空冷排氣管道主要技術問題分析

全 俊

（上海電氣斯必克工程技術有限公司，上海 200090）

1 概 述

近幾年，隨著我國電力工業的快速發展，高效、低耗和環保已成為設計和建造現代化發電廠優先考慮的因素。空冷系統因其無需依賴水源的特點，在干旱、缺水地區的新建火電機組中得到了廣泛應用，其潛在而巨大的經濟優勢和環保效益正獲得越來越顯著的體現，未來發展前景十分廣闊。在空冷機組中，直接空冷系統憑借其調峰的靈活性和基建投資相對較低等優勢，在新建火電機組中得到了較為普遍的運用。

圖1 直接空冷機組汽水系統

直接空冷系統的原理圖，見圖1所示。汽輪機的乏汽從低壓排汽缸引出后，經大直徑的排汽管道送至廠房外的空冷島內，直接被空氣冷凝。空氣與蒸汽之間進行熱交換所需的冷卻空氣由機械式風機提供，通過對風機轉速的調節或投入切風機，可靈活調節冷卻風量。

空冷島內的流場系統，見圖2所示。空冷島中除散熱器外，排汽管道系統也是十分重要的部分。排汽管道是指從低壓缸排汽裝置出口到空冷凝汽器蒸汽分配聯箱入口之間的管道，其作用是在各種工況下，將汽輪機排汽依次經排汽裝置和排氣管道排入空冷凝汽器內。管道流場設計方案的優劣，管道結構強度和整體應力的計算，管道布置等技術問題直接關系著機組的安全可靠運行，同時也影響投資額及占地面積的大小。

圖2 直接空冷空冷島流場系統

2 管道流場的優化設計

直接空冷系統中排汽管道設計方案的優劣，關系到空冷凝汽器的冷卻效果和空冷系統的安全及經濟運行。優化空冷排汽管道設計的關鍵，是在排汽管道的某些特殊部位平衡各蒸汽分配管的流量與壓降，均勻分配系統中水與蒸汽的流量，減少蒸汽的壓損，從而提高換熱效率。

工程中常利用流體動力學軟件Fluent對不同汽輪機工況下的排汽管道結構進行模擬計算，實現直接空冷排汽管道系統的優化設計。模擬計算前，需對模型進行分析和計算網格的優化。從幾何形狀上看，排汽管道系統為軸對稱布置，但流體并不完全沿對稱軸進行對稱流動，因此，采用四邊形結構對排汽管道系統的網格進行區域離散。選用不同的網格數進行模擬計算，使計算結果不受網格質量和疏密程度的影響，并檢驗計算結果與網格數的關聯性。通常情況下，采用有限容積法控制微分方程的離散化，同時采用K－ε雙方程式建立湍流模型，并對方程采用二階迎風格式進行離散，再利用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合。在排汽管道入口處，采用質量與流量的入口條件，選取各分配管的出口壓力，作為該處的壓力出口邊界條件，忽略蒸汽的壓縮性及其通過管道壁面的傳熱，以此簡化計算模型，使得排汽管道內流動的飽和蒸汽滿足下列控制方程：

（1）連續性方程

（2）動量守恒方程

基于以上模型，利用Fluent軟件進行計算，對空冷排汽管道內的流場進行數值模擬，采用試誤法對各種工況進行了模擬。對比計算結果，可確定管道導流葉片的結構及數量，并可計算流經各管段的流量與壓降。在數值模擬過程中，通常將大排汽管道系統中的三通連接管作為分析的重點部位。

模擬結果表明：在直接空冷大直徑排汽管道的彎頭和三通等處，應當安裝導流葉，不僅可以減小工質在管道內的流動阻力，使管道內的工質分布均勻，還有利于提高直接空冷系統的整體熱效率，從而優化了直接空冷排汽管道的設計。

3 管道強度校核與應力分析

直接空冷機組排汽管道采用大直徑的薄壁管，在負壓的工況下工作，其載荷條件和支吊架的型式較復雜，因此，需對其進行強度校核和應力分析。

排汽管道常處于多向應力的作用下，故以彈性應力分析和塑性失效準則為基礎，采用不同性質的應力分析法，分別以不同限定值的方法進行強度校核。管道應力一般可分為一次、二次和峰值這三類應力。由內壓和外載荷所產生的應力，屬于一次應力，對其采用極限分析法進行校核；因熱脹冷縮引發變形，使管道承受約束力而產生的應力，屬于二次應力，對其采用許用應力驗算和控制交變應力的循環次數進行限定。峰值應力是指管系結構在不連續處由于局部應力集中而產生的一次應力、二次應力的增量，須對其進行疲勞分析。根據ASME標準的相關要求，對管系的整體應力及結構穩定性進行分析，以確保排汽管道在各種荷載作用下安全可靠，并計算其對汽輪機低壓缸產生的推力，將力矩值控制在安全范圍之內，以滿足設備運行的要求。有關大排汽負壓管道的強度計算，用有限元軟件ANSYS對排汽管道系統進行建模，進而對其做應力分析：（1）根據重力、溫度、沉降差、風載、地震等載荷情況，分為多個典型工況進行分析計算，并根據標準要求進行強度校核；（2）對排汽管道系統進行模態分析和地震響應譜分析，計算地震對排汽管道的動載荷；（3）選取特征值分析排汽管道的屈曲臨界壓力；（4）根據計算分析結果，對排汽管道系統的結構進行優化設計，并按ASME VIII標準的有關規定，對管道強度進行校核，使其滿足極限設計條件。相關實驗數據證明：

采用ANSYS有限元分析排汽管道時，可以通過施加重力、內壓、沉降差、附件位移、風載、地震等載荷條件和提取位移、支反力、彎矩、應力、膨脹節角度和軸力等計算結果，準確反映出排汽管道系統的形態和受力。

在排汽管道系統的設計和運行維護中，應考慮以下兩個潛在因素的影響：在不同工況下，排汽管道系統支吊架的支吊力在一定范圍內變化，可能會引起支吊架的裂紋擴展和疲勞失效；由于排汽管道系統的固有頻率低，空冷系統內風機的低頻振動可能造成管道系統的激勵而形成共振，對管道造成破壞。

排汽管道的應力變化具有其特殊性，因而，在建立管道模型之前，需進行補償器的選擇計算，并考慮設備基礎的差異沉降位移、風荷載、地震荷載、支架摩擦力等的影響。采用CAESAR II管道應力分析程序對排汽管道的內壓及外部荷載（真空推力、摩擦力、風荷載、地震荷載、差異沉降等）進行分析及組合計算，以此來解析波紋補償器與減震器的受力狀況。通過計算各設備接口處的推力和力矩，以控制支吊架（包括非線性約束）的荷載和位移。這些計算結果可用于排汽管道的局部荷載計算及整體應力分析，為設備和材料的訂制提供依據。

4 管道排布

目前，空冷系統中的管道布置方式，有落地式、懸吊式和V形布置（也稱Y形布置）等三類形式。管道的布置方式會對機組的運行產生直接的影響，設計時應結合現場條件綜合考慮。

落地式管道布置是從排汽裝置接口引出管道，經地面延伸至汽輪機房A列外，然后在平行于A列的直管段上，按機組中空冷散熱器的列數進行分支，分出的支管豎直向上延伸至空冷平臺后，再與蒸汽分配管相接。該布置方式節省了固定在鋼桁架上的大管道吊架和大直徑的膨脹節，但由于其管道長度增加，導致管材用量增多。

懸吊式管道布置是將排汽總管水平引至汽機房A列外，讓總管彎曲90°再豎直向上，達到某高度后，按列數分出支管，然后用連接彎頭與蒸汽分配管相連。與落地式布置相比，懸吊式管道布置因采用懸空吊架與外伸的鋼桁架代替地面上的防扭滑動支座，節省了支座數量，使得基礎用量和加工量大為減少；此外，該布置方式還有利于電氣母線與地面小管道的布置，且便于將管道引入汽輪機房內。

“V”型布置方式是從排汽裝置水平引出管道至汽輪機房A列外，然后在垂直于地面的平面內傾斜上升，在上升過程中豎直展開分支并通過90°彎頭與蒸汽分配管相連接。該種布置型式不僅使管道耗鋼量和支座數量明顯減少，也減少了從排氣裝置出口到蒸汽分配管的90°彎頭數，管道沿程阻力及管道壓降隨之減少。此外，“V”形布置有利于電氣母線出線和A列外管溝布置，便于小管道垂直A列進入汽輪機房。

根據現場施工條件，應當優先選擇懸吊式管道的布置方案，且盡量將管道布置成對稱結構。這不僅能夠使蒸汽均勻分配至每個支管，也簡化了管道支吊點的設置和整個管系的計算。選擇管系的布置形式前，應與排汽裝置的生產廠家進行協商解決接口處的受力問題。在確定了支管（列數）數量后，應結合A列柱布置條件（涉及到管系能否對稱布置）、土建支柱、平臺布置（在靠近A列處是否懸挑）、電氣母線出線等因素進行綜合分析，從而選擇合適的管道布置方式。

5 管道施工

合理、高效的管道施工管理，對節約投資費用、確保工程進度有重要影響。

熱沖洗前需對管道進行“噴砂”處理，徹底清理管道內部。采用分段焊接方式，使排汽管與汽缸連接，同時需密切監測汽缸連接處負荷的變化，避免應力產生。排汽管的安裝，依照先低后高的順序進行。充分利用土建施工的空冷平臺作為支撐，先安裝好支吊架，再吊裝管道，以減少臨時支 吊架的施工量。管道安裝前，應將減振器布置在地面（零米標高）以下，通過控制減振器與排汽管道的距離來保證管道的標高尺寸和管道在各個方向的熱膨脹，為下一步的管道安裝提供便利。

整個管道系統施工完畢后，采用人工打磨和氣流吹掃等方法，再次清理管道并進行密封性試驗，以檢驗管道及散熱管束的密封性。試驗前，利用干凈的壓縮空氣作為介質，對臨時接入的管道進行吹掃。該過程中，臨時管道的接入路線應便捷，以減少施工量和吹掃次數。密封性試驗后，可對管道系統的支吊架彈簧進行調整。機組投運前，對整套系統的空冷管道進行熱態沖洗，以保證凝結水和疏水的水質達到運行要求。

6 結 語

目前，國內的水資源日益緊缺，所以，開發空冷機組技術具有重要的意義。按照《電力工業“十一五”規劃》、《國家重大技術裝備研制和重大產業技術開發專項規劃》和《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》的要求，加強大型空冷機組成套設備的研究開發能力，逐步掌握空冷島系統設計的各項關鍵技術，提升核心設備及配套設備的設計能力，才能加快推進直接空冷系統的自主化設計進程。

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