凝汽器整体上浮分析与对策

阳欧，高扬

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

凝汽器作为电站系统的重要冷端设备，主要作用是冷凝汽轮机排汽，达到真空条件。大型机组汽轮机通常采用下排汽，凝汽器布置在汽轮机底部[1]。汽轮机低压缸排汽口与凝汽器直接连接，由于整个凝汽器上需要连接汽轮机汽水系统上的各种管道及设备，如：5段抽汽接口、6 段抽汽接口、7&8 号合体低压加热器，低压轴封送回汽接口、疏水接口、补水接口、循环水接口等，受力复杂；各种接口对凝汽器的推力互相叠加，尤其是规格较大的接口产生的巨大推力直接作用到凝汽器上，不仅影响凝汽器的稳定性，同时也影响机组的运行安全。

1 故障情况

某国外电厂300 MW 机组，汽轮机为两缸两排汽湿冷机组，凝汽器安装完成后进行现场循环水水侧压力试验，在水压试验中出现了凝汽器整体上浮，凝汽器水室循环水接管法兰下部的膨胀节拉裂变形；凝汽器滑动支座上下部脱离，支座底部的预埋件从混凝土基座中被拔起，受损支座情况如图1 所示。

图1 凝汽器受损支座

2 故障分析

该机组凝汽器采用单壳体双流程设计，凝汽器底部与基础采用刚性支撑形式，凝汽器喉部与低压缸排汽口采用弹性（膨胀节）连接，凝汽器壳体上设有6个水室，分为前水室4 个，后水室2 个，凝汽器采用水平流程，前水室为2 个进水水室以及2 个出水水室，后水室为回转水室，凝汽器可半侧运行，水室循环水采用底部接入方式，循环水接管管口竖直向下，水室进出口通过膨胀节与循环水管道相连，结构示意图如图2 所示。

图2 凝汽器结构示意图

凝汽器（含内置7&8 合体低压加热器、旁路减温减压器等）设备净重约460 t，凝汽器水室（含前后水室）及换热管内总存水重约260 t，凝汽器热井在正常水位线处水重约90 t，循环水运行压力约0.25 MPa，水压试验压力0.6 MPa，凝汽器喉部与低压缸排汽接口处的接管规格为7.4 m×6.3 m，循环水接管规格为DN2000。

2.1 盲板力

当两端封闭的管道受到压力作用时，在管道的轴向端部截面上会产生压力推力，对于管道系统，压力推力作用在弯头处；对于设备，压力推力作用在接管端部的设备上；由于管道或设备的刚度较大，压力推力被弯头或设备承受，压力推力不会作用到外部的支吊（支撑）上；当管道设置普通波纹膨胀节（如图3所示）时，由于波纹自身的刚度较小，波纹将出现形变，压力推力将作用在波纹两端的管道或设备的支吊（支撑）上，形成盲板力；如果支吊（支撑）不牢固，膨胀节波纹处将出现位移，波纹将被拉坏，也可能造成设备或管道的形变，造成设备损坏；在大口径管网中介质压力超过0.5 MPa 时，盲板力很大[2]。

图3 普通波纹膨胀节结构示意图

普通波纹膨胀节（单式轴向型金属波纹膨胀节）轴向虽然出厂时带有均布的小拉杆，但是小拉杆仅仅用于膨胀节运输过程中的固定，在运行中需要松开一端或者完全拆除。盲板力计算公式如下：

凝汽器的喉部与低压缸排汽口、凝汽器前水室循环水接口与外部循环水管道都采用普通单式轴向型金属波纹膨胀节连接，通过波纹管的柔性变形来吸收管线轴向位移（也有少量横向、角向位移）[3]。所以只要在膨胀节内外存在压差，膨胀节两端都会产生盲板力。

2.2 凝汽器受力分析

凝汽器在运行工况下，凝汽器真空运行，水室、换热管充水运行，热井维持正常水位，喉部膨胀节和水室膨胀节都会产生盲板力。凝汽器整体受力如图4所示。

图4 凝汽器运行工况整体受力示意图

凝汽器喉部膨胀节处盲板力F1=0.1×（7 400×6 300）/1 000=4 662 kN；凝汽器前水室在循环水运行压力（0.25 MPa）下盲板力F2=4×0.25×（π×2 0002）/4 000=3 141.6 kN；凝汽器净重F3=4 600 kN；水室及换热管水重F4=2 600 kN；热井运行水位水重F5=900 kN。

运行工况下竖直方向向下合力为Fx=F3+F4+F5=4 600+2 600+900=8 100 kN；运行工况下竖直方向向上合力为Fs=F1+F2=4 662+3 141.6=7 803.6 kN。

凝汽器在水压试验工况下，凝汽器内部与大气压相通，喉部膨胀节内外无压差，无盲板力（F1=0）；水室、换热管充水，水室膨胀节处存在盲板力，热井处于无水位状态（F5=0）。凝汽器整体受力如图5 所示。

图5 凝汽器水压试验工况整体受力示意图

水压试验压力（0.6 MPa）下盲板力F2′=4×0.6×（π×2 0002）/4 000=7 539.8 kN。水压试验时，竖直方向向下合力为Fx′=F3+F4=4 600+2 600=7 200 kN；水压试验时，竖直方向向上合力为Fs′=F2′=7 539.8 kN。

由计算数据可知：运行压力下Fs＜Fx，水压试验压力下Fs′＞Fx′，所以在运行压力下，凝汽器合力向下，不会上浮；但在试验压力下，凝汽器合力向上，整体上浮，造成膨胀节及支座受损。

3 对策

从上述分析中可知，造成凝汽器上浮的主要原因为盲板力过大，可通过外部措施和内部措施进行优化，降低或减小盲板力带来的负面作用。

3.1 外部措施

3.1.1 改变盲板力方向，优化凝汽器受力方向

在凝汽器设计和管道设计中，将凝汽器水室循环水管进出水口部分或全部采用水平进出设计，虽然不能消除盲板力，但盲板力的方向不在竖直方向上，可以减小或消除竖直方向的盲板力，如图6 所示结构，前水室左右两侧的接管采用水平对称设计，盲板力对于凝汽器整体而言可互相抵消，中间水室即使采用原设计，循环水管的盲板力也可减小为原来的50%。

图6 循环水接口部分水平设置

3.1.2 采用无盲板力补偿器

将水室接口的补偿器采用特殊形式膨胀节，例如大拉杆横向波纹补偿器，结构如图7 所示，由于拉杆能承受压力推力和其他附加外力的作用，膨胀节自身吸收内压推力，不会对管道产生外力，能够消除管道内压产生的盲板力[3]，该结构可以完全消除循环水管接口的盲板力。

图7 大拉杆横向型膨胀节结构示意图

3.1.3 循环水管道采用无补偿器设计

管道的热膨胀通过管道自身的柔性吸收，例如中南电力设计院采用的无补偿器设计方案，在凝汽器供水、排水管段上各增设法兰，通过法兰以释放循环水管道对凝汽器接口的作用力和力矩[4]，消除循环水管道盲板力。

3.1.4 凝汽器整体配重

凝汽器安装完成后在进行水压试压时，需进行受力分析核算，如果凝汽器整体受力的合力向上，需要在凝汽器热井内进行灌水配重，以平衡循环水管道盲板力的影响。

3.2 内部措施

从凝汽器水室结构上进行防盲板力设计，采用类似大拉杆横向波纹补偿器的结构，在水室接管上设置盲板力平衡装置，在凝汽器水室接管上下设置平衡管，平衡管上方设置膨胀节，上下膨胀节之间用长拉杆连接，形成盲板力平衡装置[5]。

更改凝汽器与低压缸的连接形式，凝汽器采用底部弹性支撑，凝汽器喉部与低压缸刚性连接的方式，消除喉部盲板力。改进凝汽器支座，设计为能承受拉应力的结构，将凝汽器的滑动支座上增加一定数量的螺栓，使得支座不仅能承受压力还能承受拉力。对固定支座、滑动支座的基础及预埋板进行优化，预埋板采用受拉结构，并将凝汽器底板与埋件的连接柱增加焊缝焊牢。

4 结论

凝汽器的喉部接口和循环水管道尺寸规格大，加装普通单式轴向型波纹补偿器后，产生的盲板力在凝汽器的受力中影响较大，需要在凝汽器的设计中与管道设计院充分配合，针对不同工况对整个凝汽器的受力进行分析，并采取相应措施，防止出现凝汽器上浮的情况，给设备和机组带来安全风险。