直接空冷系統排汽管道整體結構

李艷艷，黃志國，張靜謐，于建國，劉艷軍

(承德石油高等?？茖W校 a.機械工程系;b.工業技術中心，河北 承德 067000)

1 直接空冷系統

直接空冷是指火電廠直接采用環境空氣來冷凝汽輪機排汽的冷卻系統，采用直接空冷的機組稱為直接空冷機組[1]。汽輪機排汽通過排汽管道送到室外的空冷凝汽器內，軸流冷卻風機使空氣流過散熱器外表面，將蒸汽冷凝成水，凝結水再經凝結水管道送回汽輪機的回熱系統。

2 排汽管道結構

如圖1所示為某電廠空冷系統排汽管道結構，該裝置的主要構件有：焊接鋼管、異徑三通、帶導流板彎頭、鋼制異徑管以及膨脹節和支座。整個裝置高約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，型號為Q235。

表1 Q235材料特性

該項目中汽輪機入口選用了特殊形式的膨脹節，故而在連接處涉及到方變圓的情況，詳細結構如圖2 所示。

3 有限元分析

使用有限元分析軟件ANSYS進行建立模型、劃分網格、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體單元更適合建立該有限元模型。為了計算的精確，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域采用三角形單元過渡，從而保證整個模型的網格質量。排汽管道有限元模型如圖3所示：

3.2 膨脹節模擬

在排汽管道中多處設置了膨脹節，膨脹節主要起到吸收變形能、降低熱膨脹對結構帶來不利影響的作用。由于膨脹節本身的結構形式比較復雜，作者在計算過程中對其進行了簡化，使用多節點約束單元和彈簧單元組合在一起模擬出膨脹節的受力狀態，多節點約束用于模擬端口處的連接，通過賦予彈簧單元相應的剛度和質量點單元的質量可正確反映膨脹節的力學特性，如圖4所示。

3.3 定義邊界條件

周邊設施包括汽機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約束方法來進行約束，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。分別根據設計要求對其進行了自由度約束，在施加約束的時候同樣應用了多節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。

2)溫度載荷，通常情況下蒸汽溫度最高能達到120 ℃，和周圍環境溫度有溫差。高溫載荷必然產生熱膨脹，造成熱變形和熱應力。本文設定最高溫度Tmax=120 ℃，參考溫度20 ℃。

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

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

5)地震荷載，考慮4個不同方向準靜態水平加速度[3]。

除此之外，計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《ASEM Boiler and Pressure Vessel Code》規范建議風載荷和地震載荷(包括基礎沉降)不同時計算，本文組合了17種工況。通過對各個載荷計算結果進行比較可以得到，自重、壓力和溫度是主要的工作載荷，除此之外，地震載荷要比風載危險，而+Z向地震又比其他向地震危險，由此可得到兩種危險工況組合：

組合一：自重G+內壓+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危險工況分析

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

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

4 結論

通過對排汽管道各個載荷的相關結果進行對比分析，得出以下結論：

1)通過分析判斷，可以認為整體結構不超出《ASEM Boiler and Pressure Vessel Code》中有關材料的屈服極限值和許用變形要求，即強度滿足設計要求[4]；

2)由于整體結構的并不對稱，因此存在應力集中和變形不對稱的情況；

3)整體結構的應力較高部位主要集中在端口導流片、支座以及管道三者連接的位置。建議在設計過程中，進行局部補強。