凝汽器水室平衡循环水管道盲板力的研究分析

周 绮，陈俊斌，严强华

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090）

1 概 述

某核电机组凝汽器与汽轮机低压缸采用刚性连接，凝汽器喉部与汽轮机低压外缸直接焊接，凝汽器与基础通过弹簧支座弹性连接。当凝汽器运行时，凝汽器受热向下膨胀，通过底部弹簧支座吸收热位移。

该核电站每台机组有2个凝汽器，每个凝汽器有4个水室。单个凝汽器净重约为900t（含内置低压加热器），单个汽轮机低压缸重量约为570t。凝汽器在正常水位运行时的重量约为1 460t，在最低水位运行时的重量约为1 360t。凝汽器底部弹簧支座预压力约1 060t，凝汽器剩余重量作用于汽轮机低压缸，汽轮机低压缸座落在汽机基础上。

该核电站在循环水管道竖直方向设置了1个膨胀节，以吸收管道的推力。循环水管道的水平段埋设于基础内，循环水管道在水平方向上未设置膨胀节。核电机组的循环水管道布置示意图，如图1所示。

2 问题分析

图1 某核电机组循环水管道布置示意图

当凝汽器运行时，循环水管道内部产生内压，管侧设计压力为0.4MPa。循环水管道内部压力作用于各个方向，水平方向是封闭结构，内压可相互抵消；向上的内压作用到水室接管上，向下的内压作用到膨胀节下部的循环水管道上，由于循环水管道竖直方向设置了膨胀节，而膨胀节不传递上下接管受力，使水室内部向上的内压无法抵消，从而在水室内部形成向上盲板力。盲板力传递至凝汽器，由于凝汽器与汽轮机低压缸刚性连接，使盲板力直接影响了汽轮机的受力。盲板力分析图，如图2所示。

图2 盲板力分析图

根据该核电站旁海水潮位及循环水泵状况等实际情况，在2台循环水泵同时启动瞬态工况下，每个凝汽器水室接口受的盲板力约为154t，当循环水泵发生故障后重新启动的瞬态工况下，每个凝汽器水室接口承受的盲板力约为197t。

在2台循环水泵同时发生故障后重新启动的极端情况下，凝汽器水室每个接口都受到约197t的盲板力，每个凝汽器有4个水室接口，此时作用到凝汽器的向上推力达到788t。

现将凝汽器与汽轮机低压缸作为整体进行考虑，此时该整体受到向下自身重力G凝和G汽、凝汽器底部向上弹簧反力F反弹、向上水室接口盲板力F盲板以及汽机基础受力F基础。当凝汽器运行时，凝汽器受热向下膨胀，则此时弹簧进一步受压，反弹力增大。凝汽器与汽轮机低压缸受力分析，如图3所示。

图3 凝汽器与汽轮机低压缸受力分析图

凝汽器净重G凝1＝900t；

凝汽器正常水位运行重量G凝2＝1 460t；

凝汽器最低水位运行重量G凝3＝1 360t；

汽轮机低压缸重量G汽＝570t。

凝汽器底部弹簧反力为F反弹＝1 060t＋180t＝1 240t（弹簧预压力1 060t，最大热膨胀产生的反弹力180t）。

水室接口盲板力F盲板＝788t（考虑最危险工况）。

汽机基础受力F基础＝G凝＋G汽－F反弹－F盲板（由于其他外部推力等作用力相对较小，暂忽略不计。）

当F基础≥0时，则凝汽器和汽轮机低压缸整体处于稳定状态。

当F基础＜0时，则凝汽器和汽轮机低压缸整体被顶起，汽轮机处于危险状态。

为了机组的安全运行，则汽机基础受力必须大于等于零。即：

F基础＝G凝＋G汽－F反弹－F盲板≥0

G凝≥F反弹＋F盲板－G汽＝1 240＋788－570＝1 458t

当凝汽器运行重量小于1 458t时，汽轮机被顶起，由此说明循环水管道盲板力影响到汽轮机的安全运行。汽轮机是电厂非常重要的设备，为保证机组安全运行，必须解决循环水管道盲板力的问题。

此外，由于该凝汽器底部采用弹簧支座，当凝汽器运行时，凝汽器水室接管会随着凝汽器热膨胀向下移动，由此增加了解决盲板力问题的难度。

3 解决方法

现通过改变水室接管自身结构解决循环水管道盲板力问题。在凝汽器水室接管上设置盲板力平衡装置，消除盲板力对汽轮机的影响。盲板力平衡装置如图4所示。

图4 盲板力平衡装置示意图

3.1 盲板力平衡装置原理分析

在凝汽器水室接管上部设置平衡管，平衡管上方设置膨胀节，上下膨胀节之间用长拉杆连接，形成盲板力平衡装置。盲板力平衡装置原理图，如图5所示。

图5 盲板力平衡装置原理图

平衡管的作用是将水室接管内的水引到上部膨胀节内。水的内压力作用到平衡管上部法兰，从而对法兰有一个向下的压力，该压力与作用到水室接管的力相互抵消，由此消除盲板力对凝汽器和汽轮机的影响。

水的内压力同时作用到膨胀节顶部闷盖，上下膨胀节连接长拉杆与顶部闷盖及底部循环水管道连接，长拉杆将顶部闷盖拉住，并将力传递到底部循环水管道，变相的将力转移到循环水管道上，由此平衡顶部闷盖受力。

此外，由于凝汽器水室接管上下都设置了膨胀节，当凝汽器运行时，水室接管可随凝汽器热膨胀向下自由移动，不受约束。顶部闷盖被长拉杆固定，不会随水室接管移动。

3.2 盲板力平衡装置的设计分析

盲板力平衡装置的设计必须保证结构安全可靠，现对主要设计难点进行分析。

（1）水室及水室接管应力分析

盲板力平衡装置设计按最极端情况考虑，用有限元方法计算凝汽器水室与水室接管在内压载荷作用下的应力分布，并组合抗震分析进行强度评定，保证结构安全。

考虑到水室和水室接管结构对称及载荷对称，取实际结构的一半作为分析模型。水室接管横截面为自由端，上部法兰位移约束也设为自由状态。上部法兰表面施加均布压力，水室与水室接管内壁施加均布内压力，结构整体施加三向位移约束限制移动。

设计条件为：设计地震加速度为0.15g，设计内压为0.4MPa，设计温度取常温，设计温度下的材料参数，如表1所示。

表1 设计温度下的材料参数

经有限元分析，组合了结构应力计算与抗震计算，结构中最大薄膜应力位于水室与水室接管连接处，属于局部一次薄膜应力，小于设计温度下材料的屈服应力225MPa。结构中最大薄膜加弯曲应力位于水室与水室接管连接处，属于二次应力，小于2倍的设计温度下材料屈服应力450MPa。

综合考虑内压及地震载荷，结构强度及安定性应满足要求。

（2）平衡管稳定性校核

稳定性校核参数：设计内压为0.4MPa。

平衡管的尺寸为Ø700mm×30mm，平衡管长度2 600mm。

经计算，平衡管轴向压力为2 308kN。

平衡管失稳载荷Pcr＝2.7×105kN，参照ASMEⅧ－2 2007失稳计算，安全系数Ø＝2.44。

许用失稳载荷为：Pcr／Ø＝1.1×105＞2 308 kN。校验合格，结构是安全的。

（3）水室接管上部法兰强度校核

正常运行情况下，水室内部存在内压，内压作用在法兰上。法兰在无接管（Ø700）时的受力，如图6（a）所示，法兰在有接管（Ø700）时的受力，如图6（b）所示。由图6可知，当法兰在有接管时，对法兰的压力小于平盖情况的压力，且接管对法兰有一个向上的支撑作用，可以认为平盖情况更加危险，故现用平盖计算方法对法兰强度进行校核。

图6 法兰的受力图

取法兰厚度为100mm，采用平盖计算方法中螺栓连接方式进行计算，该厚度满足要求。

（4）上、下膨胀节连接长拉杆的布置

上、下膨胀节连接长拉杆与顶部闷盖及底部循环水管道连接，长拉杆将顶部闷盖固定，并将力传递到底部循环水管道，由此长拉杆的最大受力应与最危险工况下的盲板力相同，即为788t。

从长拉杆受力的稳定性考虑，最少在上、下膨胀节之间设置均分的3根长拉杆，但需考虑某根长拉杆发生破坏的情况，这种情况将导致平衡装置发生受力不均，产生倾倒后会将膨胀节撕裂。从安全性考虑，将长拉杆数量定为6根，但仍按3根长拉杆均分受力进行校核。此外，由于循环水管道膨胀节与水室筒身间距离较近，无法使6根长拉杆均分，经分析，最终采用了在原有3根长拉杆的旁边各加1根长拉杆的布置形式，此种布置形式可保证在某根长拉杆发生破坏时，其余长拉杆仍能保证机组的安全运行。长拉杆的布置方法，如图7所示。

图7 长拉杆布置图

4 结 语

在该核电项目中，通过改变凝汽器水室接管自身结构，在水室接管设置盲板力平衡装置，并对盲板力平衡装置进行设计分析，解决了平衡装置的设计难点，从而有效平衡循环水管道盲板力，消除了盲板力对凝汽器乃至汽轮机的影响，保证机组的安全运行。