使用CAESARⅡ对火电厂主蒸汽管道的动态分析.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 3期 总第 2 1 4期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 S e r ． No ． 2 1 4 使用 C AE S ARⅡ 对火电厂 主蒸汽管道的动态分析 Dyn a mi c Ana l y s i s of M a i n St e a m Pi p e i n The r ma l Po we r Pl a nt s by CAESAR 1 『 郑 明秀 ， 刘 赞 东北 电力设 计 院 ， 长 春1 3 0 0 2 1 摘要 以某工程 6 0 0 Mw 火力 发电机组 主蒸汽 管道为例 ， 使用 C AE S AR i t 应力 分析软件对 动态 载荷 进行计算 。 用 C AE S ARⅡ软件计算 管道 的固有频 率 ， ～ 阶固有频率远 低于汽水管 道设计技术规 定 ； 应用 频谱 分析的方法来 分 析管 道的动态载 荷如安全 阀排汽反力 、 管道汽 锤力 、 风载荷 、 地震 载荷等 ， 安全 阀排汽工 况阻尼器 受力大于原设 计 值 、 针对管道汽锤力 而设 置的阻尼器受力均 比原设计值小 。根据分析结论选择合理的阻尼器 ， 进一步优化管道设计 。 关键 词 动态载荷 ； 主蒸汽管道 ； 应力分析 Ab s t r a c t Dy n a m i c l o a d s o n t h e ma i n s t e a m p i p e o f 6 0 0 M W u n i t i n a t h e r m a l p o we r p l a n t h a v e b e e n c a l c u l a t e d b y CAES AR Ⅱ s t r e s s a n a l y s i s s o f t wa r e ． F i x e d f r e q u e n c y o f t h e p i p e h a s b e e n c a l c u l a t e d ． Th e o n e o r d e r f i x e d f r e q u e n c y i s f a r b e l o w t h e v a l u e r e q u i r e d b y t h e s t e a m Wa t e r p i p e d e s i g n t e c h n i q u e c o d e ．Dy n a mi c l o a d s ，s u c h a s e x h a u s t i n g f o r c e o f s a f e t y v a l v e ，f o r c e f r o m p i p e s t e a m h a m me r ，wi n d l o a d，e a r t h q u a k e l o a d，h a v e b e e n a n a l y s e d b y f r e q u e n c y s p e c t r u m me t h o d ．Th e l o a d o f s a f e t y v a l v e d a mp e r i s h i g h e r t h a n t h e o r i g i n a l d e s i g n e d v a l u e a n d t h e l o a d s o f p i p e s t e a m h a mme r d a mp e r a r e l o we r t h a n t h e d e s i g n e d v a l u e s ． Re a s o n a b l e d a mp e r s h o u l d b e s e l e c t e d b a s e d o n t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t f o r a n o p t i m i z e d p i p e d e s i g n ． Ke y wor ds dyna mi c l o a d；mai n s t e a m pi pe；s t r e s s a n al ys i s 中图分类 号 TM6 2 1 ． 7 2 ； T H1 2 3 ． 4 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 1 1 0 3 0 0 0 1 0 3 随着火电厂单元机组的容量和参数不断提高 ， 汽水管道系统 的设计更为复杂， 对汽水管道的静力 分析及动态分析也越来越受到重视 ， 尤其是高温高 压管道 ] 。 专业管道应力分析软件 C AE S ARⅡ被广 泛地应用于石化 、 电力 、 钢铁等行业 。 使用 C AE S AR Ⅱ软件可进行静态及动态载荷分析计算 。本文以某 电厂主蒸汽管道为例， 着重介绍使用 C AE S ARⅡ 软 件对主蒸汽管道安全阀排汽反力及汽锤力进行动态 分析的方法。 1 管 道载荷 的主要类 型 管道载荷按其作用性质可分为静态载荷和动态 载荷 2类。静态载荷是缓慢而毫无振动地作用于管 道上 的载荷 。动态载荷是指短时间内迅速变化的载 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 1 0 作者简介 郑明秀 1 9 8 4 一 ， 男， 硕士 ， 从 事火电热机设计工作 。 荷 ， 这类载荷在管道运行期间可能偶尔发生 ， 故又可 称为偶然性载荷 。管道载荷的主要类型见表 1 。 表 1 管道载荷的主要类型 载荷性质 载荷类型 引起载荷的原因 管道 自重 包括阀门 、 管件及保 温层 静 太 载 荷机 械 载 荷 篙 皇 ／r或 r 夕 静 态 载 荷 雎 L 戥 r 庄 ， 其他持续外 载荷 热载荷 热膨胀受约束 动态载荷 机械载荷 水锤 、 汽锤 、 安 全阀排汽反力等 2 动态载荷分 析 目前火 电厂的管道应力计算中， 主要对主蒸汽 1 ‘ 2 0 1 1年 6月 第 3 9 卷 第 3 期 总第 2 1 4期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 S e r ． No ． 2 1 4 管道、 再热蒸汽管道进行动态载荷分析 。 分析安全阀 排 汽 时 所受 的排 汽 反 力 ， 及 主 汽 门或 再 热 主 汽 门突 然关闭时引起的汽锤力作用在管道上的状况 。下面 以某工 程 6 0 0 Mw 火 力 发 电机 组 主蒸 汽 管道 为 例 ， 着 重介 绍动 态分 析 的过程 。 2 ． 1 静 力分析 在进行动态分析之前， 必须进行管道系统 的静 力分析 。 建立的管道模型见图 1 。 已知主蒸汽管道设 计 温 度5 7 1 C，设 计 压 力2 5 ．5 MP a ，材 质 A3 3 5 P9 1 ， 各管段保 温厚度、 材 质 以及 端点初始 位 移。 经静力分析， 管道各节点的热位移、 一次应力、 二 次应 力 均满 足要求 。 图 1 管 道 模 型 及 节 点 分 布 2 ． 2动态分 析 2 ． 2 ． 1 管道模态分析 模 态 分析 的 主要 目的是 计 算 管道 的 固有 频率 。 以此 主蒸汽管道为例 ， 经计算后 ， 其前 5阶固有频率 分别是 0 ． 1 9 0 、 0 ． 3 9 1 、 0 ． 5 7 7 、 0 ． 6 7 4和 0 ． 8 8 1 Hz 。 由于主蒸汽管道设计温度较高， 为保证管道具 有足够的柔性 ， 从而吸收由于热涨、 冷缩及端点位移 产生 的变形 ， 大量使用了弹簧吊架 ， 此主蒸汽管道使 用弹簧 吊架共计 4 1 个 ， 阻尼器 及刚性 吊架 共计 9 个， 弹簧 吊架 占所有支 吊架 的 8 2 ， 虽然满足了一 次 应力 、 二 次应 力 的要 求 ， 但 根 据 DL ／ T 5 O 5 4 1 9 9 6 { 火力发电厂汽水管道设计技术 中 7 ． 2 ． 1 ． 1 条 规定管道的一阶固有频率应大于 3 ． 5 Hz ， 此主蒸汽 管道 的一阶固有频率远低于规定值。如果进行静力 2 计算后而没有进行 动态载荷分析 ， 管道很容易在外 界干扰力作用下发生强烈震动。 2 ． 2 ． 2 安 全 阀排汽 反力 分析 锅炉厂提供 的主蒸汽管道上安全阀排汽反力为 Z 向受 力 ， 7 0 1 、 7 0 2 、 7 0 3 、 7 0 4 、 7 l 1 、 7 1 2 、 7 1 3 、 7 1 4共 8 个节点 ， 排汽受力依次 为 1 0 2 7 7 6 、 8 9 3 9 7 、 8 9 3 9 7 、 5 7 1 3 7、 1 02 7 7 6、 89 3 9 7、 8 9 3 9 7、 5 7 1 3 7 N 。 安全阀开启时间为 1 5 0 ms ， 使用 C AE S A RⅡ软 件 建立 安 全 阀排 汽 反 力 的 响应 频 谱 ， 以节 点 7 0 1为 例 ， 生成的频谱数据见表 2 ， 频谱曲线见 图 2 。 从 图 2 和表 2中可以看 出， 在频率低 于 2 ． 6 Hz时 ， 动态载 荷系数最大 ， 安全阀排汽反力对管道的作用最强。 经 计算得 出安全 阀排汽工况阻尼器受力 ， 计算结果与 原设计 值 比较结果见表 3 ， 其 中支 吊架类型为阻尼 器 ， z 向受 力 。 表 2节点 7 O 1响应频谱数据 2 ． O 豁 1 ． 5 粪 1 ．o 蒋 0 ．5 ＼ L O 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 O l 2 O l 4 0 频率 ／ Hz 图 2 节点 7 0 1 排汽 阀反 力与时间的响应频谱 表 3 阻尼器 受力计算结果对比 节点号 受力大t j ／ N 原设计值／ N 77 1 77 2 7 82 7 81 2 3O 27 5 2 30 28 O 一 2 29 O9 6 2 30 3 40 从表 3 可 以看 出， 经动态分析计算 阻尼器受力 大于原设计值 ， 主要原因是 原设计在进行排汽反力 计算时并没有应用响应频谱分析的动态载荷分析方 法 ， 而仅仅是将安全阀排汽反力作为一种集中力 ， 添 5 O 7 4 2 9 5 3 4 0 2 1 2 9 8 2 7 7 7 7 }I 2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 3期 总第 2 1 4期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 S e r ． No ． 2 1 4 加到管道 中计算 ， 作为模拟安全阀排汽反力的状况 ， 使计算结果产生误差 。 2 ． 2 ． 3 汽锤力分析 经计算 ， 该主蒸汽管道 的汽锤力及作用节点见 表 4 。 表 4汽锤 力及作用节点 压力波达到极值时间选为主汽门完全关闭时间 0 ． 1 5 S ， 计算汽锤力的持续时间 t 的公式为 t L／ c 1 式 中 L为相邻弯头与弯头对之 间的距离 ； C为压力 波传播速度 。 根据主汽门关 闭时间、 汽锤力大小及持续时间 使用 C AE S ARⅡ 生成响应频谱 ， 以节点 2 0 0 5为例 ， 频谱数据见表 5 ， 频谱曲线见图 3 。从图 3可以看出 汽 锤 力 在 频 率 1 ． 6 O～5 ． 1 2 Hz区 间 有 所 加 强 ， 1 ． 6 Hz 以下汽锤力影响减弱 ， 对此主蒸汽管道来说 ， 汽锤力作用的影响有所减小 。经计算得出管道在产 生汽锤力工况下 阻尼器受力 ， 计算结果 与原设计值 比较 结 果见 表 6 。 赧 1 1 ．0 柱 销 0 ． 5 幅 I 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 频率 ／ I - I z 图 3 节点 2 0 0 5汽锤力与 时间的响应 频谱 表 5节点 2 0 0 5频谱数据 表 6 阻尼器部 分节点受力计算结果 节点 7 6 1 、 1 2 0 0是针对管道汽锤力而设置的阻 尼器 ， 从表 6中可以看出 ， 各节点受力绝对值均比原 设计值小 ， 其原因与安全阀排汽反力计算相似， 原设 计计算时仅是将汽锤力作为集 中力附加到管道中， 并不是应用管道动态分析方法进行计算 ， 因而所得 结果并不精确 。 3 结论 对 主蒸汽管道进行动态分析后 ， 可以看 出阻尼 器受力与原设计值相差较大 ， 应对阻尼器的型号进 行改进 ； 同时管道的固有频率过低 ， 应适当在主蒸汽 管道位移小于3 mm 处增设 刚性约束或限位装置 来增加管道的刚度 ， 提高管道的固有频率 。 动态 载 荷 分 析 主要 应 用 在 电厂 主蒸 汽 管 道 、 再 热蒸汽管道上 ， 这些管道的温度压力较高 ， 而且设置 了较多的弹簧支 吊架 ， 致使管道的一阶固有频率低 于 火力 发 电 厂汽 水 管道 设 计 技术 规 定值 。使用 C AE S ARⅡ软件可 以计算管道的固有频率 ， 应用频 谱分析 的方法来分析管道的动态载荷如安全阀排汽 反力 、 汽锤力、 风载荷 、 地震载荷等， 结果较准确 ， 同 下转 第 6页 3 ‘ 2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 3期 总第 2 1 4期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 S e r ． No ． 2 1 4 同 在数值计算时由于 电子式电能表能够将 电压和 电流的瞬时值分别采样并作运算 ， 没有将基波和谐 波 加 以 区分 ， 它 所计 量 的是 基 波 电能 和 和 各次 谐 波 电能的和 。所 以说 ， 电子式电能表是全 电能计量方 式 ， 所计 量 的 电能 值 WW ∑W 3 电子式电能表是以总的畸变波形作为基础来计 算电能 ， 没有将基波和谐波加以区分 ， 对线性用户来 说 ， 它计量 的电能为基波电能与谐波 电能之和， 谐波 对线性用户有害 ， 但其 电能也被计人 ， 多计量 了 电 能 ； 而对非线性用户来说 ， 其产生的谐波一部分倒送 入电网， 此时 电能表计量的是基波 电能减去倒送入 电网的谐波电能 ， 可见非线性用在污染外部配 电网 同时， 出现负误差。 显然 ， 这种计量方式是不合理的。 3 一种新 的计量方式 改进 措施 针对上述情况本文提 出一种改进 的计量方式 ， 具体措施如下 电流 电压信号经过 A／ D转换后形成 采样数字信号 ， 经过相位校正， 利用数字乘法器得到 总有功功率 ； 数字化 的电压和， 电流通过一个基波抑 制滤波器得到不包含基波成分的电流 、 电压信号， 利 用数字乘法器计算出总谐波有功功率 。总有功功率 和总谐波功率对时间的积分 ， 得到总电能 。 和谐 波电能 。当基波功率和谐波功率方 向相同时， 也 就是 当负荷为线性负荷时 ， 只有基波电能对它是有 用 的， 只计及基波 电能 W Ws W 。当基波功率 和谐波功率方向相反时 ， 也就是当负荷为非线性负 荷时 ， 计量基波和谐波绝对值的和， 即 W l I 1 n l 。采用上述提 出的计量方式， 避免了线性用户 因被多计谐波 电能而遭受经济损失 ； 而非线性用户 也不会因计量 了负的谐波电能而减少电量 ， 使供 电 企业蒙受损失。 4 结束语 随着大量非线性负荷的应用， 电网中谐波普遍 存在， 对 电能计量造成较大的影响。 本文深入研究了 感应式电能表和电子式电能表的频率特性曲线 ， 对 谐波条件下感应式和 电子式电能表的计量影响进行 了分析 ， 指出造成计量误差的影响因素， 提出的电能 计 量改进 措施 有 助于鼓 励非 线性 用户 采用 谐波 处理 装置 ， 减少谐波的产生， 有助于建设“ 绿色电网” 。 参考文献 [ 1 ] 汤任 鹏 ， 徐 建军． 高次谐波产生 的原 因、 危 害及 抑制措 施 [ J ] ． 电气传 动 自动化 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 2 4 2 7 ． [ 2 ] 张有 顺． 电能 计量 基础 [ M] ． 北京 中 国计量 出 版社 ， 2 0 02． [ 3 ] 黄 伟． 电能计 量 技术 [ M] ． 北京 中国 电力 出版 社 ， 2 0 04 ． [ 4 ] 季鸿 德 ， 刘 翔太 ， 杜新 元． 非线性负载 的 电能计 量方 式 初探 [ J ] ． 黑龙江 电力 ， 2 0 0 7 ， 2 9 6 2 3 3 ～ 2 3 7 ． 上 接 第 3页 时还能显示管道的各个振型， 对管道的优化设计有 很 大 帮助 。 动态载荷分析主要应用在主蒸汽管道 、 再热蒸 汽 管道 上 ， 这些 管道 的温度 压 力较 高 ， 而且设 置 了较 多的弹簧支 吊架 ， 致使管道的一 阶固有频率低 于汽 水管道技术规定值。为避免管道运行时因设计原因 而产生强烈 的震动 ， 以及对阻尼器合理的选型， 进行 准确的动态载荷分析是非常必要的。 6 参考文献 编辑 刘 文千 、 、 e ％ [ 1 ] 郑 军． 高温 高压蒸 汽管 道动 态分 析[ J ] ． 电力能 源 ， 2 00 9， 35 7 93 7 9 4． [ 2 ] 张 鹏． 火 电厂 汽 水 管 道 动 态 载荷 [ J ] ． 广 东科 技 ， 2 0 0 6 ， 1 1 8 6 8 7 ． 编 辑郝竹 筠