直接空冷系統(tǒng)排汽管道整體結(jié)構(gòu)

李艷艷，黃志國，張靜謐，于建國，劉艷軍

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.機(jī)械工程系;b.工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

1 直接空冷系統(tǒng)

直接空冷是指火電廠直接采用環(huán)境空氣來冷凝汽輪機(jī)排汽的冷卻系統(tǒng)，采用直接空冷的機(jī)組稱為直接空冷機(jī)組[1]。汽輪機(jī)排汽通過排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流冷卻風(fēng)機(jī)使空氣流過散熱器外表面，將蒸汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)凝結(jié)水管道送回汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。

2 排汽管道結(jié)構(gòu)

如圖1所示為某電廠空冷系統(tǒng)排汽管道結(jié)構(gòu)，該裝置的主要構(gòu)件有：焊接鋼管、異徑三通、帶導(dǎo)流板彎頭、鋼制異徑管以及膨脹節(jié)和支座。整個(gè)裝置高約60 m，長約85 m，由一根主管道和7根支管組成，大管道鋼板材料均為碳鋼，型號(hào)為Q235。

表1 Q235材料特性

該項(xiàng)目中汽輪機(jī)入口選用了特殊形式的膨脹節(jié)，故而在連接處涉及到方變圓的情況，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 有限元分析

使用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行建立模型、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件、求解后并處理。主要用到的單元有SHELL181，BEAM188，CONBIN7等[2]。

3.1 有限元模型

由于排汽管道主要是由板件焊接而成，故采用二維的面單元比三維實(shí)體單元更適合建立該有限元模型。為了計(jì)算的精確，主體采用精度較高的四邊形面單元，另外還在四邊形單元不適用的部分區(qū)域采用三角形單元過渡，從而保證整個(gè)模型的網(wǎng)格質(zhì)量。排汽管道有限元模型如圖3所示：

3.2 膨脹節(jié)模擬

在排汽管道中多處設(shè)置了膨脹節(jié)，膨脹節(jié)主要起到吸收變形能、降低熱膨脹對結(jié)構(gòu)帶來不利影響的作用。由于膨脹節(jié)本身的結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，作者在計(jì)算過程中對其進(jìn)行了簡化，使用多節(jié)點(diǎn)約束單元和彈簧單元組合在一起模擬出膨脹節(jié)的受力狀態(tài)，多節(jié)點(diǎn)約束用于模擬端口處的連接，通過賦予彈簧單元相應(yīng)的剛度和質(zhì)量點(diǎn)單元的質(zhì)量可正確反映膨脹節(jié)的力學(xué)特性，如圖4所示。

3.3 定義邊界條件

周邊設(shè)施包括汽機(jī)房排汽裝置和蒸汽分配管，排汽管道和它們的接口處的自由度通過多點(diǎn)約束方法來進(jìn)行約束，如圖5和圖6所示。

排汽管道的主管底部共有十處支座，如圖6所示。分別根據(jù)設(shè)計(jì)要求對其進(jìn)行了自由度約束，在施加約束的時(shí)候同樣應(yīng)用了多節(jié)約束方法傳遞位移約束，如圖7所示。

3.4 定義載荷

主要考慮以下幾種荷載：

1)管道自身重量，密度以7 850 kg/m3計(jì)。

2)溫度載荷，通常情況下蒸汽溫度最高能達(dá)到120 ℃，和周圍環(huán)境溫度有溫差。高溫載荷必然產(chǎn)生熱膨脹，造成熱變形和熱應(yīng)力。本文設(shè)定最高溫度Tmax=120 ℃，參考溫度20 ℃。

3)管道內(nèi)蒸汽壓力變化(0.15 MPa)引起的內(nèi)外壓差。主蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力按全真空考慮，氣密性試驗(yàn)壓力為49 KPa，大氣壓取為100.4 KPa。

4)風(fēng)載荷，主要考慮四個(gè)方向的風(fēng)荷載，分別為+X、-X、+Z、-Z。風(fēng)載是以面載的形式施加在表面效應(yīng)單元上。

5)地震荷載，考慮4個(gè)不同方向準(zhǔn)靜態(tài)水平加速度[3]。

除此之外，計(jì)算過程中還考慮了雪載、旁路和沉降。

3.5 載荷組合工況

根據(jù)《ASEM Boiler and Pressure Vessel Code》規(guī)范建議風(fēng)載荷和地震載荷(包括基礎(chǔ)沉降)不同時(shí)計(jì)算，本文組合了17種工況。通過對各個(gè)載荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以得到，自重、壓力和溫度是主要的工作載荷，除此之外，地震載荷要比風(fēng)載危險(xiǎn)，而+Z向地震又比其他向地震危險(xiǎn)，由此可得到兩種危險(xiǎn)工況組合：

組合一：自重G+內(nèi)壓+溫度+地震(E+Z)+旁路最大值+沉降

組合二：自重G+真空+溫度+地震(E+Z)+旁路最大值+沉降

3.6危險(xiǎn)工況分析

危險(xiǎn)載荷工況組合一：自重G+內(nèi)壓+溫度+地震(E+Z)+旁路最大值+沉降，分析結(jié)果如圖8、9、10所示：

危險(xiǎn)載荷工況組合二：自重G+真空+溫度+地震(E-Z)+旁路最大值+沉降，分析結(jié)果如圖11、12、13所示：

4 結(jié)論

通過對排汽管道各個(gè)載荷的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)通過分析判斷，可以認(rèn)為整體結(jié)構(gòu)不超出《ASEM Boiler and Pressure Vessel Code》中有關(guān)材料的屈服極限值和許用變形要求，即強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[4]；

2)由于整體結(jié)構(gòu)的并不對稱，因此存在應(yīng)力集中和變形不對稱的情況；

3)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較高部位主要集中在端口導(dǎo)流片、支座以及管道三者連接的位置。建議在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。