凝汽器喉部开孔强度的有限元研究
2021-04-03黄立涛黄子鳗
黄立涛 黄子鳗
（东方电气集团东方汽轮机有限公司，德阳 618000）
在我国西北部地区的火电站建设中，多使用空冷机型用于汽轮机排出的蒸汽冷凝工作。凝汽器的使用能够提高火电机组的运转性能，降低事故风险。技术人员对凝汽器喉部开孔强度的有限元分析，能够确定设备运转中是否会发生形变，为凝汽器的改进与维修提供试验数据支持。
1 凝汽器应用与工作原理
凝汽器是将驱动火力发电的气体重新变回凝结水的设备。该设备中，这些对汽轮机做功的蒸汽在凝结阶段自身体积会急剧缩小，造成凝汽器内部出现高度真空，因此对设备外壳提出了较高的要求。这些凝结水会通过循环管道再次作为热介质参与到汽轮机做功，从而完成整个火力发电的热力循环工作。
火力发电中存在较多可能对凝汽器产生负面影响的因素。技术人员必须加强对该设备的分析，尽量减少设备腐蚀现象，以延长火力发电设备的使用寿命。例如：如果这些蒸汽中含有较多的氧气，在蒸汽凝结成后，浓度较高的氧气会对设备的外壳造成腐蚀，因此技术人员通常会在凝汽器内部设置真空除氧器。
现阶段，凝汽器的使用对火力发电具有重要作用，一方面能够实现冷凝水的回收利用，另一方面能够增加汽轮机的焓降，从而提高设备的热利用率。
在凝汽器内部构造中，一般会布置较多的铜管，使得蒸汽会随着铜管的冷却形成凝结水，大幅度降低了凝汽器的内部气体密度，出现较高的真空环境。
2 凝汽器喉部开孔强度测量的重要作用
凝汽器在发电机组中的运用较为普遍。凝汽器喉部是蒸汽的入口，如果该部件发生形变，将会影响整体设备的运行效率。通过对凝汽器喉部开孔强度的测量，技术人员可以对设备进行优化，进一步提升汽轮机的热利用效率，从而为火力发电厂设备更新换代提供数据支持，便于后续改造工作顺利进行。技术人员对凝汽器开孔强度进行测量结果分析可以发现设备的不足，并根据分析结果更换凝汽器的喉部开孔，以避免凝汽器内部形成较高的真空而造成设备受到多种压力的影响出现形变，从而延长设备的使用寿命，避免后续使用中出现安全事故而给火力发电厂带来损失。对凝汽器的强度测量工作有助于分析该设备在大气压力较小的情况下自身结构能够抵抗的外界压力，为后续凝汽器改造方案提供数据支撑，从而提高技术人员的工作效率。
3 凝汽器喉部开孔强度有限元分析
3.1 凝汽器喉部参数
凝汽器收集汽轮机排出的气体，通过冷凝设备将这些蒸汽重新转化成为冷凝水，最后通过管道水泵输送至火力发电机组的不同环节，提高火力发电站水资源利用效率。
在对该设备进行有限元计算时，技术人员需要深入学习ABAQUS软件，结合该软件的使用环境构建三维结构模型，并填充模型材质。在该有限元分析工作中，技术人员将该设备的材料设置为Q235-A材料，密度为7.85g/cm3，泊松比为0.3，并施加应力113MPa。结合现阶段火电厂的使用场景，选择合适的排量，合理设置蒸汽的流速。通过在凝汽器喉部增加两个小孔并外接不同设备，分析该喉部开孔的强度，并结合实际数据判断该操作是否会对凝汽器的内部运作产生较大的负面影响。
3.2 凝汽器模型的确定
在测量凝汽器时，技术人员需要重视对有限元模型的确定，分析该设备在低压环境下自身结构刚度能否达到预期标准。在火力发电厂日常工作中，凝汽器外壳受到外界压力后，自身受力将会发生较大改变。由于凝汽器不同组件的使用环境会随着凝汽器的变化而改变，因此需要技术人员结合凝汽器喉管的使用场景，对外界边界进行约束。设置6个自由度，便于ABAQUS软件对该模型进行计算，有助于技术人员从有限元分析中获得符合现阶段设备需求的分析结果。
在火力发电站使用中，凝汽器的改造升级能够提高热力的利用效率，节约了大量水资源。技术人员对该设备进行分析时，将该模型导入有限元分析软件中，划分好网格，然后按照现阶段火力发电厂的使用场景对该模型施加边界条件，进而分析凝汽器的喉管受力。通过分析试验结果，技术人员能够对改造方案的成效有一个直观的认识。
在软件分析阶段，提供准确的模型对后续分析工作有着较大的促进作用。对模型的设计与现场应用场景的分析，能够为该技术的使用提供便捷条件，提高有限元计算工作的准确性。
3.3 有限元数值模型计算
在对该模型进行分析计算时，技术人员需要对软件的不同提示进行有效处理，从而获得正确的计算结果。使用中，为了提高整体分析结果的准确性，技术人员采用实体单元作为凝汽器的外壳，按照ABAQUS软件操作的要求，对一个标准大气压下的喉管受力与变形情况进行有效分析，获得试验数据。
结合试验数据发现，使用中凝汽器的上部侧板在外界压力的作用下发生了形变。但是，该试验对于凝汽器的内部支撑管的分析结果显示，凝汽器并没有在使用中发生较大的形变，且各部分的受力较为均衡，能够完成该设备在蒸汽冷凝中的重要功能。解读试验数值可以发现，现阶段整体设备形变较小，自身刚度符合需求，但是外部侧板发生了一定的变形。因此，技术人员在对设备的改造中应重视对外部侧板的加固，避免发生形变，进而对内部管道产生一定的负面影响。
ABAQUS软件分析结果显示，在减温减压区域，凝汽器设备受到了较大的应力影响，即在凝汽器上部区域存在一定的安全隐患。技术人员对于该区域受力情况进行准确计算，发现该区域压力达到了288.9MPa。结合凝汽器相关参数可知，它的标准值为339MPa。因此，该设计符合整体需要，喉部开孔后的强度符合凝汽器的使用场景要求。
根据有限元分析结果，为了提高凝汽器的性能，应该在喉部开孔周边添加支撑来提高该部位的刚度，以提高整体管道的稳定性，从而延长该设备的使用寿命。
4 结语
现阶段技术人员对凝汽器喉部开孔的有限元分析，验证了该设备的自身结构在较低的大气压环境下能够胜任蒸汽输入工作，避免在使用阶段由于设备自身性能不足而发生屈从形变，造成进气口孔径变小，进而影响到火力机组的热循环。
