凝汽器水室平衡循環(huán)水管道盲板力的研究分析

周 綺，陳俊斌，嚴(yán)強(qiáng)華

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090）

1 概 述

某核電機(jī)組凝汽器與汽輪機(jī)低壓缸采用剛性連接，凝汽器喉部與汽輪機(jī)低壓外缸直接焊接，凝汽器與基礎(chǔ)通過彈簧支座彈性連接。當(dāng)凝汽器運(yùn)行時，凝汽器受熱向下膨脹，通過底部彈簧支座吸收熱位移。

該核電站每臺機(jī)組有2個凝汽器，每個凝汽器有4個水室。單個凝汽器凈重約為900t（含內(nèi)置低壓加熱器），單個汽輪機(jī)低壓缸重量約為570t。凝汽器在正常水位運(yùn)行時的重量約為1 460t，在最低水位運(yùn)行時的重量約為1 360t。凝汽器底部彈簧支座預(yù)壓力約1 060t，凝汽器剩余重量作用于汽輪機(jī)低壓缸，汽輪機(jī)低壓缸座落在汽機(jī)基礎(chǔ)上。

該核電站在循環(huán)水管道豎直方向設(shè)置了1個膨脹節(jié)，以吸收管道的推力。循環(huán)水管道的水平段埋設(shè)于基礎(chǔ)內(nèi)，循環(huán)水管道在水平方向上未設(shè)置膨脹節(jié)。核電機(jī)組的循環(huán)水管道布置示意圖，如圖1所示。

2 問題分析

圖1 某核電機(jī)組循環(huán)水管道布置示意圖

當(dāng)凝汽器運(yùn)行時，循環(huán)水管道內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)壓，管側(cè)設(shè)計壓力為0.4MPa。循環(huán)水管道內(nèi)部壓力作用于各個方向，水平方向是封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)壓可相互抵消；向上的內(nèi)壓作用到水室接管上，向下的內(nèi)壓作用到膨脹節(jié)下部的循環(huán)水管道上，由于循環(huán)水管道豎直方向設(shè)置了膨脹節(jié)，而膨脹節(jié)不傳遞上下接管受力，使水室內(nèi)部向上的內(nèi)壓無法抵消，從而在水室內(nèi)部形成向上盲板力。盲板力傳遞至凝汽器，由于凝汽器與汽輪機(jī)低壓缸剛性連接，使盲板力直接影響了汽輪機(jī)的受力。盲板力分析圖，如圖2所示。

圖2 盲板力分析圖

根據(jù)該核電站旁海水潮位及循環(huán)水泵狀況等實際情況，在2臺循環(huán)水泵同時啟動瞬態(tài)工況下，每個凝汽器水室接口受的盲板力約為154t，當(dāng)循環(huán)水泵發(fā)生故障后重新啟動的瞬態(tài)工況下，每個凝汽器水室接口承受的盲板力約為197t。

在2臺循環(huán)水泵同時發(fā)生故障后重新啟動的極端情況下，凝汽器水室每個接口都受到約197t的盲板力，每個凝汽器有4個水室接口，此時作用到凝汽器的向上推力達(dá)到788t。

現(xiàn)將凝汽器與汽輪機(jī)低壓缸作為整體進(jìn)行考慮，此時該整體受到向下自身重力G凝和G汽、凝汽器底部向上彈簧反力F反彈、向上水室接口盲板力F盲板以及汽機(jī)基礎(chǔ)受力F基礎(chǔ)。當(dāng)凝汽器運(yùn)行時，凝汽器受熱向下膨脹，則此時彈簧進(jìn)一步受壓，反彈力增大。凝汽器與汽輪機(jī)低壓缸受力分析，如圖3所示。

圖3 凝汽器與汽輪機(jī)低壓缸受力分析圖

凝汽器凈重G凝1＝900t；

凝汽器正常水位運(yùn)行重量G凝2＝1 460t；

凝汽器最低水位運(yùn)行重量G凝3＝1 360t；

汽輪機(jī)低壓缸重量G汽＝570t。

凝汽器底部彈簧反力為F反彈＝1 060t＋180t＝1 240t（彈簧預(yù)壓力1 060t，最大熱膨脹產(chǎn)生的反彈力180t）。

水室接口盲板力F盲板＝788t（考慮最危險工況）。

汽機(jī)基礎(chǔ)受力F基礎(chǔ)＝G凝＋G汽－F反彈－F盲板（由于其他外部推力等作用力相對較小，暫忽略不計。）

當(dāng)F基礎(chǔ)≥0時，則凝汽器和汽輪機(jī)低壓缸整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)F基礎(chǔ)＜0時，則凝汽器和汽輪機(jī)低壓缸整體被頂起，汽輪機(jī)處于危險狀態(tài)。

為了機(jī)組的安全運(yùn)行，則汽機(jī)基礎(chǔ)受力必須大于等于零。即：

F基礎(chǔ)＝G凝＋G汽－F反彈－F盲板≥0

G凝≥F反彈＋F盲板－G汽＝1 240＋788－570＝1 458t

當(dāng)凝汽器運(yùn)行重量小于1 458t時，汽輪機(jī)被頂起，由此說明循環(huán)水管道盲板力影響到汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。汽輪機(jī)是電廠非常重要的設(shè)備，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，必須解決循環(huán)水管道盲板力的問題。

此外，由于該凝汽器底部采用彈簧支座，當(dāng)凝汽器運(yùn)行時，凝汽器水室接管會隨著凝汽器熱膨脹向下移動，由此增加了解決盲板力問題的難度。

3 解決方法

現(xiàn)通過改變水室接管自身結(jié)構(gòu)解決循環(huán)水管道盲板力問題。在凝汽器水室接管上設(shè)置盲板力平衡裝置，消除盲板力對汽輪機(jī)的影響。盲板力平衡裝置如圖4所示。

圖4 盲板力平衡裝置示意圖

3.1 盲板力平衡裝置原理分析

在凝汽器水室接管上部設(shè)置平衡管，平衡管上方設(shè)置膨脹節(jié)，上下膨脹節(jié)之間用長拉桿連接，形成盲板力平衡裝置。盲板力平衡裝置原理圖，如圖5所示。

圖5 盲板力平衡裝置原理圖

平衡管的作用是將水室接管內(nèi)的水引到上部膨脹節(jié)內(nèi)。水的內(nèi)壓力作用到平衡管上部法蘭，從而對法蘭有一個向下的壓力，該壓力與作用到水室接管的力相互抵消，由此消除盲板力對凝汽器和汽輪機(jī)的影響。

水的內(nèi)壓力同時作用到膨脹節(jié)頂部悶蓋，上下膨脹節(jié)連接長拉桿與頂部悶蓋及底部循環(huán)水管道連接，長拉桿將頂部悶蓋拉住，并將力傳遞到底部循環(huán)水管道，變相的將力轉(zhuǎn)移到循環(huán)水管道上，由此平衡頂部悶蓋受力。

此外，由于凝汽器水室接管上下都設(shè)置了膨脹節(jié)，當(dāng)凝汽器運(yùn)行時，水室接管可隨凝汽器熱膨脹向下自由移動，不受約束。頂部悶蓋被長拉桿固定，不會隨水室接管移動。

3.2 盲板力平衡裝置的設(shè)計分析

盲板力平衡裝置的設(shè)計必須保證結(jié)構(gòu)安全可靠，現(xiàn)對主要設(shè)計難點進(jìn)行分析。

（1）水室及水室接管應(yīng)力分析

盲板力平衡裝置設(shè)計按最極端情況考慮，用有限元方法計算凝汽器水室與水室接管在內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)力分布，并組合抗震分析進(jìn)行強(qiáng)度評定，保證結(jié)構(gòu)安全。

考慮到水室和水室接管結(jié)構(gòu)對稱及載荷對稱，取實際結(jié)構(gòu)的一半作為分析模型。水室接管橫截面為自由端，上部法蘭位移約束也設(shè)為自由狀態(tài)。上部法蘭表面施加均布壓力，水室與水室接管內(nèi)壁施加均布內(nèi)壓力，結(jié)構(gòu)整體施加三向位移約束限制移動。

設(shè)計條件為：設(shè)計地震加速度為0.15g，設(shè)計內(nèi)壓為0.4MPa，設(shè)計溫度取常溫，設(shè)計溫度下的材料參數(shù)，如表1所示。

表1 設(shè)計溫度下的材料參數(shù)

經(jīng)有限元分析，組合了結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算與抗震計算，結(jié)構(gòu)中最大薄膜應(yīng)力位于水室與水室接管連接處，屬于局部一次薄膜應(yīng)力，小于設(shè)計溫度下材料的屈服應(yīng)力225MPa。結(jié)構(gòu)中最大薄膜加彎曲應(yīng)力位于水室與水室接管連接處，屬于二次應(yīng)力，小于2倍的設(shè)計溫度下材料屈服應(yīng)力450MPa。

綜合考慮內(nèi)壓及地震載荷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安定性應(yīng)滿足要求。

（2）平衡管穩(wěn)定性校核

穩(wěn)定性校核參數(shù)：設(shè)計內(nèi)壓為0.4MPa。

平衡管的尺寸為?700mm×30mm，平衡管長度2 600mm。

經(jīng)計算，平衡管軸向壓力為2 308kN。

平衡管失穩(wěn)載荷Pcr＝2.7×105kN，參照ASMEⅧ－2 2007失穩(wěn)計算，安全系數(shù)?＝2.44。

許用失穩(wěn)載荷為：Pcr／?＝1.1×105＞2 308 kN。校驗合格，結(jié)構(gòu)是安全的。

（3）水室接管上部法蘭強(qiáng)度校核

正常運(yùn)行情況下，水室內(nèi)部存在內(nèi)壓，內(nèi)壓作用在法蘭上。法蘭在無接管（?700）時的受力，如圖6（a）所示，法蘭在有接管（?700）時的受力，如圖6（b）所示。由圖6可知，當(dāng)法蘭在有接管時，對法蘭的壓力小于平蓋情況的壓力，且接管對法蘭有一個向上的支撐作用，可以認(rèn)為平蓋情況更加危險，故現(xiàn)用平蓋計算方法對法蘭強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖6 法蘭的受力圖

取法蘭厚度為100mm，采用平蓋計算方法中螺栓連接方式進(jìn)行計算，該厚度滿足要求。

（4）上、下膨脹節(jié)連接長拉桿的布置

上、下膨脹節(jié)連接長拉桿與頂部悶蓋及底部循環(huán)水管道連接，長拉桿將頂部悶蓋固定，并將力傳遞到底部循環(huán)水管道，由此長拉桿的最大受力應(yīng)與最危險工況下的盲板力相同，即為788t。

從長拉桿受力的穩(wěn)定性考慮，最少在上、下膨脹節(jié)之間設(shè)置均分的3根長拉桿，但需考慮某根長拉桿發(fā)生破壞的情況，這種情況將導(dǎo)致平衡裝置發(fā)生受力不均，產(chǎn)生傾倒后會將膨脹節(jié)撕裂。從安全性考慮，將長拉桿數(shù)量定為6根，但仍按3根長拉桿均分受力進(jìn)行校核。此外，由于循環(huán)水管道膨脹節(jié)與水室筒身間距離較近，無法使6根長拉桿均分，經(jīng)分析，最終采用了在原有3根長拉桿的旁邊各加1根長拉桿的布置形式，此種布置形式可保證在某根長拉桿發(fā)生破壞時，其余長拉桿仍能保證機(jī)組的安全運(yùn)行。長拉桿的布置方法，如圖7所示。

圖7 長拉桿布置圖

4 結(jié) 語

在該核電項目中，通過改變凝汽器水室接管自身結(jié)構(gòu)，在水室接管設(shè)置盲板力平衡裝置，并對盲板力平衡裝置進(jìn)行設(shè)計分析，解決了平衡裝置的設(shè)計難點，從而有效平衡循環(huán)水管道盲板力，消除了盲板力對凝汽器乃至汽輪機(jī)的影響，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。