背壓式汽輪機管道的設計與分析

張昊慧

(上海中玨石油化工工程有限公司， 上海 201108))

在我國石油煉化行業中，蒸汽輪機常為壓縮機，鼓風機，大型油泵等設備提供驅動,是較為關鍵的動力設備，并且有效彌補了使用電動機易引起爆炸的缺點。汽輪機屬于高精密，高轉速，能量轉換裝置,通入高溫高壓的蒸汽,將熱能轉變成軸旋轉的機械能,故進汽排氣管道會因高溫熱脹產生較大熱位移,同時對汽輪機的設備管嘴產生很大的作用力和力矩。若相關重要管道布置不合理，可能會導致設備管嘴受力或力矩超過允許值，可能會引起汽輪機的定子與轉子的摩擦和接觸，機組振動的增加,連接法蘭的泄露,還可能會致使汽輪機殼體結構發生變形、移位等,甚至引起機械損壞，被迫停車。故汽輪機進汽排氣管道的設計除了要綜合考慮相關重要管線的走向,支吊架(承重支吊架、限制性支架等)類型的選擇及位置的設定，盡可能的將管道熱漲產生的反力，力矩限制到最小，并控制在汽輪機管嘴受力允許值內外，還應為壓縮機及周圍設備的操作，維修留出足夠的空間。

按照汽輪機排汽的形式,汽輪機可劃分為凝汽式汽輪機和背壓式汽輪機。本文主要圍繞某廠重整裝置背壓式汽輪機的管道設計進行闡述。

1 背壓式汽輪機管線布置原則

背壓式汽輪機進汽介質為高溫高壓蒸汽,設計管道時應首先考慮應利用管道自然彎曲所具有的柔性補償高溫引起的熱漲和端點位移。這種自然補償補償方式的特點是：構造比較簡單，運行可靠，投資也相對較少。但由于單純靠這種方式補償不僅受廠房空間大小等限制,彎頭的增多,也使得壓降降低,管線易震動,故自然補償并不能完全滿足設備安全運轉的要求,還應配合使用限位,導向,彈簧支吊架等,使管系適應變形需要,減少設備管嘴受力。設計時一般采用以下一種或幾種措施增加管道柔性:

(1)改變管道的走向。

(2)調整支吊架形式與位置。

(3)選用人工補償器(波形，套管式，球形補償器)。

本文中主要采用1)，2)兩種措施組合的方法。

應分開布置背壓式汽輪機的蒸汽線、潤滑油線、動力調節油管線。如條件不允許或有特殊要求,必須并行成交叉布置時,這3類管線間應保持至少200mm的凈距。在為汽輪機壓縮機等設備預留足夠操作及檢修空間的前提下，汽輪機進出口的操作閥門宜以方便操作，集中布置為設計原則。

2 汽輪機管嘴允許受力

管道對轉動設備的推力及力矩可按照美國電氣制造商協會的NEMA SM 23[1]標準計算。NEMA SM23目前是國際推薦性汽輪機管嘴受力的計算標準,因其中對汽輪機管嘴允許受力最嚴苛。事實上，一般汽輪機器制造廠家可按照實際經驗數值，適當的放寬允許推力和力矩的限制。設計前一般設計院在汽輪機的技術協議中要求管嘴受力為規范的2-2.5倍,若管道設計方案在應力計算完成后,核算仍不達標,可把計算結果提供給制造廠進行校核。本裝置在汽輪機的技術協議中要求管嘴受力為NEMA SM23的2倍。

3 進氣管線設計

3.1 進氣管線應力校核

GB/T 20801中規定,當管道操作溫度≥400℃，設備管口有特殊載荷要求時應對該管道進行管道應力分析，同時SH/T 3041中也明確規定進出汽輪機的蒸汽管道宜用計算機分析進行詳細的柔性設計。故蒸汽輪機的進排氣管道布置方案必須經柔性計算，驗證方案的準確性。

蒸汽輪機進汽介質為中壓蒸汽,具體參數見表1。

表1 汽輪機進汽管道計算參數

進出汽輪機的蒸汽管道應整體進行分析(從起點至終點),從而更易確定合理的熱補償方案。汽輪機進汽管線必須從蒸汽總管頂部接出,接出點不可在π型補償器上， 且切斷閥宜盡量靠近總管。為保證蒸汽管道的柔性，總管和分支管均設置了π型補償器，補償器附近位移較大，故接出點與總管π彎應保持一定距離，蒸汽管線盡量避免出現液袋,當無法避免時,必須添加疏水系統。本裝置汽輪機有兩個入口,這種雙進汽形式的管道一般都會對稱布置,有利于管道柔性及應力分析。圖1為背壓式汽輪機進汽蒸汽管線布置圖?？梢钥闯稣麄€管線多次進行自然補償,提高管道整體柔性，汽輪機入口分兩路對稱布置，減小中壓蒸汽管道對管嘴受力的影響。

圖1 汽輪機進汽管線布置圖

圖2 汽輪機進氣管道單線圖

圖2為汽輪機進氣管道單線圖,圖中15點,20點均為汽輪機蒸汽入口。管道設計條件見表1。

15點管嘴最大熱位移:(制造廠提供):

X=-5.98mm; Y=1.06mm;Z=-4.94mm

20點管嘴最大熱位移:(制造廠提供):

X=5.98mm;Y=1.06mm;Z=-4.94mm

從圖3中可知，與15，20點連接的進汽管嘴為-Y方向，機體與管道的熱脹也為-Y方向,在進汽管線靠近汽輪機管嘴的第一個彎頭處13、18點設置彈簧支/吊架，為了控制管道在冷熱狀態下支吊點的載荷變化及吸收豎向位移，同時在11、12、16、17也設置了彈簧支架，分擔管道荷載吸收位移；14、19點設置-Z方向止推支架，避免水平位移對嘴子產生扭矩，故在管嘴直接相連的立管上設置限位支架,只允許管線做上下位移。9點設置-X方向止推支架。通過應力分析軟件CAESAR II，建模分析計算出操作工況，暖機工況，設計工況種工況3下,汽輪機進汽管嘴的力，力矩和位移。結果見表2。

表2 汽輪機進汽法蘭處應力計算結果

表中:OPE1為操作工況;OPE2為暖機工況;OPE3為設計工況。

本項目汽輪機技術協議已確定汽輪機允許力和力矩應按照NEMA 23標準的兩倍執行,通過核算,此設計滿足廠家提供的允許值。

3.2 進氣管線支架設計

管道設計除了管線的走向設計,正確設置支吊架也是一項極其重要的工作,支吊架可以承受管道載荷還能去起到限位和減小管系振動的作用。對于這種復雜管系，在合適位置組合使用不同類型支吊架，可以有效減小汽輪機接管法蘭的推力及力矩。圖2已經標出各個節點的支架選型結果。11、12、13、16、17、18點豎向位移過大，支架選型為支撐擱置型恒力碟簧，同時彈簧頂板增加聚四氟乙烯滑板，降低摩擦力，彈簧形式見圖3-a,支架生根在汽輪機基礎; 10、18點為變力彈簧吊架，見圖3-b,生根在EL+8500層平臺梁底;6點支架要求可靠可調止推,并需保證間隙為0,見圖3-c;4點為軸向限位剛性支架;其余點為普通剛性支架。

圖3 支架示意圖

3.3 進氣管線其他設計要求

(1)汽輪機進氣管線的低點處應設疏水裝置,防止凝結水進入汽輪機,造成葉片損壞。

(2)進氣管道壓力達到3.7MPa，壓力過高會造成汽輪機轉速增大，外殼超壓,設備損壞。進汽管線上應設置泄壓或調節壓力的安全閥或者調節閥,以保證壓力的穩定,維持恒定轉速。

(3)為防止汽輪機突然升溫快速產生的熱應力無法釋放，開機前應對汽輪機的轉子及汽輪機殼進行預熱，減少機體振動，避免機械損壞，進汽管道的切斷閥應設計低于主管口徑的預熱旁路閥。本裝置進汽輪機主管道切斷閥尺寸為DN300,旁路切斷閥的為DN80，預熱時，開啟旁路，蒸汽通過管道及汽輪機產生預熱作用的同時，氣量又不會致汽輪機工作。此預熱閥門同時還有平衡主切斷閥壓力的作用,使預熱切斷閥易于開啟。

(4)靠近汽輪機進口的管道應留帶法蘭的可拆卸段[2]，因為汽輪機在試運行前，要在法蘭處接臨時吹掃管線引至廠房外對進汽管道進行蒸汽吹掃，以防管道內雜質進入機身，引起設備損壞。

(5)一般汽輪機的驅動蒸汽由主管橋引出,距離汽輪機較遠,導致進汽管道產生的壓降和溫差較大,所以會在主汽門前的管道上接小于主管口徑的帶分支管道,稱為暖管線,并將此管道引至壓縮機廠房外放空,端部接消音器。

入口細節如下圖4。

圖4 進氣管道細節圖

4 排氣管線設計

4.1 排氣管線應力校核

與進汽管道溫度450℃相比,排汽管道的溫度明顯降低,但依舊有280～ 300℃,在試車階段，由于未帶動壓縮機做功溫度甚至能達到340℃。根據NEMA SM23計算公式[1]，當量直徑計算方法當Dc大于22.5 cm時, Dc=(45+Dzs)/3當量直徑增率變小,設備單個管嘴各方向允許值增量變小,故較進汽管道進口DN200而言,排汽管道DN400管嘴校核更為嚴苛。

背壓式汽輪機排氣介質為低壓蒸汽，若排氣溫度高于低壓蒸汽管網溫度時，需在并入低壓蒸汽管網前設置減溫器。本裝置汽輪機位于平面布置圖的壓縮機區,距離主管橋平面距離有50多米。分段考慮熱補償,以阻斷管橋上蒸汽管線的熱脹對汽輪機管嘴的影響,降低管系的復雜程度，在排氣管線的某位置設置固定或限位支架。同時增大排氣管道在靠近汽輪機側管道的柔性，減少對嘴子的推力和力矩。

圖5中排汽管道止回閥前a.b分別接安全閥分支和消音器放空分支,主要目的為保證汽輪機的有效出力。做設計時，要將這兩根管線和排氣管線作為整體綜合考慮整個管系的柔性分析。本裝置汽輪機排氣應力計算已包括安全閥和消音器放空管道。

圖5 汽輪機排氣管道單線圖

圖5為汽輪機排氣管道單線圖,圖中1點為汽輪機蒸汽出口。管道設計條件見表3。

1點管嘴最大熱位移:(制造廠提供):

X=0mm;Y=-3.82mm;Z=-1.89mm

表3 排汽管道計算參數

表4 汽輪機排氣法蘭處應力計算結果

應力計算時要將不同工況均考慮其中。通過核算,此設計滿足制造廠要求。

4.2 排氣管線支架設計

汽輪機排汽口的方向也朝下,故在排汽口靠近汽輪機的管嘴第一個彎頭處同樣也應考慮設置大行程彈簧支架,從圖5中可以很清楚地看出各個支撐節點的支架選型設計結果。2、3、4點支架選型為支撐擱置型頂板帶聚四氟乙烯的恒力碟簧,便于吸收出口至固定點之間的熱位移,減少因熱位移及磨擦力對設備出口嘴子所產生的力及力矩。彈簧形式如圖四-a,生根在壓縮機基礎;9點為固定支架,生根在地面基礎,支架底板按結果做水平4個方向的限位;其余點為普通剛性支架。

4.3 排氣管線其他設計要求

(1)靠近排汽管道出口，在水平段設置止回閥，見圖5標注。目的是為了防止汽輪機突然停機時，蒸汽管網中蒸汽倒流，引起汽輪機反轉。

(2)排汽管道切斷閥前應接安全閥和消音器分支,安全閥出口也應接消音器，消音器統一放在廠房外,高出附近平臺2.2m以上，凝結水宜接至無人處引走,以免燙傷工人。

5 結束語

綜上所述,汽輪機的管線設計,應綜合考慮管線走向、支吊架的選型和位置設置,通過分析,計算,結合實踐經驗,方可確定有效方案,確保蒸汽輪機進排氣嘴子的受力滿足嘴子允許值,使蒸汽輪機可以高效,長久,安全,穩定運轉。