空冷排气管道主要技术问题分析

全 俊

（上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090）

1 概 述

近几年，随着我国电力工业的快速发展，高效、低耗和环保已成为设计和建造现代化发电厂优先考虑的因素。空冷系统因其无需依赖水源的特点，在干旱、缺水地区的新建火电机组中得到了广泛应用，其潜在而巨大的经济优势和环保效益正获得越来越显著的体现，未来发展前景十分广阔。在空冷机组中，直接空冷系统凭借其调峰的灵活性和基建投资相对较低等优势，在新建火电机组中得到了较为普遍的运用。

图1 直接空冷机组汽水系统

直接空冷系统的原理图，见图1所示。汽轮机的乏汽从低压排汽缸引出后，经大直径的排汽管道送至厂房外的空冷岛内，直接被空气冷凝。空气与蒸汽之间进行热交换所需的冷却空气由机械式风机提供，通过对风机转速的调节或投入切风机，可灵活调节冷却风量。

空冷岛内的流场系统，见图2所示。空冷岛中除散热器外，排汽管道系统也是十分重要的部分。排汽管道是指从低压缸排汽装置出口到空冷凝汽器蒸汽分配联箱入口之间的管道，其作用是在各种工况下，将汽轮机排汽依次经排汽装置和排气管道排入空冷凝汽器内。管道流场设计方案的优劣，管道结构强度和整体应力的计算，管道布置等技术问题直接关系着机组的安全可靠运行，同时也影响投资额及占地面积的大小。

图2 直接空冷空冷岛流场系统

2 管道流场的优化设计

直接空冷系统中排汽管道设计方案的优劣，关系到空冷凝汽器的冷却效果和空冷系统的安全及经济运行。优化空冷排汽管道设计的关键，是在排汽管道的某些特殊部位平衡各蒸汽分配管的流量与压降，均匀分配系统中水与蒸汽的流量，减少蒸汽的压损，从而提高换热效率。

工程中常利用流体动力学软件Fluent对不同汽轮机工况下的排汽管道结构进行模拟计算，实现直接空冷排汽管道系统的优化设计。模拟计算前，需对模型进行分析和计算网格的优化。从几何形状上看，排汽管道系统为轴对称布置，但流体并不完全沿对称轴进行对称流动，因此，采用四边形结构对排汽管道系统的网格进行区域离散。选用不同的网格数进行模拟计算，使计算结果不受网格质量和疏密程度的影响，并检验计算结果与网格数的关联性。通常情况下，采用有限容积法控制微分方程的离散化，同时采用K－ε双方程式建立湍流模型，并对方程采用二阶迎风格式进行离散，再利用SIMPLE算法对压力和速度进行耦合。在排汽管道入口处，采用质量与流量的入口条件，选取各分配管的出口压力，作为该处的压力出口边界条件，忽略蒸汽的压缩性及其通过管道壁面的传热，以此简化计算模型，使得排汽管道内流动的饱和蒸汽满足下列控制方程：

（1）连续性方程

（2）动量守恒方程

基于以上模型，利用Fluent软件进行计算，对空冷排汽管道内的流场进行数值模拟，采用试误法对各种工况进行了模拟。对比计算结果，可确定管道导流叶片的结构及数量，并可计算流经各管段的流量与压降。在数值模拟过程中，通常将大排汽管道系统中的三通连接管作为分析的重点部位。

模拟结果表明：在直接空冷大直径排汽管道的弯头和三通等处，应当安装导流叶，不仅可以减小工质在管道内的流动阻力，使管道内的工质分布均匀，还有利于提高直接空冷系统的整体热效率，从而优化了直接空冷排汽管道的设计。

3 管道强度校核与应力分析

直接空冷机组排汽管道采用大直径的薄壁管，在负压的工况下工作，其载荷条件和支吊架的型式较复杂，因此，需对其进行强度校核和应力分析。

排汽管道常处于多向应力的作用下，故以弹性应力分析和塑性失效准则为基础，采用不同性质的应力分析法，分别以不同限定值的方法进行强度校核。管道应力一般可分为一次、二次和峰值这三类应力。由内压和外载荷所产生的应力，属于一次应力，对其采用极限分析法进行校核；因热胀冷缩引发变形，使管道承受约束力而产生的应力，属于二次应力，对其采用许用应力验算和控制交变应力的循环次数进行限定。峰值应力是指管系结构在不连续处由于局部应力集中而产生的一次应力、二次应力的增量，须对其进行疲劳分析。根据ASME标准的相关要求，对管系的整体应力及结构稳定性进行分析，以确保排汽管道在各种荷载作用下安全可靠，并计算其对汽轮机低压缸产生的推力，将力矩值控制在安全范围之内，以满足设备运行的要求。有关大排汽负压管道的强度计算，用有限元软件ANSYS对排汽管道系统进行建模，进而对其做应力分析：（1）根据重力、温度、沉降差、风载、地震等载荷情况，分为多个典型工况进行分析计算，并根据标准要求进行强度校核；（2）对排汽管道系统进行模态分析和地震响应谱分析，计算地震对排汽管道的动载荷；（3）选取特征值分析排汽管道的屈曲临界压力；（4）根据计算分析结果，对排汽管道系统的结构进行优化设计，并按ASME VIII标准的有关规定，对管道强度进行校核，使其满足极限设计条件。相关实验数据证明：

采用ANSYS有限元分析排汽管道时，可以通过施加重力、内压、沉降差、附件位移、风载、地震等载荷条件和提取位移、支反力、弯矩、应力、膨胀节角度和轴力等计算结果，准确反映出排汽管道系统的形态和受力。

在排汽管道系统的设计和运行维护中，应考虑以下两个潜在因素的影响：在不同工况下，排汽管道系统支吊架的支吊力在一定范围内变化，可能会引起支吊架的裂纹扩展和疲劳失效；由于排汽管道系统的固有频率低，空冷系统内风机的低频振动可能造成管道系统的激励而形成共振，对管道造成破坏。

排汽管道的应力变化具有其特殊性，因而，在建立管道模型之前，需进行补偿器的选择计算，并考虑设备基础的差异沉降位移、风荷载、地震荷载、支架摩擦力等的影响。采用CAESAR II管道应力分析程序对排汽管道的内压及外部荷载（真空推力、摩擦力、风荷载、地震荷载、差异沉降等）进行分析及组合计算，以此来解析波纹补偿器与减震器的受力状况。通过计算各设备接口处的推力和力矩，以控制支吊架（包括非线性约束）的荷载和位移。这些计算结果可用于排汽管道的局部荷载计算及整体应力分析，为设备和材料的订制提供依据。

4 管道排布

目前，空冷系统中的管道布置方式，有落地式、悬吊式和V形布置（也称Y形布置）等三类形式。管道的布置方式会对机组的运行产生直接的影响，设计时应结合现场条件综合考虑。

落地式管道布置是从排汽装置接口引出管道，经地面延伸至汽轮机房A列外，然后在平行于A列的直管段上，按机组中空冷散热器的列数进行分支，分出的支管竖直向上延伸至空冷平台后，再与蒸汽分配管相接。该布置方式节省了固定在钢桁架上的大管道吊架和大直径的膨胀节，但由于其管道长度增加，导致管材用量增多。

悬吊式管道布置是将排汽总管水平引至汽机房A列外，让总管弯曲90°再竖直向上，达到某高度后，按列数分出支管，然后用连接弯头与蒸汽分配管相连。与落地式布置相比，悬吊式管道布置因采用悬空吊架与外伸的钢桁架代替地面上的防扭滑动支座，节省了支座数量，使得基础用量和加工量大为减少；此外，该布置方式还有利于电气母线与地面小管道的布置，且便于将管道引入汽轮机房内。

“V”型布置方式是从排汽装置水平引出管道至汽轮机房A列外，然后在垂直于地面的平面内倾斜上升，在上升过程中竖直展开分支并通过90°弯头与蒸汽分配管相连接。该种布置型式不仅使管道耗钢量和支座数量明显减少，也减少了从排气装置出口到蒸汽分配管的90°弯头数，管道沿程阻力及管道压降随之减少。此外，“V”形布置有利于电气母线出线和A列外管沟布置，便于小管道垂直A列进入汽轮机房。

根据现场施工条件，应当优先选择悬吊式管道的布置方案，且尽量将管道布置成对称结构。这不仅能够使蒸汽均匀分配至每个支管，也简化了管道支吊点的设置和整个管系的计算。选择管系的布置形式前，应与排汽装置的生产厂家进行协商解决接口处的受力问题。在确定了支管（列数）数量后，应结合A列柱布置条件（涉及到管系能否对称布置）、土建支柱、平台布置（在靠近A列处是否悬挑）、电气母线出线等因素进行综合分析，从而选择合适的管道布置方式。

5 管道施工

合理、高效的管道施工管理，对节约投资费用、确保工程进度有重要影响。

热冲洗前需对管道进行“喷砂”处理，彻底清理管道内部。采用分段焊接方式，使排汽管与汽缸连接，同时需密切监测汽缸连接处负荷的变化，避免应力产生。排汽管的安装，依照先低后高的顺序进行。充分利用土建施工的空冷平台作为支撑，先安装好支吊架，再吊装管道，以减少临时支 吊架的施工量。管道安装前，应将减振器布置在地面（零米标高）以下，通过控制减振器与排汽管道的距离来保证管道的标高尺寸和管道在各个方向的热膨胀，为下一步的管道安装提供便利。

整个管道系统施工完毕后，采用人工打磨和气流吹扫等方法，再次清理管道并进行密封性试验，以检验管道及散热管束的密封性。试验前，利用干净的压缩空气作为介质，对临时接入的管道进行吹扫。该过程中，临时管道的接入路线应便捷，以减少施工量和吹扫次数。密封性试验后，可对管道系统的支吊架弹簧进行调整。机组投运前，对整套系统的空冷管道进行热态冲洗，以保证凝结水和疏水的水质达到运行要求。

6 结 语

目前，国内的水资源日益紧缺，所以，开发空冷机组技术具有重要的意义。按照《电力工业“十一五”规划》、《国家重大技术装备研制和重大产业技术开发专项规划》和《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》的要求，加强大型空冷机组成套设备的研究开发能力，逐步掌握空冷岛系统设计的各项关键技术，提升核心设备及配套设备的设计能力，才能加快推进直接空冷系统的自主化设计进程。

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