凝汽器喉部區(qū)別較大。

2 常規(guī)凝汽器喉部結(jié)構(gòu)

常規(guī)凝汽器與基礎(chǔ)及低壓缸的連接方式通常有剛性支撐-彈性連接和彈性支撐-剛性連接兩種方式。

2.1 剛性支撐-彈性連接方式

凝汽器底部與基礎(chǔ)采用剛性支撐，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用膨脹節(jié)連接，膨脹節(jié)的主要作用是吸收凝汽器自身相對(duì)于零米層基礎(chǔ)的熱膨脹以及低壓缸相對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)層基礎(chǔ)的熱膨脹。凝汽器與基礎(chǔ)及低壓缸的連接如圖1 所示。

圖1 凝汽器剛性支撐-彈性連接圖示

凝汽器由于喉部采用膨脹節(jié)連接，在運(yùn)行中低壓缸受到的大氣壓力由運(yùn)轉(zhuǎn)層基礎(chǔ)承受，凝汽器底部受到豎直向上的真空浮力，但凝汽器運(yùn)行水重及自重較大，可以抵消真空浮力，凝汽器整體的受力仍然是豎直向下。就凝汽器喉部而言，豎直方向上只受到由于膨脹節(jié)自身的剛度產(chǎn)生受壓的力及自身重力，由于膨脹節(jié)軸剛度較小，重力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很小，喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮的還是凝汽器側(cè)板受到的大氣壓力作用。

2.2 彈性支撐-剛性連接方式

凝汽器底部與零米層基礎(chǔ)采用彈簧連接，凝汽器喉部與低壓缸排汽口采用剛性連接，凝汽器自重通常由彈簧承受，凝汽器運(yùn)行中的水重由低壓缸承受，進(jìn)而承載在運(yùn)轉(zhuǎn)層基礎(chǔ)上，凝汽器與基礎(chǔ)及低壓缸的連接如圖2 所示。

圖2 凝汽器彈性支撐-剛性連接圖示

凝汽器與低壓缸剛性連接，整體上受到的大氣壓力互相平衡。在運(yùn)行中需保證低壓缸受到凝汽器喉部的向下拉力，防止低壓缸被頂起，影響機(jī)組安全性；就凝汽器喉部而言，喉部頂板受拉，其分力與側(cè)板大氣壓力方向相反，能部分抵消側(cè)板的大氣壓力在豎直方向上的分力，對(duì)于凝汽器喉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利，凝汽器喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響最大的還是凝汽器側(cè)板受到的大氣壓力作用。

2.3 喉部結(jié)構(gòu)

上述兩種連接方式，凝汽器喉部設(shè)計(jì)中主要考慮的還是側(cè)板四周的大氣壓力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)桿件進(jìn)行加強(qiáng)，通常有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是桁架，另一種是井架，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 凝汽器喉部結(jié)構(gòu)（左為桁架，右為井架）

桁架結(jié)構(gòu)中，采用斜向支撐喉部側(cè)板，將側(cè)板的大氣壓力分散到喉部的工字鋼上，進(jìn)而通過(guò)凝汽器殼體中的中間管板進(jìn)一步分散，不僅受力好，而且凝汽器喉部中間部分沒(méi)有支撐桿，對(duì)于低壓缸的回?zé)岢槠芫€及低壓加熱器的布置十分有利，在600 MW 及以下的機(jī)組中廣泛應(yīng)用。在1 000 MW等級(jí)機(jī)組，由于喉部較大，斜支撐桿較長(zhǎng)，容易造成受壓失穩(wěn)，通常采用井架結(jié)構(gòu)，兩端的喉部側(cè)板通過(guò)桿件直接連接，平衡大氣壓力，四個(gè)方向的撐桿互相連接，組成整體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好。

3 低壓內(nèi)缸落地凝汽器喉部設(shè)計(jì)

低壓內(nèi)缸落地機(jī)型，凝汽器與零米層基礎(chǔ)采用剛性支撐，低壓外缸排汽口與凝汽器剛性連接，凝汽器的自重和水重以及低壓外缸所承受的真空力都由基礎(chǔ)承受，汽輪機(jī)運(yùn)行平臺(tái)不承受真空載荷[2]。低壓外缸凝汽器與基礎(chǔ)及低壓缸的連接如圖4 所示。

圖4 低壓內(nèi)缸落地凝汽器連接圖示

3.1 喉部受力情況

凝汽器整體剛性連接，大氣壓力互相平衡，運(yùn)行中凝汽器的熱膨脹推動(dòng)低壓外缸上移，由于低壓缸排汽口較大，巨大的大氣壓力及低壓缸的自重通過(guò)低壓缸的排汽口傳遞到凝汽器的側(cè)板上，以某660 MW 超超臨界三缸兩排汽機(jī)組為例，排汽口面積達(dá)67 m2，低壓缸自重約75 t，低壓缸排汽口傳遞給喉部接口處的豎直方向上合力達(dá)7 450 kN，凝汽器喉部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高，設(shè)計(jì)難度更大。

3.2 喉部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常規(guī)凝汽器喉部結(jié)構(gòu)如果要滿足內(nèi)缸落地機(jī)型帶來(lái)的高強(qiáng)度要求，則需要對(duì)側(cè)板進(jìn)行加強(qiáng)，增加側(cè)板的厚度，并采用更粗壯的支撐桿或增加額外的支撐桿進(jìn)行加強(qiáng)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較重，在運(yùn)行中應(yīng)力分布不合理，支撐桿的數(shù)量增加，也會(huì)導(dǎo)致凝汽器喉部的氣動(dòng)性能較差。

優(yōu)化后的凝汽器喉部在低壓加熱器等高的高度上采用井架布置，在低壓加熱器以上布置采用桁架結(jié)構(gòu)，以方便抽汽管道的布置，并對(duì)低壓缸排汽口連接的頂板進(jìn)行加厚，頂板下增加了一定數(shù)量的支撐桿件，將喉部排汽口的真空力及低壓缸重量載荷分散到數(shù)量眾多的支撐桿上，進(jìn)而傳遞到喉部底部的H 形鋼上，再分散到凝汽器殼體上的中間管板上，從整體上對(duì)凝汽器喉部進(jìn)行了加強(qiáng)，喉部頂板下增加的支撐桿僅僅布置在側(cè)板的擴(kuò)散角范圍內(nèi)，對(duì)凝汽器的氣動(dòng)性能基本無(wú)影響，喉部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 凝汽器喉部結(jié)構(gòu)（俯視圖）

3.3 強(qiáng)度分析

采用第三強(qiáng)度理論，以彈性應(yīng)力分析準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元的分析。在運(yùn)行工況下，喉部變形量如圖6 所示，喉部應(yīng)力強(qiáng)度如圖7 所示。根據(jù)分析數(shù)據(jù)，參照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的判定方法，計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度滿足應(yīng)力強(qiáng)度極限值，其結(jié)構(gòu)滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求。

圖6 凝汽器喉部變形量云圖

圖7 凝汽器喉部應(yīng)力強(qiáng)度云圖

4 結(jié)論

針對(duì)低壓內(nèi)缸落地凝汽器的受力情況，對(duì)凝汽器喉部進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，并采用有限元分析方法，結(jié)合壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化后的凝汽器喉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提高，滿足運(yùn)行工況下的強(qiáng)度要求，提高了機(jī)組的安全性。