热网凝汽器的设计经验探讨

颜强，周进

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

随着电厂节能降耗的推进，余热利用成为电厂关注的重点，其中有一种很好的方案是在供暖期，将热网回水通入凝汽器，汽机采用高背压，并用汽机乏汽来加热供热水到预定温度，达到余热利用的目的，经济效益非常可观。

对于空冷机组一般是在排汽管道打孔抽汽，引入与空冷岛并列运行的新增凝汽器；湿冷机组是将原有凝汽器进行改造，在凝汽器水侧通入热网回水。一般将蒸汽侧为乏汽、水侧为热网水的凝汽器叫做热网凝汽器，以区别常规凝汽器和热网加热器。由于凝汽器水侧通入的是热网回水，压力较普通凝汽器高许多，在改造时，由于供热管道高差较大或有的将热网凝汽器放在泵后，这样凝汽器受压更高，另外汽侧为高背压，由此热网凝汽器的一些设计条件和常规凝汽器不同，在设计时有些地方需要注意。

1 热网凝汽器相关设计经验

1.1 管板

现热网凝汽器的水侧设计压力基本在0.6～2.0 MPa，大部分设计压力1.0～1.6 MPa，压力较高，由于管板管孔量大，在进行管板强度有限元分析时，计算机很难满足运算要求，可采用简化模型进行计算：换热管简化为实体并等效弹性模量，泊松比设定为0；管板布管区按多孔板简化为当量实心板，等效弹性模量以及泊松比。这样对管板施加边界条件即可对管板进行近似计算，可用于工程应用。

1.2 水室

由于水侧高压，水室的强度安全必须要保证，一般采用弧形水室，水室由于不连续结构较多，并且水室较大，采用压力容器常规设计方法很难解决强度问题，比较好的办法是对水室进行有限元强度计算，采用ASMEⅧ-2或JB 4732分析设计标准要求对分析结果进行应力分类并按规范要求进行判定，但是对于不连续结构较多时，对各项应力进行分类有较大困难。ASMEⅧ-2附录5-A介绍了一种等效应力线性化方法，该方法是基于弹性应力分析方法，对于这种不连续处较多的结构很适用，将危险截面应力线性化后，即可得到该路径上的各类应力值，从而判定应力是否符合标准。

JB 4732规定：一次薄膜+一次弯曲应力≤1.5 KSm、一次薄膜+二次应力≤3 KSm，可见应力类别对于合格的评判标准差别很大，有时对于结构上的应力分类时很难判断是一次弯曲应力还是二次应力，而有时弯曲应力里有相当大的二次应力成分，而若在分析的时候不能判定应力属于一次弯曲还是二次应力或不能分离出应力里的二次应力，保守处理可以都归于一次应力。为了识别出应力中的一次应力和二次应力，一次结构法[3]提出将原结构中的不利约束去掉，得到能承受外加机械载荷的一次结构，在一次结构下用等效线性化方法获得的薄膜应力和线性弯曲应力属于一次应力，从而可以对原结构应力进行分离，具体可参阅相关文献。

对于提高水室抗压能力，除了直接对水室进行分析，还有其他方法，比如对于双流程，后水室的大小近乎于前水室的两倍大，后水室抗压能力较弱，可以考虑将后水室划分为两个水室，这里又有两种划分方法，一种是后水室设计为与前水室同样的排列方式，在后水室两个水室中间增加连通管；另一种是后水室所分的两个水室与前水室轴线垂直排列，如图1所示，此时每个后水室大致只容纳一半的循环水流量，因此不需要增加连通管，当凝汽器很大时，可以将后水室分割为并列的多个。这两种分割水室的方法对于多流程同样适用，把各个回弯水室作类似更改即可。水室的分割，使得水室的直径大大减小，无疑提高了抗压能力。另外水室分割后直径减小，在场地限制非常严格的条件下，可以相对增加换热管的有效长度，从而减少换热管数量，减小凝汽器断面尺寸。

图1 后水室的另一种分割方法

另外可以考虑采用图2所示的结构，采用半个椭圆或球形封头加半个圆筒的形式，该结构抗压能力强，可以减薄壳体厚度，并且在主体部分的接管可按压力容器常规设计方法进行。

图2 新结构的弧形水室

1.3 直接空冷机组热网凝汽器的连接方式

直接空冷机组热网凝汽器上是新增的较大的排汽管道，对整个凝汽器附加的推力和推力矩较大，由于放在室外，上部管道还有风雪载荷等。凝汽器本身要考虑对喉部、壳体、热井的加强，支座的载荷应考虑上部管道附加的载荷，对不能承受的要对上部管道进行调整。

对于固定支座的热网凝汽器，为保证凝汽器及上部管道的运行安全，凝汽器一般不配供上部的膨胀节，该挠性部件应由管道设计方纳入管道整体设计考虑，凝汽器提供允许推力及推力矩配合。

对于弹簧支座的热网凝汽器，这里主要有三个方面的因素：凝汽器自重、运行水重、运行热膨胀。按照常规情况，上部管道应为刚性，弹簧仅承受凝汽器自重，运行时凝汽器中的水重由上部管道承受，运行时凝汽器的热膨胀由弹簧来补偿。在运行时，水重对上部管道产生附加向下拉力，热膨胀对上部管道产生附加向上推力，两者可以抵消一些；如果运行水重改为由凝汽器支座承受，则运行水重不会产生对管道的向下拉力，但是弹簧要承受水重，所以弹簧数量要多一些或者刚度要大一些，但这样会使得上部管道受力恶劣（热膨胀的力会很大）。水重与凝汽器结构有关，热膨胀与运行温度、凝汽器高度、上部管道长度有关，这里要根据实际情况计算判断，比如可以通过改变弹簧刚度、数量等来调整。停机时无水重，无热膨胀，与运行时的受力刚好相反，此条件下也要计算对上部管道的影响以便管道设计方进行判断。另外由于热膨胀量较大，还要考虑弹簧的压缩量是否符合弹簧要求。

1.4 湿冷机组热网凝汽器的连接方式

湿冷机组凝汽器上面是汽机平台，对于采用固定支座的凝汽器，要考虑原膨胀节是否还可以满足新工况的要求；对于采用弹簧支座的凝汽器，因温差较原来大，若采用原弹簧，要核算改造后的重量变化引起的压缩变化以及较大热膨胀量对上面汽机的作用力，这里可以考虑减少弹簧数量、调整弹簧刚度来减小热膨胀产生的弹力。另外虽然在改造时喉部基本不变动，但最好检查下喉部支撑杆等构件是否因为年久锈蚀严重，造成支撑失效。

1.5 是否设置壳体膨胀节

因热网凝汽器汽水温差较大，应计算壳体中的轴向应力、换热管轴向应力、换热管与管板之间连接拉脱力，三个应力有一个超过许用值时，可以考虑增加管板厚度，增加换热管厚度，减短换热管长度 （降低管内流速或增加管侧流程数），改强度胀为强度焊等办法，如果不能通过或者不经济不合理 （比如减短换热管长度会增加管孔数量，增加胀焊成本，并增大水室，带来水室强度问题），则应考虑设置膨胀节。

湿冷机组热网凝汽器若设置壳体膨胀节，在改造设计时，换热管长度较原有设备会有所加长，一般热网凝汽器在水侧阻力条件限制比较苛刻，此情况下换热管所需长度达不到改造后那么长，则会增加一些多余的面积。另外加长后，设计时应考虑现场安装条件。

1.6 水室法兰密封连接

热网凝汽器运行温度高，水侧压力高，垫片材料形式会根据实际情况有所变化，若采用橡胶垫片，应选用耐高温橡胶以免垫片在高温下容易老化。

对于大型方形结构凝汽器，高压下的水室法兰强度、刚度设计是不易的，再加上凝汽器散件现场安装，密封面若有变形，法兰的密封面在高温高压下的泄露可能性很大，综合各方面考虑，为保证运行可靠性，在压力较高的情况下，一般推荐采用全焊接结构。

1.7 热网凝汽器的一些其他经验探讨

湿冷机组热网凝汽器由于冬季夏季都在一个壳体内完成热交换，而两者的参数相差很大，一般冬季供热的水流量为夏季发电冷却水量的一半不到，这时候水侧流程若设计成一致，则冬季管内流速将很低，当然这样也能通过设计来满足工况要求。可以将冬季水侧流程数设计为夏季的两倍，以提高换热管管内流速，增加换热效率，这样需要更改外部循环水管道系统。另外对于夏季通海水冷却的机组，若采用衬胶防腐，应采用耐高温橡胶，以免在冬季供热时高温老化。

对于直接空冷机组热网凝汽器，在很难实现大型设备高压力下的结构设计时，可将整个凝汽器设计成圆筒形式，水室为圆筒加封头结构，除此之外，还可以考虑设计成若干小凝汽器并联等。

2 结语

热网凝汽器对电厂的经济效益很可观，是近些年快速发展的一种设备，与普通凝汽器相比，热网凝汽器循环倍率小、温升大、温差大、温度高、背压高、水侧压力高、有上部排汽管道施加的较大推力和推力矩，随着改造机组的大型化，热网凝汽器的设计难度会加大，在设计时有需要细致考虑的地方。本文罗列了热网凝汽器设计的一些经验和注意事项，为热网凝汽器的设计提供一定的参考。