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直接空冷系统排汽管道的有限元分析

发表时间:2013/01/16 来源:安世亚太   作者:李艳艳  黄志国  
本文应用大型有限元软件ANSYS对某电厂直接空冷系统中的排汽管道进行了有限元分析,对其在不同组合工况下的强度进行了校核,校核结果满足材料的屈服极限值和许用变形要求;并对不同组合工况下的应力分布进行了对比,得出最危险工况组合,进而改进设计工作。

1 直接空冷系统

 

    直接空冷是指火电厂直接采用环境空气来冷凝汽轮机排汽的冷却系统,采用直接空冷的机组称为直接空冷机组。汽轮机排汽通过排汽管道送到室外的空冷凝汽器内,轴流冷却风机使空气流过散热器外表面,将蒸汽冷凝成水,凝结水再经凝结水管道送回汽轮机的回热系统。

 

2 排汽管道结构

 

    如图1所示为某电厂空冷系统排汽管道结构,该装置的主要构件有:焊接钢管、异径三通、带导流板弯头、钢制异径管以及膨胀节和支座。整个装置高约60米,长约85米,由一根主管道和七根支管组成,大管道钢板材料均为碳钢,型号为Q235。

 

    该项目中汽轮机入口选用了特殊形式的膨胀节,故而在连接处涉及到方变圆的情况,详细结构如图2所示。

 

 

3 有限元分析

 

    本文使用有限元分析软件ANSYS进行建立模型、划分网格、定义边界条件、求解并后处理。主要用到的单元有SHELL181,BEAM188,CONBIN7等。

 

3.1 有限元模型

 

    由于排汽管道主要是由板件焊接而成,故采用壳单元比三维实体单元更适合建立该有限元模型。为了计算的精确,主体采用精度较高的四边形面单元,另外还在四边形单元不适用的部分区域采用三角形单元过渡,从而保证整个模型的网格质量。排汽管道有限元模型如图3所示:

 

3.2 膨胀节模拟

 

    在排汽管道中多处设置了膨胀节,膨胀节主要起到吸收变形能、降低热膨胀对结构带来不利影响的作用。由于膨胀节本身的结构形式比较复杂,作者在计算过程中对其进行了简化,使用多节点约束单元和弹簧单元组合在一起模拟出膨胀节的受力状态,多节点约束用于模拟端口处的连接,通过赋予弹簧单元相应的刚度和质量点单元的质量可正确反映膨胀节的力学特性,如图4所示。

 

3.3 定义边界条件

 

    周边设施包括汽机房排汽装置和蒸汽分配管,排汽管道和它们的接口处的自由度通过多点约束方法来进行约束,如图5和图6所示。

 

    排汽管道的主管底部共有十处支座,如图6所示。分别根据设计要求对其进行了自由度约束,在施加约束的时候同样应用了多节约束方法传递位移约束,如图7所示。