1 000 MW超超临界机组单背压凝汽器结构分析

张道丽，李家富，张春秀

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

1 000 MW超超临界机组单背压凝汽器结构分析

张道丽，李家富，张春秀

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章分析了海门电厂1 000 MW超超临界机组采用单背压凝汽器的设计难点。通过对单背压凝汽器的结构特点分析，对单双流程的管束布置进行比较，优化凝汽器喉部结构并利用有限元软件进行分析，为单壳体、双流程、表面式结构的凝汽器设计，提供技术参考。

凝汽器，超超临界，单背压，结构，分析，设计，特点

1 概述

国际上600 MW、1 000 MW超超临界机组主要为三缸四排汽汽轮机，所配凝汽器有单背压和双背压两种型式。在国内，较多电站项目出于经济性考虑，采用双背压凝汽器，该方案具有较大优势，但初期投资成本较高，同时东方1 000 MW超超临界机组配套双背压凝汽器循环水管为凝汽器底部布置，负挖较多。海门电厂1 000 MW超超临界机组经过论证，最终采用单背压凝汽器半地下布置，将1 000 MW超超临界机组汽机房运转层标高由常规17 m优化至15.5 m，降低基建投资和运行成本。

常规凝汽器采用双壳体双背压，2个汽轮机低压缸连接2台凝汽器，如图1所示，凝汽器的管束为双流程型式。冷却水从A列水室进入凝汽器，经过壳体内冷却水管冷却蒸汽后，通过循环水联通管道进入B列另一侧凝汽器冷却蒸汽，最终从另一侧凝汽器A列水室排出。凝汽器循环水管为凝汽器底部布置。

图1 三缸四排汽汽轮机双背压凝汽器结构示意图

海门电厂1 000 MW超超临界机组单背压凝汽器如图2所示，凝汽器管束为双流程型式。 冷却水从A列左水室进入凝汽器，经过壳体内冷却水管冷却蒸汽后，通过B列水室转向，从A列右水室排出。汽侧通过凝汽器喉部联通管联通。水侧通过B列水室之间联通管转向，无需设置冗长循环水联通管。

图2 三缸四排汽汽轮机单背压凝汽器结构示意图

2 设计难点

海门电厂1 000 MW超超临界机组单背压凝汽器最大的设计难点在于管束的布置、双壳体之间加装汽联通管、后水室之间加水联通管 （用于冷却水转向）、凝汽器喉部开孔后结构强度削弱等。

根据HEI计算可知，相同条件 （如排汽量，进口水温，背压等）下，凝汽器采用单背压比双背压面积增加约10%，增加管束面积，只有调整冷却管长度和加大管束密度，这将在管束布置时带来一系列问题。首先，在不改动管束长度情况下，所布置的管束非常密集。管束太密，将增大汽阻，使凝汽器过冷度提高，影响机组效率。其次，由于凝汽器壳体在宽度方向受到汽轮机平台支撑立柱的限制 （两个立柱的中心间净空间为10 m，如图3所示），同时钛复合板的宽度在制造上也不能随意加宽，因此管束布置在宽度方向上受到限制。再次，壳体在长度方向上受到凝汽器扩散角的限制，角度太大将引起脱流。所以管束也不能设计得太长。在高度方向上，管束的布置统一受到限制，管束的顶部要保证低于汽轮机中间平台层横梁 （此工程汽机厂房是国内首台1 000 MW运行层由17 m降至15.5 m机组）。经与业主和设计院沟通，管束底部排管可在0 m以下。因此，适当加高冷却管管束高度和密度是可行的。

图3 汽轮发电机组剖面简图

3 结构分析

3.1 管束的单、双流程分析

凝汽器的流程型式有单流程和双流程之分。在相同的循环水量、蒸汽流量、冷却水温、蒸汽压力等条件下：若单背压凝汽器采用单流程方案，冷却管根数相对较少，但冷却管长度相对较长；若采用双流程方案，冷却管根数相对较多，但冷却管长度相对较短。管束流程示意图如图4所示，箭头所指为水流动方向。根据厂房布置的限制条件，凝汽器循环水进出水管只能布置在同侧 （A列，B列为除氧器等设备布置空间）。因此，只能采用单背压双流程方案，在保证凝汽器喉部扩散角为40°的情况下，根据汽机房的宽度10 m，运行层15.5 m等限制条件，选择最佳的凝汽器冷却管长度和数量，为了避免管束密集对凝汽器汽阻造成的影响，合理布置凝汽器管束成了关键问题。

图4 背压流程分析图

3.2 管束布置

公司管束布置，引进国外公司的先进技术。分别用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷却管进行了管束布置，如图5所示。

通过分析发现，在现有的条件下合理布置管束，无论采取何种规格冷却管，管束高度均需增加，如表1所示。而汽轮机运转层15.5 m的标高是不能改变的，只能采取凝汽器管束往地下布置，造成凝汽器半地下布置。分别采用Φ22 mm、Φ25 mm、Φ28 mm冷却管管束布置进行流程分析并比较，最终选取冷却管直径为Φ25 mm。

图5 各种规格管束布置图

表1 不同管径冷却水管排管高度

取凝汽器两组管束进行流程分析，分别计算管束壳侧流线、壳侧压力分布、管束空气浓度场、管束换热系数场。计算结果见图6，冷却管管束具有汽阻小、不凝结气体分布收敛、流场分布均匀等特点，布置合理。

图6 凝汽器冷却管采用Φ25 mm布置管束流场分析图

3.3 联通管

在工程运用上，机组投运后常常由于各种原因 （如堵管数量不同）造成两侧冷却面积并不一致，同时需保证凝汽器具有半侧运行功能。因此在工程设计阶段，需在两侧凝汽器之间加装蒸汽联通管 （如图7所示）。其作用是保证凝汽器两侧背压相同，当冷却管脏污、损坏等需要半侧清洗或需要进行堵管操作时，凝汽器可半侧运行。此时停运侧蒸汽通过蒸汽联通管引至另一侧冷却，避免停运侧凝汽器 “干烧”。根据已知数据和半侧运行热平衡图计算，确定联通管的直径，最终采用3个直径为2.8 m的联通管。蒸汽联通管直径选定后，建模分析凝汽器喉部强度，保证凝汽器整体的刚度和强度。

本机组凝汽器底部未设置冗长循环水管道，循环水B列转向依靠后水室之间的联通管。此联通管大小与进水室循环水接管面积相等即可 （如图7所示）。根据水室结构，最终确定如图7所示循环水联通管。

图7 凝汽器蒸汽联通管及水室联通管

3.4 凝汽器喉部强度及刚度分析

公司600 MW系列凝汽器结构为斜垳架支撑结构，当喉部高度显著增加时布置困难，且在真空载荷作用下外围壳板应力偏大，垳架群在高度方向受力分布不均。1 000 MW凝汽器喉部较600 MW凝汽器喉部无论在外形尺寸及内部结构的布置上，均产生了较大的变化；传统的喉部设计经验很难提供可靠的设计保证。因此1 000 MW凝汽器喉部采用了井架支撑结构，海门工程凝汽器需在两喉部之间增加 3个直径 2.8 m的联通管，削弱了凝汽器喉部整体强度、刚度，需进行凝汽器喉部的强度及刚度分析，优化凝汽器喉部井架群各支撑杆的布置位置、截面形状以及部分连接约束方式，尽量避免 “细长杆”，提高结构的受力稳定性。

凝汽器喉部结构优化后，利用有限元软件进行分析，结果如下：

优化前后结构如图8所示，沿低加轴线增加连接板之间的轴向支撑，从而在纵、横两向获得相等或接近相等受力稳定性。

另对凝汽器喉部联通管开孔的高应力区域，通过合理的肋板及支撑杆布置提高其承压能力，如图9所示。

图9 喉部联通管开孔加强

有限元应力分析云图如图10所示。

图10 喉部有限元分析云图

有限元建模分析结论如下：优化后喉部整体刚度提高，位移变形减小；联通管开孔区域应力值满足强度要求；内部支撑杆轴力降低到失稳临界压力值以下。

4 结语

海门电厂超超临界机组汽轮机采用单背压凝汽器，因大大减少负挖、无循环水联通管布置、减小循环水泵容量及造价，可称为国内市场新的发展方向。海门电厂投运至今，未出现任何内凹现象、凝汽器各项参数优良。而此机组的设计也将对公司新产品如600 MW超超临界机组单壳体、双流程、表面式结构的凝汽器设计，提供技术参考。

[1]张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京:机械工业出版社,1993.

[2]旷仲和.1 000 MW超超临界燃煤发电机组汽机运行层标高的设计优化[J].电力建设,2008,29（1）：74-77.

[3]张水桃.核电汽轮机凝汽器冷却管避免振动碰磨的预防措施[J].东方汽轮机,2014,（3）：1-4,10.

[4]张道丽.1 000 MW超超临界凝汽式汽轮机组凝汽器循环水管布置方式探讨[J].东方汽轮机,2013,（4）：4-7.

Structure Analysis of Single Back Pressure Condenser of 1 000 MW Ultra-supercritical Turbine

Zhang Daoli， Li Jiafu， Zhang Chunxiu

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The paper analyzes the design difficulties of single back pressure condenser of Haimen 1 000 MW ultra-supercritical units.Through the analysis of the structure characteristics of the single pressure condenser,and the comparison between single and double bundle set-up,optimization of the throat structure is analyzed by finite element software to provide the technical support for the design of the single shell,double flow,surface structure condenser.

condenser,ultra-supercritical,single back pressure,structure,analyze,design,characteristic

TK262

B

1674-9987（2017）04-0001-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.001

张道丽 （1978-），女，高级工程师，毕业于四川农业大学机械电子专业，现主要从事汽轮机技术管理工作。