某电厂660MW超超临界机组凝汽器单侧顶起原因分析及处理

　　某电厂660MW超超临界燃煤机组凝汽器为N-38000-21型,采用单壳体、单背压、双流程、双进双出表面式结构。底座采用刚性支座,下部中心布置死点座,运行时允许以死点座为中心向四周自由膨胀。喉部与低压缸通过不锈钢补偿节柔性连接,可补偿凝汽器在竖直方向的热膨胀。循环水循环方式为间冷塔闭式循环,间冷塔内布置有高位补充水箱,三台卧式循环水泵按两用一备设计[1]。与凝汽器前水室相连接的循环水进、回水管均在垂直段布置有波纹膨胀节,回水管连接于水室上部,进水管连接于水室下部。

　　基本参数如下:凝汽器循环水进、回水管规格为2200×18mm,即内径R=2164mm;最顶排不锈钢管中心线标高5368mm,与水室顶标高基本一致;主机循环泵入口压力0.3MPa;主机循环泵出口压力0.5MPa(双泵并联);凝汽器自静载荷G1=700t;凝汽器运行载荷G2=700t(运行时载荷已计入真空吸力,已考虑喉部及低加重量);凝汽器底板尺寸12000mm×8700mm;低压缸排汽口尺寸7580mm×7130mm;凝汽器支墩1300×1500mm四个,1100×1100mm四个。净重时受力(67+108)×4=700t,运行时垂直方向受力不变,水平方向承受水平力分别为16.2t和10.05t;循环水进、回水管道从循环水坑上翻弯头处如图1,支架与管道、支架与基础埋件全部满焊。

　　1 主要现象及问题

　　第一阶段:循环水系统注满水未启动循环水泵时,与凝汽器前水室连接的循环水回水管道垂直段上的波纹膨胀节即出现明显被拉伸现象,膨胀节限位拉杆未失效;循环水进水管道垂直段上的膨胀节出现小幅被拉伸现象,膨胀节限位拉杆未失效。

　　第二阶段:循环水泵启动试运行期间单台泵运行,两根回水管上的膨胀节限位拉杆固定板全部被拉断,膨胀节被拉伸至波纹不明显;两根进水管上的膨胀节与第一阶段相比无明显变化。循环水泵停运后回水管上膨胀节有明显回缩,基本会到第一阶段状态,进水管上膨胀节无明显变化。

　　第三阶段:吹管期间,真空泵启动一台,汽轮机轴封投用,盘车启动,两台循环水泵同时启动,回水管膨胀节被拉伸状态进一步增大;进水管膨胀节与第二阶段相比无明显变化;凝汽器支撑从中心死点向A列方向四处全部出现间隙,最大处超过5mm。

　　2 凝汽器受外力分析

　　循环水侧满水情况下静压头对凝汽器的抬升力F1。间冷塔高位水箱水位水位标高约h1=33000mm,水室顶标高h2=5368mm,标高差h=h1-h2=33000-5368=27632mm。间冷塔循环水系统满水引起的静压P1=ρgh=1×9.8×27632×10-6=0.27MPa,盲板力作用于水室的有效面积S为4倍管切面投影,即S=4πr2=πR2=3.14×21642=14704293mm2≈14.7 m2,所以,F1=P1S=0.27×106×14.7=3969000N≈397t。

　　循环水泵启动情况下对凝汽器的抬升力F2。循环水泵启动情况下只按照出口压力计算即可,因为入口压头已转换为出口压力。取值P2=0.5MPa,即5kg/cm2,沿程阻力损失暂按10%预估。F2=P2×S×(1-0.1)=0.5×106×14.7×0.9=6615000N≈662t。

　　真空状态下的大气对凝汽器托起力F3。凝汽器运行真空选定P真空=80kPa(间冷机组夏季运行数据),大气压取新疆准东地区当地平均气压P0=93kPa,气压差作用面积有效计算尺寸应为低压缸排汽口尺寸,即S3=7580mm×7130mm≈54m2,所以,由于真空引起的凝汽器抬升力F3=P真空×S3=80000×54=4320000N≈440t。

　　3 分析

　　第一阶段中进、回水管垂直段的波纹膨胀节的拉伸变形为盲板力F1引起,由于此时凝汽器本体未被顶起,且回水管膨胀节(在高处)变形量远大于进水管膨胀节(在低处),说明此时回水管上部、凝汽器喉部已产生较大变形;第二阶段中盲板力进一步增大,从膨胀节变形量对比可看出回水管上部、凝汽器喉部变形量在进一步增大;第三阶段凝汽器受盲板力F2和大气托起力F3共同作用,且凝汽器处于热态,通过现象变化分析此时凝汽器中心死点受较大水平推力和垂直提升力,回水管上部及凝汽器喉部变形已无法完全消化外力作用,导致外力对凝汽器本体产生力矩作用,致使凝汽器单侧被顶起;假如回水管上部及凝汽器喉部有足够支撑强度,根据盲板力与凝汽器自重及外加凝结水、循环水重量的对比可知,凝汽器本体在第二阶段就应被顶起,且在第三阶段被顶起量应该加大。

　　由此可得出初步结论,即凝汽器喉部刚度不足,如继续运行有导致凝汽器喉部与低压缸连接的周圈金属波纹膨胀节及导流板变形、撕裂的风险,严重时可能引起低压外缸变形或位移,直接影响低压轴封间隙而引起运行机组的振动或停机;另外可得出结论,循环水进、回水管垂直段所设置的金属膨胀节未起到限制或部分消化外力直接传递到凝汽器本体的作用,应属于不合格产品或设计错误产品,需更换。通过以上分析和得出的初步结论,与设计院和厂家设计部门联系,要求设计院对管系及膨胀节的设计进行重新确认,要求厂家对凝汽器喉部支撑强度进行重新确认,所得结论与分析所得初步推断基本一致。

　　4 结论、处理方案与总结

　　设计院经现场勘查及计算后回复:进、回水管垂直段所安装金属膨胀节在原设计时未充分考虑盲板力对其造成的拉伸,后期会设计符合要求的金属膨胀节进行更换,并出具临时处理措施;凝汽器厂家设计部经过计算后回复:凝汽器喉部补偿节内支撑设计强度不足,需重新增加支撑管以加大喉部强度。

　　处理方案:进、回水管垂直段膨胀节采取临时限位措施,将原来的4×φ22限位螺杆更换为16×φ36细牙螺杆,限位板与管壁补强焊接,在凝汽器未被顶起状态的最大拉伸量的基础上将压缩方向放开,在继续拉伸方向限死。这样既能保证机组在整套启动和168试运行期间膨胀节安全,也能保证进、回水管最底部弯头与底座的焊接死点处消化部分盲板力,保证凝汽器不会再次被顶起。待完成机组168小时试运行后停机冷态更换合格膨胀节。根据厂家计算结果,要求对凝汽器内部支撑管进行补强,在原支撑管下方100mm处重新增加支撑管。新增20#钢φ108×8无缝管用量256米,Q235Bδ=20mm钢板用量4m2。焊接完毕后对喉部膨胀节、导流板进行检查,确认无误后进行灌水试验,灌水试验合格即可以再次启动。

　　此次造成凝汽器在运行期间被顶起的主要原因是膨胀节设计不符和凝汽器喉部支撑设计刚度不足,且安装单位针对这两点均在安装期间产生过疑义,但由于未经过精确理论计算而没有坚持让相关单位进行核算,以至于出现既成事实的结果,所以丰富的经验辅以精确的理论计算才是正确施工的保障。