AP1000核电凝汽器管束振动校核分析.pdf

第 56 卷 第 5 期 20 14 年 l 0 月 汽轮机技术 T U l q B IN E T E C H N O LO G Y V ol _56 N o 5 0 c t 2 O l 4 AP1 000核 电凝汽器管束振动校核分析 陈富彬 ， 卢 日时 (1 三 门核 电有限公 司， 三Jl 317112 ； 2 哈 尔滨汽轮机厂辅机工程有限公 司， 哈 尔滨 150090 ) 摘要： 针对核电凝汽器的特殊结构和设备特殊要求， 着重从理论上探讨了核电凝汽器管束振动校核方法， 形成了一 套系统的校核体系及相应的可视化界面程序， 直接应用于AP 1 000 系列凝汽器管束的工程设计 ， 为以后系列化产品 实际设计提供管束防振理论依据。 关键词： AP1 000； 管束 ； 振动； 校核体系 分类号 ： TK264 1 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 10015884 (2014 )05-0340-03 C hec ki ng A nal ysi s of Tube V i brati on for C ondenser of A P 1 000 N uc l ear P ow er C H E N F u b i n L U R i sh i (1 Sanm en N uc l ear Power Com pany Li m i ted ， Sanm en 317112 ，Chi na ； 2 H arbi n Turbi ne A uxi l i ary E qui pm ent Engi neeri ng C om pany Li m i ted ， H arbi n 1 50090 ， Chi na) A b strac t ： F or th e spec i al req ui rem en ts of nuc l ear pow er system and spec i fic struc tures of n uc l ear pow er c onden ser，foc u si ng on theoreti c al l y c h ec k i n g m eth od of tube bu ndl es vi brati on for nu c l ear pow er c o nden ser，fo rm a c hec ki ng system and the c orrespon di n g vi su al i nterfac e program ，w hi c h c an d i rec tl y use fo r engi neeri ng d esi gn of A P 1 000 c ond enser tub e bun dl e s， and provi d e basi c th eory fo r bu ndl e anti vi b rati on desi gn of th e future p roduc ts K ey w ord s ： A P 1 000 ；tu be bu n d l es ； b rafion ；c h ec k i n g system 0前言 凝汽器是电站主要辅助设备之一， 它的作用是将汽轮机 的排汽凝结成水进行工质回收， 同时建立并保持所要求的真 空。通常， 凝汽器为一种将冷热流体进行热量交换的管壳式 换热设备， 其主要特点是体积庞大、 结构复杂、 换热管数量 多。为了保证设备强度， 凝汽器的内部换热管支撑形式复 杂 ， 因此 ， 避免换热管的振动， 保证支撑的稳定性 ， 是凝汽器 安全运行的重要保证。这不仅与凝汽器 的材料、 管束形式、 支撑模式以及流体热物性等有关， 更与内部流场的振动特性 密切相关。凝汽器设计中最关键的便是管束的设计， 既要考 虑管束具有良好的换热效率， 又要避免管束由于流体诱导振 动而导致的破坏。管束振动是一个最重要的研究课题， 因为 管束振动产生的后果很难处理。因此 ， 必须对凝汽器不同的 运行工况、 不同的材质及规格的换热管跨距进行振动分析计 算， 并计算校核凝汽器管板与中间管板支点间换热管的振动 频率、 凝汽器管束 由于蒸汽流动激发的振动频率， 以便选取 最佳管板及 中间管板跨距 。 因而， 对于大型凝汽器而言， 对流体诱导凝汽器换热管 振 动的分 析研究非 常重要 。 管束发生振动主要有 4 种形式， 包括流弹失稳 、 漩涡脱 落共振、 紊流抖振和声学共振 。除声学共振产生的剧烈的 噪声并不会增强换热管振幅外， 其余 3 种机制都与管束振动 蝠值查 。 王这 垒弛振动扭制， 已有各 自的计算体系， 计 收稿 日期 ： 2o1312-26 算公式也很繁多 (包括几何参数 、 经验系数 以及各类图表 等) ， 计算系统复杂， 不利于分析。 根据 4 种振动机制的原理 ， 对凝汽器管束振动校核方法 进行了深入的研究和总结， 形成统一的系统的校核分析体 系， 可用于凝汽器设计过程中的振动校核分析。本文采用该 系统并对某AP 1 000 核电项 目凝汽器管束进行 了振动分析 ， 并 按照 H EI 表面式凝 汽器标准 (H EAT E X CH A N G E 1N STITU TE IN C Standards fo r Steam Surfac e c ondense )对凝 汽器 管 板及中间管板跨距进行了校核， 为凝汽器管束的实际工程设 计提供参考依据。 1 A P1 000核电凝汽器设计边界参数 中国首台A P1 000核电项 目凝汽器为三壳体、 单流程 、 单 背压形式， 由日本三菱公司设计， 由哈电股份下属哈汽公司 技术转化后进行生产制造并交付电厂组装 ， 其凝汽器(单个 壳体)与管束振动分析相关的设计边界参数列于表 1。 2 A P1 000核电凝汽器管束振动分析 以AP 1 000 核 电凝 汽器 管束 振动分 析 为例 ， 介绍 振动 校 核过程 。 已知A P 1 000核电凝汽器整体结构、 管束以及蒸汽、 冷却 水等相关参数， 确定关注区域(所需校核区域)， 依据相应计 算公式和判据来对管束进行振动校核。 作者 简介 ： 陈富彬 (1969一 )， 男 ， 高级工程师。现三门核 电有 限公 司从事核 电设备采购管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 换热管数据 管 材 管外径管壁厚管材密度管弹性模 量 D ， m m 6 ， m m P ， kg m E ， P a 25 4 0 5 0 7 4 5 12 1 0 2 7 10 1 蒸汽流量 (设计 工况) Qd ， kg s 其它数 据 进 口冷却水进 口蒸汽压力 管 的模态 阶数 汽轮机排汽 口 温度 ， P。 ， kPa n 面积 F ， m 钛管 A SM E SB338 G r 2 324 88 2O 4 4 1 92 2 2 1 分析流程 针对A P1 ooo核电凝汽器具体管束振动分析， 制定了标 准分析流程 ， 如图 1 所示。 、 ， 。 输入已知参数 (管束和壳体 ，骢室越 竖撼、 一 冗何 篆 蒸 汽葙 基 (管束布 置前沿) 笨参薮 ： -柯 桎参 薮 I 计算管的固有频率 临 vlv 5 亡 计 算 临 界 转 速 v 一 0 是 ： 二 I 一 士 振 I 计算漩涡脱落引 起的振动峰值 ， I 计算紊流抖振引 起的振动峰值 一 亡 求 一 士 求 图 1 管束振动校核分析 流程 图 2 2 A P1 000核 电凝汽器 管束振 动分析 在系统的不同计算模块中， 输入需要的参数数值， 进行 相应的分析计算。计算结果分析如下： (1)流弹失稳分析 根据理论分析 ， 流弹失稳的条件是实际速度 u 大于临界 速度 的 1 4 (即 v v 0 5 ) 时即会发生流弹失稳。根据 A P1 ooo核电凝汽 器结构参 数计 算， = 3 3488 rrd s V= 148 7 58 3m s ， v v ， = 0 022 5 0 5 ， 所以该结构不会发生流 弹失稳， 该项振动分析安全， 结果如图 2 所示。 (2 )声学共振分析 声学共振发生的条件是以漩涡脱落频率 和紊流抖振 频率 = 与壳体谐振频率 的 比值来判定的， 当满足条件 0 ， 1 2A 或0 8f, 1 2f, 即发生声学振动 。 根据A P1 000 核电凝汽器的相关结构参数， 进行振动分 析计算 ， 计算 = 17 97 H z， = 38 234 8H z， ：39 844 3 H z， 即 = 0 47 f,6 = 0 45 ， 均在 0 8 1 2 的区间之 外， 所以该结构不会发生声学共振， 该项振动分析可靠， 结果 如 图 3 所示 。 (3)漩涡脱落共振分析 漩涡脱落引起的换热管振动的条件是换热管振动幅度 。至0 02D 。根据A P1 000核电凝汽器结构参数计算， y1= = 0 oo0 19ra m ， 而凝汽器换热管外径为25 4m m ， 0 02D ， 因而该结构不会发生漩涡脱落共振， 结果如图4 所示。 l 0 。 10 哒 蚓 置l0 龌 椿 10 。 70 6 o 5 0 40 喜30 20 10 0 ： !： !； !I： ； ! El l ! !i 晕!； 聱醛!： ； _-_-_。 -_ -。 _J- -_ -。 -_- 。 l gl l ： l i ： ； ； l ； l l ； ； I靠； 磊l gl l ； !； g 篓篓雯 篓琴篓篓 篓 霎 10 0 10 质量阻尼系数 犏茸 ： 501 0 5 10 l 5 20 25 30 3 5 运行状态数 图 2流弹失稳分析结果 图 3 声学共振分析结果 (4 )紊流抖振分析 紊流抖振引起的换热管振动的条件是换热管振动幅度 三O 02D 。根据A P1 0oo核 电凝汽器设计边界参数计算， y， ， = 0 000 104m m ， 而凝汽器换热管外径为25 4 m i l l ， 0 02D ， 因而该结构不会发生紊流抖振 ， 结果如图5 所示。 基于凝汽器管束振动机理， 通过该分析系统对AP1 00o 核电凝汽器进行了管束振动分析， 分别针对流弹失稳 、 声学 振动、 漩涡脱落振动以及紊流抖阵几个方面对凝汽器管柬振 动进行了全面的分析 ， 分析结果表明， AP 1 000 核电凝汽器的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 342 汽轮机技术 第 56 卷 童 嶙 幅 度标 撵=0 029； _ _ 一。 _ 一1 _ 一_ r _ 一_ - _ ： ： 06 05 董 04 0 3 02 0 1 0 图4 漩涡脱落共振 分析结果 幅度 标滩=00 ： ： 0 5 10 15 2 0 25 30 3 5 运行状态数 图 5紊流抖振分析结果 结构设计合理， 不会发生管束振动问题。 3 A P 1 000核电凝汽器管板及中间管板跨距 校 核 参考 H E I表面式凝 汽器标准 (H E AT EX CH AN G E INST I TUTE IN C Standards for Steam Surfac e Condensers) ， 对凝 汽 器管板及中间管板跨距进行了校核。 3 1校核原 则 H EI 的校核方法基于以下限制： 换热管振动的振幅为管 节距的1 3 ； 汽轮机排汽口的排汽流速为声速； 考虑换热管材 质和规格的影响。基于上述限制计算得出的中间管板跨距 为 ， 则实取的中间管板跨距不超过1 05L ， 管板与中间管 板间的跨距不超过1 18L 。 3 2计算过程 (1)计算排汽口蒸汽流速达到声速时的蒸汽比体积 ： V = 123 6V Q = 35 1m kg。 (2 )按 确定相应的饱和压 力 P ， 为3 97kPa， 即 为达 到 声速时的最高压力。 (3)根据P 查图表 ， 得到中间管板的基本跨距 约为 7 92 m m 。 (4 )根据 P 以及换热管数据 ， 查 图表得到 以下修正系 数 ： 压力、 换热管规格修正系数 K 。 = 0 981， 管节距修正系数 = 1 126， 管材修正系数 =0 987。 (5)计算中间管板跨距 L = L6K 。 K2K 3= 863m m 。 (6)很 明显 ， 实取 的中间管板跨距 ， 以及管板 与中问管板 跨距均符合 3 1 中的要求。 经过校核 ， A P1 000核 电凝 汽器的管板 、 中问管板 跨距 明 显低于 H EI 表面式凝汽器标准规定的限制值 ， 能够满足防振 的要求。 4 结论 AP 1 000核 电凝汽器管束、 管板及中间管板跨距设计合 理， 该结构设计可以保证设备运行期间不会因为管束振动而 导致设备失效或是发生安全性问题。 参 考 文 献 1黄政管壳式冷凝器振 动与噪声特性研 究 D 哈尔滨 ： 哈 尔滨工程 大学 ， 2008 2 钱颂 文换热器 流体诱 导振动基础 M 武汉 ： 华 中工学 院出 版社 ， 1988 (上接第 339 页) 参 考 文 献 1 BAUM AN N K Som e Rec ent Devel opments i n Large Steam Turbi ne Prac ti c eJEng， 1921， 11： 435 448 2蔡颐年蒸汽轮机M 西安 ： 西安交通大学 出版社 ， 1988 3 T A N U M A T T he R em oval of W ater from Steam T urbi ne Stati onary Bl ade