1000MW直接空冷机组排汽管道结构强度分析.

中国电机工程学会火电分会空冷专委会第五届学术年会论文集１０００ＭＷ直接空冷机组排汽管道结构强度分析雷平和１钟文荚１姜秀娟２张乃强２徐鸿２（１．北京国电华北电力工程有限公司；２．华北电力大学能源与动力工程学院）摘要：本文应用大型通用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，建立了１０００ＭＷ机组直接空冷排气管道的有限元模型，对正常运行工况以及各种不同载荷作用下的管道系统（包括排气装置和空冷岛连接部分在内）进行了结构强度分析，即校核其最大应力是否满足强度要求。

所完成的计算包括由重力，内压，沉降，风载和地震等不同载荷组合共２２种工况。

不但得到了所关注点的位移，应力，支反力以及弯矩的变化情况，还根据应力评价标准对各种工况所得到最大应力值进行了校核，得到了最危险的位置。

最后对整体结构进行了模态分析，得到了该结构的最大频率值，为设计提供了参考。

关键词：空冷岛有限元强度０引言直接空冷技术最早于１９３９年应用于欧洲【ｌ】，其主要原理是取代冷却塔，将汽轮机排汽管引至室外布置的有一定高度的空冷平台，进入带翅片的空冷凝汽器管束内，利用空冷风机向上的鼓风将蒸汽直接凝结成水，冷凝水从管束流至收集系统至冷凝水箱，通过凝结水泵将水送入热力系统循环使用。

利用空气将汽轮机排汽冷凝成水使原来的循环冷却水蒸发和排污损失为零，大大节省了用水量，该项技术尤其适合于我国富煤缺水的“三北”地区。

图１所示为其工作流程图。

图ｌ直接空冷系统工作流程图永系筑１研究现状近几年直接空冷发电技术在国内发展十分迅速。

２００３年，山西大唐国际云冈热电有限责任公司２ｘ２００ＭＷ直接空冷机组投运１２Ｊ。

２００４年秋，山西漳山发电有限责任公司２台３００ＭＷ直接空冷机组投运。

２００５年，大同二电厂２台６００ＭＷ直接空冷机组投运ｐ＇４Ｊ。

２００６年，山西武乡、内蒙古上都、陕西锦界３家空冷电厂均投运了２ｘ６００ＭＷ亚临界直接空冷机组ｐ＇６Ｊ，２００７年６月宁夏灵武电厂投运了１台６００ＭＷ亚临界ＡＣＣ机组１５Ｊ。

至此，我国火电６００ＭＷ亚临界直接空冷机组得到广泛应用。

截至到２００７年３月份，已投产和正在建设的空冷机组项目有１１０个，涉及９５个电厂，装机总容量达５９０００ＭＷ（其中包括间接空冷部分）１２】。

而日前国外投运机组容量最大的电厂有南非马廷巴电厂（６６５ＭＷ机组，采用机械通风型直接空冷系统）和南非肯达尔电厂（６８６ＭＷ机组，采用表面式凝汽器的自然通风空冷塔间接空冷系统）ｐ‟７‟引。

十目电机工程￥盒＾电分去空持专委击第五届学术年会蛇文集焦Ⅱ伟…‟研究了冷凝器刚度和质量等参数的变化对空冷支架结构抗震性能的影响，说明了冷凝器的特性变化对整体结构的影响很大。

周捷Ｉｌ０１应用Ｆｌｕｅｎｔ湍流模型针对当地的气象条件研究了宁夏旯武２ｘ６００ＭＷ直接空玲自然风对冷凝器的影响，并提儿ｊ了在当地的气象条件下换热效率最高的方案。

刘林…】、朱丽华㈣分剐对空气挣凝器支架空冷结构体系的抗震性能进行了系统的研究，刘林还对恒载、活载、风载、雪载作用下的空玲凝汽器支架结构内力和变形计算。

刘学和李国栋”“．王吉特”“．刘洪权”１等人分别对２ｘ１３５ＭＷ，３００ＭＷ，６００ＭＷ的空冷管件系统建立了有限元模型．并在各种载荷下进行了力学分析。

刘学和李国栋［１５，１６Ｉ，石磊ｔ”］，王松岭””等，利用ＣＦＤ软件分别对】３５ＭＷ。

２００ＭＷ，６６０ＭＷ的直接空冷机组排汽管道内的水蒸汽流场进行了三维数值模拟。

以上研究都基于机组容量６６０ＭＷ及以下的机组，但对１０００ＭＷ的机组直接空玲排汽管道设计尚未见报道。

本课题对１０００ＭＷ机组排汽管道的设计是个有益的尝试，相对于６００ＭＷ机组，其结构尺寸更加庞大，结构受力和支撑要求更加复杂．对这种新型管件系统进行有限元计算分析，首先对其强度进行校核，研究其最危险应力值是否满足设计要求，通过对各种载荷工况条件下的结果分析，确定了管道系统的危险部位和接口处的反力值变化规律，应用模态分析得到了结构的固有频率．掌握该结构的受力特点和结构特性，为工程设计人员提供设计参考和依据。

２有限元模型及边界条件空斗岛排汽管道系统是大直径薄壁负压管道系统．管道的最大苴径达ＤＮ７６００，管道结构复杂。

除管道外，还有导流板、补偿器、支吊架等局部复杂结构。

其承受的载荷也很复杂，受自重、管内负压、温度、沉降差、蒸汽流动动反力、风载和地麓等多种载荷共同作用。

这些载荷复杂并且交互耦合作用．难咀用实验方法或者解析方法对其结构强度进行分析。

因此，应用有限元法来分析管道系统应力场分布，确定管件系统的危险部位，对其强度进行校核是最有效、最可行的。

２ｌ有限元模型曩一ｒ口３＊『壹由童盘盘盘盘盛ｌＩＩＩｌＩＩ＿ＩＩ膏●埋莲｛图２实件梗型ｔ＊图图３实件模型左视图中国电机工程学会火电分会空冷专委会第五届学术年会论文集根据管道系统原始图纸，全尺寸建立模型，如图２、图３所示。

直接空冷排汽管道是大直径薄壁管道，选用ｓｈｅｌｌ６３单元划分管道。

使用ｃｏｍｂｉｎｅｌ４，ｂｅａｍ４和ｍａｓｓ２１单元共同作用模拟膨胀节【２０１。

在验证ｓｈｅｌｌ单元的合理性时，应用ＡＮＳＹＳ的子模型技术…１９１（即用ｓｏｌｉｄ单元代替ｓｈｅｌｌ单元进行局部建模）对模型的管道三通处进行建模得到的结果说明，二者结果相近。

有限元模型单元３０６４９９个。

节点数２３６２９８个。

２．２边界条件（１）约束及弹簧支吊力本管道系统采用水平管固定，底座恒力支撑的支吊方式。

在支吊架上设置有限位销。

根据实际约束条件施加管道约束。

采用冷态吊零的方式，在有限元中得到恒力支撑力和弹簧位置的支吊力，设置弹簧单元的初始安装位移。

（２）内压空冷排汽管道中汽轮机排汽，处于真空状态，考察极端负压施加．０．１ＭＰａ内压力。

（３）温度按正常运行工况５０℃，最高温度１２０℃，最低温度．４０℃，设置管道系统的壁温。

由于温度变化，与管道系统相连接的汽轮机排汽装置和空冷平台也会发生热位移，因此在管道接口处施加相应热位移。

（４）蒸汽流动动反力蒸汽在管道中随着管道的走向流动，会发生动量变化，施加给管道动反力。

为了减小蒸汽扰动，在管道弯头处设置导流板，动反力施加在导流板上。

（５）沉降差【２２ｌ空冷平台与汽轮机位于两个基础结构上，因此可能产生沉降差。

沉降差在工程中需根据实际的地基土物理特性、地基处理方式与土建专业协商确定。

排汽装置接口和空冷岛之间沉降差分别取正负号，与正常运行工况叠加。

（６）风载按照《建筑结构荷载规范ＧＢ５０００９．２００１》【２３１，同时参考ＡＳＣＥ７－２００５规范，垂直于露天管道表面的风荷载标准值按下述公式计算：阿乞＝ＡＸＰｚ×∥ｓ×／２ｚ×Ｗｏ式中：矾一风荷载标准值，ｋＮ／ｍ２职—基本风压按５０年一遇１０米高１０分钟平均最大风速所相应的风压彳一安全系数Ｐ．＿吃高度处的风振系数／２。

一风荷载体型系数／２，一高度系数根据地面粗糙度等级和高度系数，可以应用公式（１）得出不同高度的风压与高度的关系如图４。

风荷载水平Ｘ，水平ｙ方向及ｘ和Ｙ同时作用，各取正负值工况分别与运行工况叠加。

・１３・中国电机工程学会火电分会空冷专委会第五届学术年会论文集ｎ¨¨∞¨『，鼙ｖ＂¨＂０１０２０３０４０５０８０７０ＳＯ∞高度（ｍ）图４高度与风压的关系（７）地震地震是通过施加不同方向的加速度来实现的，其方向地震方向：水平方向Ｘ，水平方向Ｙ，水平Ｘ和ｙ同时作用，分别取正负值工况分别与运行工况叠加。

此外，还需要考虑由于地震或者风载而导致的水平结构位移。

３强度校核结果与分析３．１应力评判标准根据钢制压力容器．分析设计标准ＪＢ４７３２－９５（中华人民共和国行业标准）【２４１，可得到表２的基于弹性计算评判标准的应力极限。

表２温度应力种类一次应力常温Ｓｍ＝ｌ２４ＭＰａ１．５ＫＳｍ１８６ＪＢ４７３２．９５标准应力极限评判标准（Ｋ＝１．０）自重、内压等风载或地震（Ｋ＝Ｉ．２）２２３ＭＰａＭＰａＰＬ＋Ｐｂ（一次＋二次）应力３ＫＳ。

３７２ＭＰａ４４６ＭＰａＰＬ＋Ｐｂ＋Ｑ一次应力１．５ＫＳ。

１７９ＭＰａ２１４ＭＰａ１２０℃Ｓｍ－１ＰＬ＋Ｐｂ１９ＭＰａ（一次＋二次）应力３ＫＳ。

３５７ＭＰａ４２６ＭＰａＰＬ＋Ｐｂ＋Ｑ其中Ｋ为载荷组合系数，Ｓ。

为材料的许用应力，在２０＂Ｃ时，Ｑ２３５一Ｂ的许用应力Ｓ。

是１２４ＭＰａ。

３．２工况计算结果根据３．２中所表述的各种载荷条件，进行不同方式的组合（分为Ｘ、Ｙ的正负方向），共得到２２个典型工况简要说明如表３所示。

・１４・巾雷电枧工程学会灾电分会空冷专委会第五届学术年会论文集表３其有代表性王况基本载荷工况温度、沉降载荷风载荷工况地震工况（在工况４基础上）（在工况７基础上）（在ｍ况７蒸础上）ｌ、重力５、５０℃＋芷沉酶ＩＩ、譬囱风１７、夥向地震２、内压６、５０１２＋负沉降１２、Ｙ斗向风３、温度７、１２０１２＋正沉降１３、Ｘ＋＋ｒ向风１９、，蝌向地震１８、ｒ向地震４、重力＋内压８、１２０℃＋负沉降１４、）■呵。

向风２０、）＾Ｙ．向地震９、－４０＂（２＋正沉降１５、Ｘ－＋Ｙ＋向风２ｌ、Ｘ．＋矿向地震ｌＯ、－４０℃＋负沉降１６、Ｘ．＋Ｙ。

向风２２、Ｘ。

＋ｒ向地震考虑到只要整体结构的最大应力小于应力极限就可以满足使整体结构满足强度要求，故只提取了各工况出现的最大应力值。

其结果图５所示。

髀∞瓣辩髀嚣ｄ鼢船鞴ｅ图５工况应力对比图５中，应力极限Ｉ表示一次应力的应力极限，应力极限Ｈ为一次十二次应力的应力极限。

该图可以看出：（１）各工况一次应力，（一次＋二次）应力均在许用应力极限值之下，即均满足要求。

（２）当沉降与风载或者沉酶与地震结合后，应力水平并没有明显的增大。

这说明，正负极端温度下由沉降引起的最大应力是非常大的，经分析得知，其原因是在高温时，管道向上膨胀，当与正沉降结台对，必然导致最大应力增大；反之，即低温负沉降时情况恰恰橱反－（３）工况１０中的一次薄膜最大应力为１８３ＭＰａ，已经很接近其应力极限１８６ＭＰａ，且发生在平衡管和主管道接１３位置，经过分析得知，可能是由于该处平衡管与主管道的直径相差很大，导致在温度变化时，互相之间的膨胀量差异很大，产生应力集中。

（４）通过对各个工况最大应力点出现的位置进行分析还发现，各个工况的最大应力点基本都发生在平衡管和主管道的接Ｅｌ处，可以通过改变平衡管和主管道接１：３的连接方式降低应力集中。

４模态及地震响应谱分析４．１模态分析模态分析用于确定结构的固有频率，在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。

・１５・中国电机工程学会火电分会空冷专委会第五届学术年会论文集故所施加的均是零位移约束。

经过计算得到如下数据：表４频率值阶数频率阶数频率ｌ４．８８６６．３６９２５．０６５７６．５１ｌ３５．７４９８６．６３８４５．７５２９６．６７９５５．９０１ｌＯ６．７４６根据上述结果得到：（１）它们的主要变形区分别发生在左侧竖管上侧的补偿器处、与支管上侧补偿器相连接的管道处以及平衡管处。