軸排凝汽器喉部設(shè)計

劉智慧，黃彥博

（德陽東汽電站機械制造有限公司，四川德陽 618000）

1 概述

凝汽器是凝汽式汽輪機裝置中不可或缺的一部分，整個裝置的熱經(jīng)濟性和運行可靠性與其工作性能直接相關(guān)。常規(guī)凝汽器與汽輪機排缸是上下豎直布置，導(dǎo)致整個電站設(shè)備很高，修建成本相對較高。汽輪機排汽與凝汽器進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，降低整個項目廠房等的工程造價。

凝汽器的喉部是連接汽輪機排汽與凝汽器殼體的橋梁，也可稱其為上部殼體或接頸。其作為整個電站循環(huán)系統(tǒng)中的一個重要連接通道，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；④強度分析。

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)計的重點之一。跟汽輪機下排汽布置式凝汽器一樣，軸向排汽機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，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，此時汽輪機低壓缸要用浮動形式來解決收縮差問題；一般彈性連接時，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連接處，在凝汽器的后部各設(shè)置一個脹差補償器，通過前后兩個補償器來共同吸收軸向（水平方向）蒸汽帶來的脹差位移，通常將前后補償器通過剛性連接組成真空力平衡裝置。該項目凝汽器整體布置采用彈性連接，則該凝汽器喉部進汽側(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。

機組運行時，汽輪機排汽進入凝汽器的軸線與汽輪機在同一軸線，汽輪機死點在汽輪機排汽口缸上。凝汽器進汽過渡段（喉部）與汽輪機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)電站需要汽輪機具備快速啟動和調(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，還有一個重要的作用是對進入凝汽器汽流進行擴壓。實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，那么進入凝汽器殼體的熱負荷就會分配不均，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個減溫減壓器，在喉部排汽進口處設(shè)有一水幕保護裝置，防止蒸汽倒灌，影響汽輪機性能。由于水幕保護裝置管徑較小，對流場影響不是很大。簡化模型，僅研究2個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)在第一個減溫減壓器側(cè)。在減溫減壓器上大下小排列時，在第一個減溫減壓器與第二個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

由2.1可知，該項目喉部進汽側(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，汽輪機與凝汽器之間的真空力通過真空力平衡裝置所吸收。此時凝汽器喉部（即排汽過渡段）整體外部僅受大氣壓力及自身的重力。因此在喉部機構(gòu)設(shè)計時，著重考慮喉部四周側(cè)板對大氣壓力的承受及自身強度的保證。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，在小型機組中廣泛應(yīng)用。在一些大型機組中，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，此時細長構(gòu)件容易喪失保持穩(wěn)定的能力。這時則采用另一種結(jié)構(gòu)方式，井架結(jié)構(gòu)前后左右互相連接，類似于一個“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€整體，各個方向互相連接，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)強度

在確定旁路裝置位置后，喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計避開旁路裝置，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)進行變形分析。模擬運行實際工況，得到如圖9和圖10結(jié)論。從圖示數(shù)據(jù)分析，計算應(yīng)力強度、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)計原則，結(jié)合項目實際情況，掌握了喉部設(shè)計要點及關(guān)鍵技術(shù)。最后通過建立模型，對喉部結(jié)構(gòu)強度運用ANSYS 軟件分析，并結(jié)合GB150分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行驗證，保證了喉部結(jié)構(gòu)強度及機組的安全性。同時也對同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計指引了一個方向。