1000 MW直接空冷机组排汽管道CAESAR II整体应力分析

钟文英，雷平和，刘 利

(北京国电华北电力工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

随着我国空冷电站的快速发展及运行经验的不断积累，空冷岛已逐步实现国内自主设计。排汽管道作为空冷岛重要的系统和部件，其管线布置是否合理，强度是否满足设计和使用要求，直接关系到电厂运行的可靠性和安全性。目前，国内1000 MW空冷机组尚在设计和制造阶段，排汽管道尚无设计和运行业绩。本文针对1000 MW空冷机组的排汽管道，采用CAESAR II管道应力分析程序进行排汽管道的整体应力分析和补偿器的选型计算，通过计算分析，得出设备接口和各个支吊点的受力情况，为1000 MW直接空冷机组的自主化设计积累经验，奠定基础。

1 CARSAR II整体应力分析目的和主要内容

1.1 目的

空冷排汽管道与发电厂常规汽水管道不同，虽然温度压力较低，但具有直径大、壁薄、外压真空管道的特点。因此，在计算中具有许多特殊性，已超出了常规应力分析软件的使用范围，且国内常用的应力分析软件无法进行补偿器的选型计算。采用CAESAR II管道应力计算程序可进行排汽管道内压及外部荷载（真空推力、摩擦力、风荷载、地震荷载、差异沉降等）的分析及组合计算，可解决波纹补偿器及减震器选择及受力计算，设备各接口推力和力矩计算，支吊架（包括非线性约束）荷载和位移计算等，为设备和材料的定制提供依据；同时也可为使用ANSYS对排汽管道进行局部和整体应力分析提供外部荷载资料。

1.2 计算分析范围

从汽轮机排汽装置出口至空冷凝汽器蒸汽分配管入口（或者分配管上固定支架处）的管道，包括2个排汽管道之间的平衡管道、波纹管膨胀节、阀门和附件、支吊架等。

1.3 计算分析主要内容

CAESAR II整体应力分析主要包括以下内容：排汽管道设计参数的确定；管道材料确定；管径、壁厚的选择计算及加固肋的选型计算；排汽管道布置；CAESAR II模型的建立和分析计算。

2 原始参数的确定

2.1 设计参数

（1）排汽管道设计压力为管道内外的最大压差。通常，排汽管道设计压力负压取-0.1 MPa(g)，正压取＋0.05 MPa(g)[1]。

（2）排汽管道设计温度为120℃[1]。

2.2 管道及附件材质确定

本计算中排汽管道材料选择工程中最常用的材料Q235-B。

2.3 直管管径、壁厚、加强圈型式及间距的计算

管径主要根据汽轮机排汽参数和排汽流量计算确定。主管管径为DN7600，支管管径为DN3400。

直管管道壁厚及加强圈型式、加强圈间距的计算按GB150－1998《钢制压力容器》第6章受外压圆筒设计计算标准设计[4]。相应的计算软件采用全国化工设备设计技术中心站提供的《过程设备设计计算软件SW6—1998》[5]，也可采用手工计算。

3 排汽管道布置

本文中采用的1000 MW排汽管道布置见图1。

4 CAESAR II应力分析计算

4.1 管道模型的建立

采用CAESARⅡ进行排汽管道应力分析时，管道模型的建立方法与常规汽水管道相同。

排汽管道由于具有其特殊性，需进行补偿器选择计算、还需考虑基础差异沉降位移、风荷载、地震荷载、支架摩擦力等的影响。

4.1.1 端点附加位移

排汽装置及空冷凝汽器均视为设备，其接口处的附加位移参与管道受力分析计算。设备接口端点附加位移应考虑热膨胀、设备沉降及风载、地震引起的位移，并按计算工况进行叠加组合。

4.1.1.1 设备接口附加热位移

排汽装置接口热膨胀引起的热位移为

空冷凝汽器接口热膨胀引起的热位移为

4.1.1.2 设备差异沉降引起的附加位移

汽机房和空冷平台之间的差异沉降对于排汽装置接口的推力、力矩的影响很大，因此在计算排汽管道需模拟差异沉降。

设备差异沉降引起的附加位移值在工程中根据实际的地基土物理特性、地基处理方式与土建专业协商确定。本文中差异沉降以100 mm为例进行计算。

4.1.1.3 风和地震工况附加位移

由于风和地震引起空冷凝汽器接口的水平位移考虑x和y 2个方向，该位移值只在地震或风工况起作用，位移取正负值，其值的大小由地震和风荷载条件决定。

4.1.2 风荷载

考虑到整个空冷岛的设计与土建专业的标准协调一致，风压计算按照《建筑结构荷载规范GB50009—2001》[2]，同时参考ASCE 7—2005规范进行修正[1]。垂直于露天管道表面的风荷载标准值按下述公式计算：

式中：A为安全系数，取1.15。其他符号的定义见GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》[2]。

将不同高度的风压输入CAESAR II计算程序中进行风载计算。模型中，只对室外管道计算风荷载，汽机房内管道不考虑风荷载。

4.1.3 地震

CASERII程序对地震可采用静态分析和动态分析2种方法计算，本报告按静态法计算。地震加速度取0.15 g。

4.1.4 补偿器的选择

由于空冷排汽管道直径较大，管道刚性较大，管道的热胀变形、建筑物基础差异沉降引起的变形、地震和风载引起的变形均无法通过管道走向改变或管道的自身变形来吸收，需要设置补偿器来吸收管道在各种工况下的位移。而补偿器型式的选择既要满足管道应力补偿的要求，又要考虑周围空间大小、补偿器价格等因素，需多方面综合考虑。

本文主要采用铰链式补偿器，通过补偿器的角向变形来补偿管道的位移，同时消除补偿器盲板力的影响。

由于补偿器为成品采购，因此，报告中只对补偿器进行简化模拟，以达到管道应力分析的要求。补偿器的详细计算和设计由设备制造厂完成。

4.2 荷载组合工况及计算

4.2.1 荷载工况的确定

在CASERII中利用代数组合工况可以将基本载荷工况的结果进行组合，形成各种组合工况。

4.2.1.1 正常荷载工况组合（无偶然荷载工况）

正常载荷工况应考虑自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）、弹簧附加力（H）等载荷分量，并由这些载荷分量组合出选弹簧工况（HGR）、运行工况（OPE）、持续工况（SUS），并根据运行工况和持续工况组合出膨胀工况（EXP）。载荷分量中位移（D）、温度（T）、压力（P）包括冬季运行、夏季运行、设计值等工况下取值。

4.2.1.2 偶然荷载工况组合

偶然荷载包括风荷载和地震荷载。按照ASME B31.1[3]的规定，风荷载和地震荷载不考虑叠加，分别与正常运行荷载单独组合。

（1）风荷载工况组合。

风荷载工况除了自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）、弹簧附加力（H）等载荷分量外，还包括+X、-X、+Y、-Y向风载分量。工况组合时应取正常工况中最危险工况对应的载荷分量与风载分量组合。

（2）地震荷载工况组合。

地震荷载工况除了自重（W）、位移（D）、温度（T）、压力（P）、弹簧附加力（H）等载荷分量外，还包括+X、-X、+Y、-Y、+X+Y、+X–Y、-X+Y、-X-Y向地震载荷分量。工况组合时应取正常工况中最危险工况对应的载荷分量与地震载荷分量组合。

本文中以地震加速度为0.15 g为例进行计算。

4.2.1.3 差异沉降工况组合

汽机房与空冷平台的差异沉降值作为单独的工况计算后，分别取正、负值与上述正常运行工况（OPE）、地震工况（OPE+U）、风荷载工况（OPE+WIN）进行叠加，计算出差异沉降对上述工况的影响。

4.2.1.4 空冷平台钢结构水平位移工况组合

对由地震或风引起的空冷平台钢结构X和Y向水平位移分别取值，该工况只在地震或风载工况起作用，位移方向与地震作用方向一致。与偶然荷载的组合方式相对应，地震位移作为单独工况计算后分别取正、负值与上述正常运行工况（OPE）、地震工况（OPE+U）、风荷载工况（OPE+WIN）进行叠加，计算出钢结构水平位移对上述工况的影响。

4.2.2 荷载组合工况

CAESAR II提供的基本工况为冷态（SUS）工况、运行（OPE）工况、热胀工况（EXP）工况和偶然荷载（OCC）工况，用户可根据这些基本工况组合出所需要的各种工况，如SUS+OCC工况，OPE+OCC工况，等等，以校核一次应力及热胀应力范围（即二次应力），得出管道上各约束在各个工况下的受力、各点的位移等等，具有很高的灵活性，为用户提供极大的方便。

5 结论

通过上述工况组合计算后，从CAESAR II输出文件中可以得到各个工况的位移、约束载荷、应力和弹簧表等结果文件，可为下一步的支吊架设计、补偿器的选型、弹簧选型提供依据。

由于CAESAR II程序将管线作为杆件处理，与实际情况有一定的偏差，因此，该程序只能进行整体的受力分析和应力评判，而各个零部件的强度是否满足要求需通过局部应力计算才能得出结论，因此，CAESAR II程序计算是整个排汽管道设计的基础，但不是最终的手段。对每一种布置型式和规格的排汽管道，还需通过有限元的分析计算来判断整个管系的安全性。

[1]Q/DG1-A006.3－2007大型直接空冷系统设计导则第3部分直接空冷系统排汽管道设计导则[S].

[2]GB 50009－2001建筑结构荷载规范[S].

[3]ASME B31.1－2007动力管道[S].

[4]GB 150－1998钢制压力容器[S].

[5]SW 6－1998过程设备设计计算软件[S].全国化工设备设计技术中心站.

[6]刘官郡.火力发电厂直接空冷的几点思考[J].电力建设，2007，28（6）：69-72.

[7]王吉特，温志鹏.火电厂空冷岛钢结构平台抗震分析[J].电力建设，2007，28(6)：61-64.

[8]丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京：水利电力出版社，1992.

[9]SDGJ 6.T—1990火力发电厂汽水管道应力计算技术规定条文说明[S].

[10]DL 5204—2005火力发电厂油气管道设计规程[S].