四大管道應力分析中運行工況選擇的研究

蘭鳳春 姚宇飛 王悅新

1.中國中煤能源集團有限公司 北京 100120 2.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司 吉林 長春 130001

引言

在Caesar II軟件中，運行工況主要計算管道在設備接口熱位移、溫度、壓力、支吊架反力的影響下的熱位移、支吊架荷載、設備接口位移等等參數，因此對運行工況進行研究在四大管道設計中具有重要意義。對于四大管道，通常僅利用設計參數進行應力分析，但實際運行過程中發現一些支吊架的實際位移偏離設計參數，管道對汽輪機推力過大導致前后軸承位移不暢的情況也時有發生。在“主蒸汽管道+再熱冷段管道+高壓旁路”管系中，由于旁路閥的運行狀態不同，管道在旁路閥開啟或關閉的情況下運行狀態雖不會超出設計參數，但實際運行參數與設計參數有較大差異。多運行工況的應力分析有利于提高四大管道設計的合理性、安全性。

1 工況擬定

說明：MS1、MS2表示過熱器出口至高壓旁路入口三通（主蒸汽管道上）之間的管道；

MS3、MS4表示高壓旁路入口三通（主蒸汽管道上）至主汽閥入口之間的管道；

MS5、MS6表示高旁閥進口管道；

CRH1、CRH2表示壓旁路出口三通（再熱冷段管道上）至鍋爐再熱器進口之間的管道。

MS3、MS4表示壓旁路出口三通（再熱冷段管道上）至汽輪機高壓缸出口之間的管道；

MS5、MS6表示高旁閥出口管道。

圖1 “主蒸汽管道+再熱冷段管道+高壓旁路”系統示意圖

針對“主蒸汽管道+再熱冷段管道+高壓旁路”，根據設計及實際運行狀態，擬采用設計參數、旁路打開和關閉參數進行計算，即設計工況、旁路打開工況、旁路關閉工況。用于計算的管道系統示意圖見圖1。

1.1 設計工況

設計工況，即采用設計參數進行應力分析，鍋爐過熱器、再熱器和汽輪機高壓缸接口計算位移為熱態位移。這種工況的分析計算是四大管道應力分析最基本的計算工況。具體計算參數見表1。

1.2 旁路打開工況

在該工況中，旁路閥打開，（多發生于跳機，甩負荷工況，冷態啟動），此時汽輪機高壓缸不進汽，MS1、MS2、MS5、MS6管道為主蒸汽參數，MS3、MS4管道中蒸汽不流通，因存在暖管蒸汽，因此考慮MS3、MS4管道溫度較主蒸汽溫度低50℃。CRH1、CRH2、CRH5、CRH6管道采用設計參數，CRH3、CRH4管道蒸汽不流通，采用再熱冷段管道設計壓力下飽和溫度計算。具體計算參數見表1。

鍋爐過熱器、再熱器集箱接口采用熱態位移，考慮到冷態啟動工況，汽輪機高壓缸接口位移均為冷態位移，即個方向位移均為0mm。

1.3 旁路關閉工況

此工況最接近于管道實際的運行狀態。該工況下旁路閥關閉，MS1、MS2、MS3、MS4采用主蒸汽參數計算，高旁閥入口管道蒸汽不流通，但由于暖管蒸汽的存在，MS5、MS6管道溫度較主蒸汽管道低50℃。CRH1、CRH2、CRH3、CRH4管道按再熱冷段參數計算，CRH5、CRH6管道中蒸汽不流通，采用再熱冷段設計壓力下飽和水溫度進行計算。具體計算參數見表1所示。

鍋爐過熱器、再熱器集箱接口以及汽輪機高壓缸接口均采用熱態位移進行計算。

表1 計算參數匯總表

2 計算結果分析

應力分析的目的是保證管道實際應力不超過許用應力，以保證管道本身運行的安全性；同時也需要通過優化布置及支吊架形式等手段，保證鍋爐及汽輪機接口推力不超出許用范圍，最終根據應力計算結果進行支吊架設計。

根據前文所述，建立管道應力計算模型，見圖2所示。

2.1 不同工況設備接口推力計算結果

根據應力分析結果提取出主蒸汽管道對高壓缸進汽口（計算節點號10）實際推力，結果見表2。

表2 高壓缸進汽口推力結果

由上表可看出，高壓缸進汽口的X方向力（Fx）及Z方向力矩（Mz）的最大值發生在旁路打開工況，而Z方向力（Fz）的最大值發生在旁路關閉工況。因此從設備接口反力角度，設計工況的各個方向力和力矩并不都是最大的，換言之，設計工況并不是最保守工況。驗證設備接口反力的時候，需要同時計算表中所述三種工況，才能保證汽輪機運行的安全性。汽輪機高壓缸其他接口也存在相似規律，此處不再一一列舉；由于鍋爐側計算參數變化不大，高壓旁路距離鍋爐接口距離較大，三種運行工況下鍋爐側接口。

2.2 不同工況二次應力計算結果

表3 二次應力計算結果

通過考對比二次應力比可知，通過設計工況計算出的二次應力比最大。旁路開或旁路關閉工況下所有管道計算溫度均不超出設計參數，因此在所有支吊情況均一致的情況下，管道熱位移均小于設計工況，因而二次應力（熱脹應力）比均不超過設計工況的數值。

故驗證二次應力時，僅考慮設計工況的二次應力即可。

2.3 不同工況二次應力計算結果

高旁閥的開啟及關閉是導致管道運行參數不同的原因，因此從應力分析結果中提取出距離高壓旁路較近的幾種典型的支吊架荷載進行對比分析，計算結果見表3所示。

表2 .3 部分支吊架荷載計算結果

從上表中可以看出，由于實際計算中進行了多運行工況選擇彈簧的設置，故對于恒力吊架（計算節點號130），其荷載不受計算工況不同的影響，對于變力彈簧吊架（計算節點號200）的受力幾乎未受計算工況不同的影響，其彈簧號未發生變化。Y向限位支架（計算節點150），最大荷載出現在設計工況，但對于剛性吊架（計算節點號230），其最大荷載出現在旁路關閉工況。因此從安全性角度來看，支吊架應綜合不同運行工況的計算結果進行設計。

3 結論

1、從設備接口推力和支吊架設計角度，四大管道應力分析中應該基于旁路打開或關閉的條件進行多工況分析，以保證設計的設計及運行的安全性；

2、無需根據旁路開啟或關閉工況的驗證二次應力，僅驗證設計工況計算出的二次應力即可。