火电厂超临界机组四大管道应力分析研究

火电厂超临界机组四大管道应力分析研究

张雯

(西北电力设计院有限公司陕西西安710075)

【摘要】随着火力发电机组朝着大容量，高参数方向发展，为确保管道设计的安全性、经济性，管道应力计算分析已成为超临界机组设计中的核心组成部分。本文针对火电厂超临界机组设计，采用国际通用应力分析软件CAESARII对火电厂四大管道的管道系统进行模拟计算及应力分析，并得出最大应力点可能出现的位置，通过管道合理设置支吊架及调整限位的方法，提出减小控制一次、二次应力、偶然荷载对管道系统影响的措施与方法。

【关键词】超临界机组；四大管道；应力分析

0引言

随着我国经济的不断迅速发展，提高火力发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本已成为必然趋势。大容量、高参数超临界机组能很好的满足这一要求。对于火力发电机组而言，当大于水临介状态点参数（压力22.115MPa，温度374.5°C）时，称之为超临界机组。目前国内常规的超临界机组蒸汽参数一般为24.2MPa/538°C/566°C，使用CAESARII管道应力分析软件，它可进行管系在承受自重，压力载荷、热态载荷、动态载荷（汽锤、地震、安全阀排气反力）等情况下的计算分析，从而大大提高管道应力分析[1]的速度和准确性。

1四大管道应力的设计与规范

CAESARII是以材料力学、结构力学、弹塑性力学、有限元、管道应力分析与计算等为基础，专门用于整体管道系统应力分析的专业软件。该软件已在电力、石油、化工等工业管道设计中获得广泛的应用，其计算的准确性得到了国际认证。

根据外加荷载的类型，管道应力分析可分为：静态分析和动态分析

1.1静态分析

静态分析是对缓慢施加到管道系统的持续载荷（例如管子、介质、阀门、管件和保温结构的重力等），使管道系统有足够的时间来响应，并在系统内部分配这类荷载，同时使系统保持平衡状态。并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。

1.2动态分析

动态分析是指在动态载荷作用下对管道系统瞬态响应情况进行的安全分析，其目的是使动态载荷对管道系统的影响得到有效的控制。动态载荷是指随时间快速变化的载荷，例如水（汽）锤、地震以及安全阀排汽反力等载荷，管道系统没有足够的时间在内部分配载荷，力和力矩不能平衡，导致管道系统发生振动。

（1）动态汽锤力

国内超临界机组的主蒸汽、再热热段、再热冷段及高低压旁路管道应进行动态汽锤力应力分析；可按下列计算方法进行计算。

Kv表示阀门流量系数m3/(h)；Q表示体积流量m3/h；ρ表示管内介质密度kg/m3/1（kg/m3）（无单位）；P表示压力bar；G表示质量流量kg/h。

Kv与Cv之间的转化关系：Cv=1.16Kv其中Cv表示阀门流量系数gallon/min(PSI)0.5

（2）安全阀和释放阀的排汽反力

排汽反力应根据厂家提供资料或排汽反力计算结果，按集中荷载输入，阀体自身重量应采用赋质量的刚性体进行模拟。

（3）地震荷载

对于建设在8度及以上地震烈度地区的电厂，四大管道的应力分析应考虑地震荷载。地震荷载采用静力法计算。

2某火电厂600MW超临界机组四大管道应力计算及分析

针对某火电厂600MW超临界机组设计中，结合本人在设计工作中的经验，使用CAESARII软件对超临界机组四大管道进行设计，从开始建立计算模型，分析管系中一次应力（SUS)、二次应力(EXP)、偶然荷载(OCC)产生的应力及力矩等几个方面进行分析。

2.1管道的建模设计

首先根据管道布置图，用CAESARII建立应力计算模型，对管道进行支吊架布置及选型。支吊架是管道系统的一个重要组成部分，主要起着承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动等作用。管道支吊架型式包括刚性支吊架、弹簧支吊架、固定支架、导向装置、限位装置、减振装置以及阻尼装置等。

2.2管道的应力计算

管道应力分析除管道在内压、自重和其他外载荷作用下所产生的一次应力(SUS)和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力(EXP)之外，管道计算还应考虑偶然荷载时产生的应力，以及管道对设备产生的推力和力矩，使设备处于安全承载范围。

2.3管道应力计算结果

使用CAESARII软件对超临界机组四大管道中的一次应力(SUS)；二次应力(EXP)对设备的推力和力矩，在冷状态下和在工作状态下等可能出现的最大值；偶然荷载(OCC)瞬间所产生的应力进行了计算。其计算结果：①主蒸汽、再热冷段的应力水平：一次应力（90.9%）最大应力点出现在靠近汽轮机支管弯头处、二次应力（110.0%）最大应力点出现在主蒸汽管道与汽轮机主汽阀接口处；动态荷载（汽锤120%）最大应力点发生在主汽与高旁支管三通处。②再热热段二次应力（98.8%）最大应力点出现在靠近锅炉三通汇合处；动态荷载（地震130.5%）最大应力点发生在再热热段管道与再热器出口集箱处，应力水平很高；③管道设备的推力与力矩在工作状态下力矩Mx及Mz超出设备厂家允许的最大范围。

3四大管道应力分析与优化

通过对到整个管道系统应力分析，且结合上述存在的问题，提出以下几个解决措施：

3.1应在主蒸汽管道Y型三通附近选择适当位置（两支管间设置一个Y方向限位），可使一次应力(SUS)水平由原来（90.9%）降至（63.8%），而二次应力(EXP)水平也减小了许多（为80.3%）。管道对汽轮机主汽阀接口产生的推力矩Mx及Mz得到大大改善，并满足设备接口要求。

3.2动态荷载（汽锤120%）发生在主蒸汽与高旁支管三通处，经分析在主蒸汽管道上增加一个X方向阻尼器，动态荷载（汽锤原为120%）减小至（汽锤80.30%），再热热段应力水平合格，满足设计要求。

3.3应在再热热段锅炉三通汇合处向下1米~2米立管且便于生根的结构层处尽可能设置Z向限位推拉杆，可减小锅炉三通处二次应力(EXP)，同时可提高管系的刚度，也避免应弹簧支吊架失效，造成管系下沉或上移。考虑实际运行中荷载分配的不确定因素，建议刚性支吊架结构荷载及拉杆、连接件选型荷载按两倍的工作荷载[2]。

3.4.当动态荷载（地震130.5%）最大应力点发生在再热热段管道与再热器出口集箱处，应力水平很高时。需在应力最大点附近设置阻尼器，从而减这些偶然荷载对管道的冲击破坏。

3.5当设备接口承受过大的力与力矩或管道位移较大时，可选用限位装置，以减小管道因热胀力所引起的，对设备接口产生的推力和力矩。当管道热态位移较大时，应根据实际情况限制管道的径向与轴向位移，选用限位装置[3]。限位装置不宜设在弯头和支管连接处，支架型的限位装置与根部之间应预留冷态间隙，其值应考虑管道径向和支架的膨胀量。当对管道一个方向进行约束时，冷态间隙应预留在与预定约束相反的方向上；当对管道两个相反方向同时进行约束时，应在管道两侧预留相同的冷态间隙。此外，限位装置设置间隙调整时，不能使设备接口力与力矩超出设备厂允许值。

4结束语：

本文通过对某电厂600MW超临界机组四大管道应力分析与计算，阐述了各应力出现情况及应力分析，指明了如何减小及控制管道系统、支吊架在静态、动态力及管道膨胀时，如何合理的选择与设计等问题。从而对管道应力进行计算调整，并取得了显著效果。

参考文献：

[1]王致祥管道应力分析与计算[M].北京:水利电力出版社,1983.

[2]徐斌杨轶西北电力设计院热机室汽水管道应力分析.

（ES-T-MELD-201102）2011年2月.

[3]刘立成马欣强西北电力设计院企业标准支吊架选型计算导则（ES-T-02-MD-1117）2009年12月