低压内缸落地凝汽器喉部结构设计

阳欧，高扬

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳618000）

1 引言

传统的火电汽轮机低压模块落地方式为低压轴承座落于低压外缸，低压外缸直接落于汽轮机运行平台基础。随着汽轮机技术的发展，保证汽轮机轴系稳定和降低汽轮机运行平台承受的低压外缸真空载荷，减小汽轮发电机混凝土基座的载荷，低压缸内缸落地机型得到了广泛的应用。

凝汽器是汽轮机组必不可少的重要辅机，凝汽器性能的优劣直接影响电厂的经济性、可靠性和安全性[1]。低压内缸落地汽轮机组凝汽器相比传统的低压外缸落地机组凝汽器，低压外缸与凝汽器喉部采用刚性连接，在机组运行中凝汽器喉部内处于真空状态，低压外缸重量和低压外缸的真空载荷同时承载到凝汽器喉部上。低压内缸落地凝汽器喉部的受力情况与传统凝汽器喉部区别较大。

2 常规凝汽器喉部结构

常规凝汽器与基础及低压缸的连接方式通常有刚性支撑-弹性连接和弹性支撑-刚性连接两种方式。

2.1 刚性支撑-弹性连接方式

凝汽器底部与基础采用刚性支撑，凝汽器喉部与低压缸排汽口采用膨胀节连接，膨胀节的主要作用是吸收凝汽器自身相对于零米层基础的热膨胀以及低压缸相对于运转层基础的热膨胀。凝汽器与基础及低压缸的连接如图1 所示。

图1 凝汽器刚性支撑-弹性连接图示

凝汽器由于喉部采用膨胀节连接，在运行中低压缸受到的大气压力由运转层基础承受，凝汽器底部受到竖直向上的真空浮力，但凝汽器运行水重及自重较大，可以抵消真空浮力，凝汽器整体的受力仍然是竖直向下。就凝汽器喉部而言，竖直方向上只受到由于膨胀节自身的刚度产生受压的力及自身重力，由于膨胀节轴刚度较小，重力对结构强度影响很小，喉部结构设计中主要考虑的还是凝汽器侧板受到的大气压力作用。

2.2 弹性支撑-刚性连接方式

凝汽器底部与零米层基础采用弹簧连接，凝汽器喉部与低压缸排汽口采用刚性连接，凝汽器自重通常由弹簧承受，凝汽器运行中的水重由低压缸承受，进而承载在运转层基础上，凝汽器与基础及低压缸的连接如图2 所示。

图2 凝汽器弹性支撑-刚性连接图示

凝汽器与低压缸刚性连接，整体上受到的大气压力互相平衡。在运行中需保证低压缸受到凝汽器喉部的向下拉力，防止低压缸被顶起，影响机组安全性；就凝汽器喉部而言，喉部顶板受拉，其分力与侧板大气压力方向相反，能部分抵消侧板的大气压力在竖直方向上的分力，对于凝汽器喉部结构强度有利，凝汽器喉部结构设计中影响最大的还是凝汽器侧板受到的大气压力作用。

2.3 喉部结构

上述两种连接方式，凝汽器喉部设计中主要考虑的还是侧板四周的大气压力，在结构设计时通过杆件进行加强，通常有两种结构形式，一种是桁架，另一种是井架，其结构如图3 所示。

图3 凝汽器喉部结构（左为桁架，右为井架）

桁架结构中，采用斜向支撑喉部侧板，将侧板的大气压力分散到喉部的工字钢上，进而通过凝汽器壳体中的中间管板进一步分散，不仅受力好，而且凝汽器喉部中间部分没有支撑杆，对于低压缸的回热抽汽管线及低压加热器的布置十分有利，在600 MW 及以下的机组中广泛应用。在1 000 MW等级机组，由于喉部较大，斜支撑杆较长，容易造成受压失稳，通常采用井架结构，两端的喉部侧板通过杆件直接连接，平衡大气压力，四个方向的撑杆互相连接，组成整体，结构简单，刚性好。

3 低压内缸落地凝汽器喉部设计

低压内缸落地机型，凝汽器与零米层基础采用刚性支撑，低压外缸排汽口与凝汽器刚性连接，凝汽器的自重和水重以及低压外缸所承受的真空力都由基础承受，汽轮机运行平台不承受真空载荷[2]。低压外缸凝汽器与基础及低压缸的连接如图4 所示。

图4 低压内缸落地凝汽器连接图示

3.1 喉部受力情况

凝汽器整体刚性连接，大气压力互相平衡，运行中凝汽器的热膨胀推动低压外缸上移，由于低压缸排汽口较大，巨大的大气压力及低压缸的自重通过低压缸的排汽口传递到凝汽器的侧板上，以某660 MW 超超临界三缸两排汽机组为例，排汽口面积达67 m2，低压缸自重约75 t，低压缸排汽口传递给喉部接口处的竖直方向上合力达7 450 kN，凝汽器喉部的结构强度要求更高，设计难度更大。

3.2 喉部结构优化

常规凝汽器喉部结构如果要满足内缸落地机型带来的高强度要求，则需要对侧板进行加强，增加侧板的厚度，并采用更粗壮的支撑杆或增加额外的支撑杆进行加强，不仅结构复杂，质量较重，在运行中应力分布不合理，支撑杆的数量增加，也会导致凝汽器喉部的气动性能较差。

优化后的凝汽器喉部在低压加热器等高的高度上采用井架布置，在低压加热器以上布置采用桁架结构，以方便抽汽管道的布置，并对低压缸排汽口连接的顶板进行加厚，顶板下增加了一定数量的支撑杆件，将喉部排汽口的真空力及低压缸重量载荷分散到数量众多的支撑杆上，进而传递到喉部底部的H 形钢上，再分散到凝汽器壳体上的中间管板上，从整体上对凝汽器喉部进行了加强，喉部顶板下增加的支撑杆仅仅布置在侧板的扩散角范围内，对凝汽器的气动性能基本无影响，喉部结构如图5 所示。

图5 凝汽器喉部结构（俯视图）

3.3 强度分析

采用第三强度理论，以弹性应力分析准则为基础，进行有限元的分析。在运行工况下，喉部变形量如图6 所示，喉部应力强度如图7 所示。根据分析数据，参照JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》的判定方法，计算应力强度满足应力强度极限值，其结构满足运行强度要求。

图6 凝汽器喉部变形量云图

图7 凝汽器喉部应力强度云图

4 结论

针对低压内缸落地凝汽器的受力情况，对凝汽器喉部进行结构上的优化，并采用有限元分析方法，结合压力容器分析设计标准进行验证，优化后的凝汽器喉部结构强度得到了提高，满足运行工况下的强度要求，提高了机组的安全性。