太阳能光热发电空冷管道特殊管件有限元分析

刘学，李国栋，林伟宁，车驰

（1.华电重工股份有限公司，北京100070；2.国网新源检修分公司，北京100068）

0 引言

直接空冷大排汽管道是直接空冷机组的重要管道之一，是直接空冷汽轮机排放乏蒸汽到空冷凝汽器的重要输送通道。大直径异径管件是空冷管道系统的薄弱环节，其可靠性直接影响整个机组的正常运行。

作者曾在文献［1-2］中对直接空冷机组排汽管道的整体应力进行了理论计算和工程实践分析，并在文献［3］中对大直径排汽管道的结构稳定性进行了分析。雷平和［4］、周昭伟等［5］针对直接空冷排汽管道的结构强度和弯头稳定性进行过研究。

新疆哈密太阳能光热塔式1×50 MW 机组工程系新建光热项目，采用东方汽轮机有限公司的主机设备，利用直接空冷系统对汽轮机乏蒸汽进行冷凝。乏蒸汽通过排汽管道输送到外部空冷岛，经大直径特殊异径四通被均匀地分配到3 列换热管束。本文基于板壳结构稳定性理论及管道有限元分析的基本原理［6-9］，根据相关技术标准规范［10-12］，计算该项目直接空冷机组大直径特殊异径四通在真空外压、自重等荷载作用下的应力分布，并对原有结构下的强度进行校核。根据校核结果对管件结构进行了改进并重新计算了其结构强度和稳定性，确保该特殊管件运行安全、可靠。

1 四通异径管件物理模型

该工程采用了DN3400/DN2000 特殊四通异径管件。直接空冷大排汽管道主管道原设计规格为DN 3 400 mm×14 mm，长5 000 mm；支管道规格为DN 2 000 mm×10 mm，长4 000 mm；特殊异径四通支管间均成43°夹角，其壁厚与管道相同（如图1 所示）。直接空冷大排汽管道及其管件材料采用了Q235-B 结构钢，该材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.29，20 ℃下许用应力（Sc）为116 MPa，100℃下许用应力（Sm）为113 MPa。

机组正常运行时，四通承受真空外压和重力载荷等的作用。由于其结构的特殊性，需对其强度及稳定性进行有限元计算。本文根据空冷排汽管道的布置图，综合考虑各种影响因素，确定排汽管道的几何模型，并按照JB/T 4732—2005对该异径管件的强度及结构稳定性进行了有限元计算分析，以确定其基本结构参数。

图1 大排汽管道特殊异径四通结构Fig.1 Special reducing cross structure of a large exhaust pipe

2 特殊四通异径管的有限元模型

对在真空外压及重力作用下的DN3400/DN2000 特殊异径四通进行结构静力分析，计算其应力状态及失稳临界载荷。结构分析主要借助于有限元分析软件ANSYS 进行数值计算，排汽管道选用4 节点壳单元（SHELL63）来构建结构，采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式划分单元。

采用ANSYS 求解结构失稳临界载荷，对管件结构进行稳定性计算，可归结为一个广义特征值的求解问题。通常，子空间迭代法和Lanczos向量直接叠加法可用于求解广义特征值问题，但用Lanczos向量直接叠加法解决特殊异径四通等不规则结构的临界载荷问题更快、更有效［8］。

稳定性计算将主管底部设为固定边界，主管及支管上端部取为轴向简支，环向夹紧边界，内部的导流装置也按板壳处理，如图2所示。

3 载荷的计算和规范

图2 原DN3400/DN2000特殊异径四通有限元模型Fig.2 Finite element model of the original DN3400/DN2000 special reducing cross fitting

此次计算的主要目的是对DN3400/DN2000 特殊异径四通的结构承载能力进行评价，外载荷仅考虑外压（DP）和自重（DW）。在管系外表面施加均布外压载荷，压力值取0.1 MPa，并对整个结构施加重力载荷，重力加速度取9.81 m/s2。计算各部分的应力并依据JB/T 4732—2005 进行校核。标准提供了一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的对不同性质应力给予不同限定值的分析设计方法。有限元法计算的结构临界载荷并不能直接用作工程设计的依据，需将有限元法求得的特征值临界载荷除以安全系数，作为工程设计所需的计算临界载荷。管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力3 类，由压力和持续外载荷产生的应力属于一次应力，可采用极限分析法进行校核，见表1。

表1 标准要求的许用应力极限Tab.1 Stress limits allowed by the standard

4 计算结果及校核

4.1 应力计算及结果分析

通过ANSYS 得到的DN3400/DN2000 特殊异径四通的一次薄膜应力分布、一次薄膜加弯曲应力分布如图3—4 所示，其中，pm≤pL=130.000 0 MPa≤1.5Sm，pL+pb=228.000 0 MPa＞1.5Sm。

总体一次薄膜应力和局部一次薄膜应力满足JB/T 4732—2005 的要求，但一次薄膜加弯曲应力远大于标准值。为满足标准需求，须对原设计进行改进并重新进行应力计算分析。

图3 薄膜应力分布Fig.3 Film stress distribution

图4 薄膜加弯曲应力分布Fig.4 Distribution of film stress plus bending stress

4.2 改进后的应力计算及结果分析

根据以往工作经验，基于强化边界条件、增大管件强度、提高管件承载能力而不改变管内流动特性的思路，经多次试算，对原设计结构进行如下改进:保持特殊异径四通的支管角度不变，分别缩短主管、支管长度至4 000，3 500 mm；管道壁厚增加到14 mm，并在主支管连接处增设14 mm 的三角加强板，详细结构尺寸如图5 所示。在边界条件与荷载不变的情况下，对改进后的异径四通再次进行有限元计算，计算模型如图6所示。

图5 改进的异径四通结构Fig.5 Improved reducing cross structure

图6 改进的DN3400/DN2000异径四通有限元模型Fig.6 Improved DN3400/DN2000 reducing cross

结构改进的后的异径四通的一次薄膜应力、一次薄膜加弯曲应力分布如图7—8所示。

改造后，pm≤pL=60.100 0 MPa＜1.5Sm，pL+pb=104.000 0 MPa＜1.5Sm，总体一次薄膜应力、局部一次薄膜应力和一次薄膜加弯曲应力均满足JB/T 4732—2005标准的要求。

图7 改进后薄膜应力分布Fig.7 Film stress distribution after the improvement

图8 改进后薄膜加弯曲应力分布Fig.8 Distribution of film stress plus bending stress after the improvement

5 结构稳定性分析

在对改进结构的DN3400/DN2000 特殊异径四通进行静力分析后，再计算其整体临界失稳压力为1.298 1 MPa，临界失稳模态如图9 所示。取安全系数为4，DN3400/DN2000 特殊异径四通总体失稳压力pcr=1.298 1 MPa/4=0.324 5 MPa＞0.100 0 MPa，因此整体稳定性可以得到保证。

图9 整体稳定性变形分布图Fig.9 Deformation distribution affecting overall stability

6 结论

本文对新疆哈密太阳能光热塔式1×50 MW 光热发电工程空冷岛大排汽管道DN3400/DN2000 特殊异径四通在真空外压和自重载荷下的应力状态进行了分析，根据计算结果改进原设计结构，并计算其总体临界压力。结果表明，改进后的DN3400/DN2000 特殊四通异径管件的结构设计满足JB/T 4732—2005的标准要求，设计更加安全可靠。