凝汽器喉部開孔強度的有限元研究

黃立濤 黃子鰻

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，德陽 618000）

在我國西北部地區(qū)的火電站建設中，多使用空冷機型用于汽輪機排出的蒸汽冷凝工作。凝汽器的使用能夠提高火電機組的運轉性能，降低事故風險。技術人員對凝汽器喉部開孔強度的有限元分析，能夠確定設備運轉中是否會發(fā)生形變，為凝汽器的改進與維修提供試驗數(shù)據(jù)支持。

1 凝汽器應用與工作原理

凝汽器是將驅(qū)動火力發(fā)電的氣體重新變回凝結水的設備。該設備中，這些對汽輪機做功的蒸汽在凝結階段自身體積會急劇縮小，造成凝汽器內(nèi)部出現(xiàn)高度真空，因此對設備外殼提出了較高的要求。這些凝結水會通過循環(huán)管道再次作為熱介質(zhì)參與到汽輪機做功，從而完成整個火力發(fā)電的熱力循環(huán)工作。

火力發(fā)電中存在較多可能對凝汽器產(chǎn)生負面影響的因素。技術人員必須加強對該設備的分析，盡量減少設備腐蝕現(xiàn)象，以延長火力發(fā)電設備的使用壽命。例如：如果這些蒸汽中含有較多的氧氣，在蒸汽凝結成后，濃度較高的氧氣會對設備的外殼造成腐蝕，因此技術人員通常會在凝汽器內(nèi)部設置真空除氧器。

現(xiàn)階段，凝汽器的使用對火力發(fā)電具有重要作用，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)冷凝水的回收利用，另一方面能夠增加汽輪機的焓降，從而提高設備的熱利用率。

在凝汽器內(nèi)部構造中，一般會布置較多的銅管，使得蒸汽會隨著銅管的冷卻形成凝結水，大幅度降低了凝汽器的內(nèi)部氣體密度，出現(xiàn)較高的真空環(huán)境。

2 凝汽器喉部開孔強度測量的重要作用

凝汽器在發(fā)電機組中的運用較為普遍。凝汽器喉部是蒸汽的入口，如果該部件發(fā)生形變，將會影響整體設備的運行效率。通過對凝汽器喉部開孔強度的測量，技術人員可以對設備進行優(yōu)化，進一步提升汽輪機的熱利用效率，從而為火力發(fā)電廠設備更新?lián)Q代提供數(shù)據(jù)支持，便于后續(xù)改造工作順利進行。技術人員對凝汽器開孔強度進行測量結果分析可以發(fā)現(xiàn)設備的不足，并根據(jù)分析結果更換凝汽器的喉部開孔，以避免凝汽器內(nèi)部形成較高的真空而造成設備受到多種壓力的影響出現(xiàn)形變，從而延長設備的使用壽命，避免后續(xù)使用中出現(xiàn)安全事故而給火力發(fā)電廠帶來損失。對凝汽器的強度測量工作有助于分析該設備在大氣壓力較小的情況下自身結構能夠抵抗的外界壓力，為后續(xù)凝汽器改造方案提供數(shù)據(jù)支撐，從而提高技術人員的工作效率。

3 凝汽器喉部開孔強度有限元分析

3.1 凝汽器喉部參數(shù)

凝汽器收集汽輪機排出的氣體，通過冷凝設備將這些蒸汽重新轉化成為冷凝水，最后通過管道水泵輸送至火力發(fā)電機組的不同環(huán)節(jié)，提高火力發(fā)電站水資源利用效率。

在對該設備進行有限元計算時，技術人員需要深入學習ABAQUS軟件，結合該軟件的使用環(huán)境構建三維結構模型，并填充模型材質(zhì)。在該有限元分析工作中，技術人員將該設備的材料設置為Q235-A材料，密度為7.85g/cm3，泊松比為0.3，并施加應力113MPa。結合現(xiàn)階段火電廠的使用場景，選擇合適的排量，合理設置蒸汽的流速。通過在凝汽器喉部增加兩個小孔并外接不同設備，分析該喉部開孔的強度，并結合實際數(shù)據(jù)判斷該操作是否會對凝汽器的內(nèi)部運作產(chǎn)生較大的負面影響。

3.2 凝汽器模型的確定

在測量凝汽器時，技術人員需要重視對有限元模型的確定，分析該設備在低壓環(huán)境下自身結構剛度能否達到預期標準。在火力發(fā)電廠日常工作中，凝汽器外殼受到外界壓力后，自身受力將會發(fā)生較大改變。由于凝汽器不同組件的使用環(huán)境會隨著凝汽器的變化而改變，因此需要技術人員結合凝汽器喉管的使用場景，對外界邊界進行約束。設置6個自由度，便于ABAQUS軟件對該模型進行計算，有助于技術人員從有限元分析中獲得符合現(xiàn)階段設備需求的分析結果。

在火力發(fā)電站使用中，凝汽器的改造升級能夠提高熱力的利用效率，節(jié)約了大量水資源。技術人員對該設備進行分析時，將該模型導入有限元分析軟件中，劃分好網(wǎng)格，然后按照現(xiàn)階段火力發(fā)電廠的使用場景對該模型施加邊界條件，進而分析凝汽器的喉管受力。通過分析試驗結果，技術人員能夠?qū)Ω脑旆桨傅某尚в幸粋€直觀的認識。

在軟件分析階段，提供準確的模型對后續(xù)分析工作有著較大的促進作用。對模型的設計與現(xiàn)場應用場景的分析，能夠為該技術的使用提供便捷條件，提高有限元計算工作的準確性。

3.3 有限元數(shù)值模型計算

在對該模型進行分析計算時，技術人員需要對軟件的不同提示進行有效處理，從而獲得正確的計算結果。使用中，為了提高整體分析結果的準確性，技術人員采用實體單元作為凝汽器的外殼，按照ABAQUS軟件操作的要求，對一個標準大氣壓下的喉管受力與變形情況進行有效分析，獲得試驗數(shù)據(jù)。

結合試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用中凝汽器的上部側板在外界壓力的作用下發(fā)生了形變。但是，該試驗對于凝汽器的內(nèi)部支撐管的分析結果顯示，凝汽器并沒有在使用中發(fā)生較大的形變，且各部分的受力較為均衡，能夠完成該設備在蒸汽冷凝中的重要功能。解讀試驗數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段整體設備形變較小，自身剛度符合需求，但是外部側板發(fā)生了一定的變形。因此，技術人員在對設備的改造中應重視對外部側板的加固，避免發(fā)生形變，進而對內(nèi)部管道產(chǎn)生一定的負面影響。

ABAQUS軟件分析結果顯示，在減溫減壓區(qū)域，凝汽器設備受到了較大的應力影響，即在凝汽器上部區(qū)域存在一定的安全隱患。技術人員對于該區(qū)域受力情況進行準確計算，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域壓力達到了288.9MPa。結合凝汽器相關參數(shù)可知，它的標準值為339MPa。因此，該設計符合整體需要，喉部開孔后的強度符合凝汽器的使用場景要求。

根據(jù)有限元分析結果，為了提高凝汽器的性能，應該在喉部開孔周邊添加支撐來提高該部位的剛度，以提高整體管道的穩(wěn)定性，從而延長該設備的使用壽命。

4 結語

現(xiàn)階段技術人員對凝汽器喉部開孔的有限元分析，驗證了該設備的自身結構在較低的大氣壓環(huán)境下能夠勝任蒸汽輸入工作，避免在使用階段由于設備自身性能不足而發(fā)生屈從形變，造成進氣口孔徑變小，進而影響到火力機組的熱循環(huán)。