軸排凝汽器喉部設(shè)計(jì)

劉智慧，黃彥博

（德陽東汽電站機(jī)械制造有限公司，四川德陽 618000）

1 概述

凝汽器是凝汽式汽輪機(jī)裝置中不可或缺的一部分，整個(gè)裝置的熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性與其工作性能直接相關(guān)。常規(guī)凝汽器與汽輪機(jī)排缸是上下豎直布置，導(dǎo)致整個(gè)電站設(shè)備很高，修建成本相對較高。汽輪機(jī)排汽與凝汽器進(jìn)汽口位于同一水平面的，即軸向排汽凝汽器，凝汽器通過排汽接管與同一層面高度的排汽缸端面相連。這樣的水平布置使整體電站設(shè)備高度降低，大大節(jié)省基建成本，降低整個(gè)項(xiàng)目廠房等的工程造價(jià)。

凝汽器的喉部是連接汽輪機(jī)排汽與凝汽器殼體的橋梁，也可稱其為上部殼體或接頸。其作為整個(gè)電站循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)重要連接通道，不僅要注意其結(jié)構(gòu)組成，也要注意其性能的保證。

2 核心內(nèi)容

某聯(lián)合循環(huán)電站汽輪機(jī)采用軸向排汽方案。配套的凝汽器采用軸向排汽凝汽器。在該凝汽器喉部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要包括：①喉部與排汽接管、殼體聯(lián)結(jié)方式；②旁路裝置設(shè)置；③喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；④強(qiáng)度分析。

2.1 喉部與排汽接管、殼體聯(lián)結(jié)方式

凝汽器的喉部作為排汽進(jìn)入凝汽器的通道，它們之間的連接方式也是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。跟汽輪機(jī)下排汽布置式凝汽器一樣，軸向排汽機(jī)組的連接方式也有兩種，即剛性連接（圖1）與彈性連接（圖2）。

圖1 剛性連接方式

圖2 彈性連接方式

在軸排凝汽器中，一般剛性連接時(shí)，由于溫度及高度差勢必會在凝汽器豎直方向上產(chǎn)生收縮差，此時(shí)汽輪機(jī)低壓缸要用浮動(dòng)形式來解決收縮差問題；一般彈性連接時(shí)，采用雙膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)。

軸向排汽凝汽器接收上級排汽缸由軸向而來的蒸汽，這使得凝汽器在水平方向受到由軸向排汽帶來的很大的力，并在力的作用下產(chǎn)生脹差位移。為了使凝汽器吸收由熱脹差帶來的位移，在凝汽器的前部與汽輪機(jī)連接處，在凝汽器的后部各設(shè)置一個(gè)脹差補(bǔ)償器，通過前后兩個(gè)補(bǔ)償器來共同吸收軸向（水平方向）蒸汽帶來的脹差位移，通常將前后補(bǔ)償器通過剛性連接組成真空力平衡裝置。該項(xiàng)目凝汽器整體布置采用彈性連接，則該凝汽器喉部進(jìn)汽側(cè)與真空力平衡裝置剛性連接，出汽側(cè)與殼體也是剛性連接。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器的軸線與汽輪機(jī)在同一軸線，汽輪機(jī)死點(diǎn)在汽輪機(jī)排汽口缸上。凝汽器進(jìn)汽過渡段（喉部）與汽輪機(jī)排汽過渡段的連接是剛性的。

2.2 旁路設(shè)備布置

聯(lián)合循環(huán)電站需要汽輪機(jī)具備快速啟動(dòng)和調(diào)峰的能力，這就需要設(shè)置旁路系統(tǒng)，凝汽器也會常有在旁路的工作狀態(tài)。為了節(jié)省電站設(shè)備占有空間，大型電站會在冷凝器喉部內(nèi)布置多套減溫減壓裝置及一些常見的旁路設(shè)備。

凝汽器的喉部內(nèi)流場對整個(gè)凝汽器的工作特性具有重要影響。喉部不僅僅是排汽的蒸汽通道，還有一個(gè)重要的作用是對進(jìn)入凝汽器汽流進(jìn)行擴(kuò)壓。實(shí)際工作中對凝汽器喉部工作性能的好壞通常用喉部汽流流動(dòng)汽阻和流暢均勻性來判斷。凝汽器喉部過大的汽阻會使流場走向發(fā)生變化，喉部出口處流場如果紊亂不均，那么進(jìn)入凝汽器殼體的熱負(fù)荷就會分配不均，使得凝汽器熱效率降低。由此可見，凝汽器喉部內(nèi)流場是否均勻?qū)τ诤聿康慕Y(jié)構(gòu)特性起到?jīng)Q定性作用，流場內(nèi)的氣流不斷沖刷凝汽器喉部及凝汽器內(nèi)部冷卻管，提高了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。旁路設(shè)備的布置對喉部內(nèi)的流場均勻性有重要影響。

該軸向排汽凝汽器喉部設(shè)有2個(gè)減溫減壓器，在喉部排汽進(jìn)口處設(shè)有一水幕保護(hù)裝置，防止蒸汽倒灌，影響汽輪機(jī)性能。由于水幕保護(hù)裝置管徑較小，對流場影響不是很大。簡化模型，僅研究2個(gè)減溫減壓器外形及在喉部內(nèi)位置對喉部內(nèi)流場的影響。圖3為減溫減壓器上大下小排列流場，圖4為局部放大圖。圖5為減溫減壓器上小下大排列流場，圖6為局部放大圖。

圖3 減溫減壓器上大下小排列流場

圖4 上大下小排列流場放大圖

圖5 減溫減壓器上小下大排列流場

圖6 上小下大排列流場局部放大圖

從圖3和圖5中可看出，減溫減壓器對喉部內(nèi)的流場影響較小，無明顯汽流死區(qū)。兩種減溫減壓器排列方式的汽流速度最大處均出現(xiàn)在第一個(gè)減溫減壓器側(cè)。在減溫減壓器上大下小排列時(shí)，在第一個(gè)減溫減壓器與第二個(gè)減溫減壓器中間明顯出現(xiàn)渦流區(qū)。綜合比較，取減溫減壓器上小下大排列。

2.3 喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由2.1可知，該項(xiàng)目喉部進(jìn)汽側(cè)與真空力平衡裝置剛性連接，出汽側(cè)與殼體也是剛性連接。凝汽器水平方向的熱位移由膨脹節(jié)（即凝汽器前端與后端的膨脹節(jié)）所吸收，汽輪機(jī)與凝汽器之間的真空力通過真空力平衡裝置所吸收。此時(shí)凝汽器喉部（即排汽過渡段）整體外部僅受大氣壓力及自身的重力。因此在喉部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，著重考慮喉部四周側(cè)板對大氣壓力的承受及自身強(qiáng)度的保證。圖7為凝汽器外形圖。

圖7 凝汽器外形圖

通常喉部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有2種，一種是桁架，另一種是井架。桁架結(jié)構(gòu)中，用支撐及型鋼將喉部側(cè)板與凝汽器殼體中的中間管板相連，將作用在側(cè)板的大氣壓力通過連接件一層層分散，受力良好，支撐及連接件以三角形模塊樣式集中分布在喉部內(nèi)兩側(cè)，內(nèi)部空間充足，對于旁路裝置的布置十分有利，在小型機(jī)組中廣泛應(yīng)用。在一些大型機(jī)組中，由于排汽量較大，相應(yīng)喉部結(jié)構(gòu)尺寸變大，其內(nèi)部支撐件也變大，此時(shí)細(xì)長構(gòu)件容易喪失保持穩(wěn)定的能力。這時(shí)則采用另一種結(jié)構(gòu)方式，井架結(jié)構(gòu)前后左右互相連接，類似于一個(gè)“井”字。用桿件直接將喉部側(cè)板及端板相連，使喉部與內(nèi)部支撐桿件變?yōu)橐粋€(gè)整體，各個(gè)方向互相連接，平衡抵消大氣壓力。結(jié)構(gòu)簡單，剛性好。

該項(xiàng)目喉部采用井架結(jié)構(gòu)，旁路設(shè)備從井字空隙中穿過，四個(gè)方向支撐桿相互連接。由于該設(shè)備凝汽器有真空力平衡裝置，則該凝汽器喉部排汽入口處頂板未增加一定數(shù)量的支撐桿。喉部靠近殼側(cè)第一排支撐桿采用H 型鋼，一端與喉部內(nèi)各支撐桿及側(cè)板相連，增加喉部穩(wěn)定性及剛度，另一端與殼體中間管板相連，減輕由喉部自重對喉部與殼體連接處產(chǎn)生的拉力。喉部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 喉部結(jié)構(gòu)（俯視圖）

2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

在確定旁路裝置位置后，喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避開旁路裝置，并保證旁路裝置及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后。利用ANSYS軟件，對喉部結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形分析。模擬運(yùn)行實(shí)際工況，得到如圖9和圖10結(jié)論。從圖示數(shù)據(jù)分析，計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)均滿足要求。

圖9 喉部變形量

圖10 喉部應(yīng)力強(qiáng)度

3 結(jié)束語

通過對軸排凝汽器喉部受力情況分析，遵從喉部基本設(shè)計(jì)原則，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，掌握了喉部設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。最后通過建立模型，對喉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度運(yùn)用ANSYS 軟件分析，并結(jié)合GB150分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，保證了喉部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及機(jī)組的安全性。同時(shí)也對同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指引了一個(gè)方向。