雙進汽式汽輪機蒸汽管道布置研究

高東林，王麗祥，姜德強，杜 江

(航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111)

汽輪機也稱蒸汽透平發動機，是一種將蒸汽的能量轉換為機械功的旋轉式蒸汽動力裝置，主要作為發電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等，還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽來滿足生產和生活上的供熱需要。近年來，隨著裝備技術的不斷進步，高壓汽輪機的應用逐漸增多，因此,讓汽輪機具備良好運行狀態的方式已越來越多地引起業主、設計院及設備廠家的高度重視[1,2]。在石油化工行業中，汽輪機是作為空分裝置為化工生產提供氣源的重要設備之一，其安全穩定的運行則顯得尤為重要，而在實際應用中，汽輪機“一拖二”的配置型式較為常見，即由一臺雙出軸汽輪機分別驅動空壓機和增壓機，進汽壓力可達9.8MPa(g)，溫度約為540 ℃。由于汽輪機在高溫高壓的環境中工作，當與其相連接的管道受熱膨脹時，將會對連接的汽輪機管口處產生作用力。管道作用于轉動機器的荷載過大時，將造成轉動軸的不對中、轉子與定子之間的間隙發生改變，進而引起機器的磨損和振動，便會對機器的正常運行產生不利的影響，因此,必須對管道作用于汽輪機的荷載加以限制。

在空分裝置中，進汽管線為高壓過熱蒸汽，溫度在500～540 ℃之間。計算工況分為操作和安裝兩種，但不同的項目會有不同的工況要求，如暖管、暖機等。NEMA SM23[3]標準的允許受力限制非常嚴格，正常計算系數為1.5，與制造商協商確認后可放大到2。目前,汽輪機進汽方式在項目中應用過雙進汽和單進汽兩種，兩種不同進汽方式所采用的管道布置原理基本相同，但在管道布置上不盡相同。本文將對雙進汽式汽輪機的管道布置進行研究，討論管道走向及支架設置，并通過CAESARⅡ[4]軟件建立汽輪機進口管道模型，管口受力情況將采用NEMA SM23標準進行校核。

1 理論分析

1.1 汽輪機管道布置及應力分析的難點

由于汽輪機管道的重要性及其較為苛刻的高溫高壓的操作條件，管口受力要求又非常嚴格，因此,汽輪機管道的布置及受力分析也較為困難。其難點主要包括以下幾個方面。

(1)管道直徑一般較大，再加上保溫隔熱層的厚度，管道在布置中所要求的空間就比較大，但由于汽輪機機組的土建結構特性，其機組基礎及用于支撐的混凝土立柱也比較大，留下的管道布置空間非常有限，因此,要求在有限的空間內要完成管道的合理布置、給出支架生根位置及所能實現的支架形式，并同時對熱應力有一定的消除措施，便可知管道布置的難度相當大。

(2)由于操作壓力較大，選材上一般采用壁厚較厚的管道，由此管道自身重力遠大于一般管道，且其自身柔性降低，這對于汽輪機管口的受力要求又提出了較大的挑戰。

(3)汽輪機管道的操作溫度很高，高溫所產生的熱位移較大，這對管道布置、支吊架形式的選擇和支吊點的選取提出了較高要求，即既要使支吊架對管道有支撐作用，并限制一定熱位移方向，同時也不能破壞管道自身對熱位移的吸收。

1.2 汽輪機管道應力分析的解決方法

基于以上分析的難點所在，對于汽輪機管道布置來說，可以從以下幾個角度來解決。

(1)改變管道走向，在所能實現的有限空間內，增加管道柔性，使管道自身具有一定吸收熱應力的能力。

(2)汽輪機管口附近的幾組支吊架應采用彈簧支吊架，以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態作用力，同時減小摩擦力的影響。

(3)宜在管道與機器固定點處坐標軸的交點位置附近設置限位支架，從而使機器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當，減小管道對機器管口的作用力[5-7]。

圖1 汽輪機管道支架設置

(4)如果調整支撐位置及形式和改變管道走向后，汽輪機受力仍難以滿足要求時，可考慮在汽輪機出口的豎直管道上使用金屬波紋膨脹節，但其制造要求極高，且成本高。

2 汽輪機管道布置研究

本文以雙進汽式汽輪機為研究對象，對管道布置進行研究。汽輪機布置圖及進出管口熱位移一般由廠家給出。

汽輪機雙進汽口管道布置見圖2，汽輪機進汽管道從界區引進壓縮機二樓廠房，經過閥門后向下行進，在穿樓板處設置止推架,以限制外部管道熱膨脹對機組的影響，管道繼續行進到與機組固定點呈一條直線處，向上拐彎并分成兩路，并分別繞彎通過機組固定點，拐到汽輪機進汽口下方，沿途支架均為彈簧支架，最后向上接入管口。由于汽輪機雙進汽管口距離基礎底標高有數米遠，因此,必須有很長一段豎直管道。在管道布置中又加入了三個限位支架，其中一個在管道均分兩支路前與機組固定點成一條直線處，此限位架是使兩支管熱膨脹均分兩邊，并抵消之前管道熱膨脹對分支管道的影響；另外兩處限位支架安裝在管口附近，主要是限制兩支路管道熱膨脹量與機組一致。

圖2 汽輪機雙進汽口管道布置

3 CAESARⅡ軟件應力分析

3.1 汽輪機進口管道模型建立

汽輪機進口管道操作壓力為9.0MPa，操作溫度為515 ℃，根據汽輪機廠家給出的進口熱位移條件，換算坐標，利用CAESAR Ⅱ軟件建模(見圖3)。在建模過程中，為盡可能將外部管道的熱應力影響考慮全面，需把所有經過的管道都建到模型中，包括管廊上的外部管道，直到管廊上固定點處。

圖3 汽輪機進汽口管道應力模型

3.2 汽輪機進口管道模型分析

3.2.1 管道走向

之所以在設備較遠處開始分支路布置，并采用較大彎路，主要是基于增加管道柔性的考慮。轉動設備的管口受力有非常嚴格的要求，尤其是汽輪機。由于管道操作溫度較高，管道自身熱位移尤為明顯，因此,對于汽輪機管道的柔性設計是管道應力分析中較為困難的問題之一。本文采用的管道走向就是為了增加管道柔性，最大限度地令管道自身吸收熱應力產生的管道位移。

3.2.2 支吊架設計

管道從二層樓面下來后的支架均為彈簧支架，原因是汽輪機固定點在二層樓面上，其下部管道均有向下熱位移，若不采用彈簧支吊架,而是使用一般的剛性支吊架，就會阻止管道受熱向下移動，致使汽輪機管口產生非常大的豎直方向應力。在汽輪機管口處的彈簧尤其重要，如果慣用的可變彈簧支吊架因載荷變化率過大而不能滿足要求，可以考慮恒力彈簧支架。

3.2.3 止推架設計

止推架的作用如上文理論分析中的限位架一樣，主要是使管道熱位移與設備管口位移一致，從而減小管口受力與力矩。

如果取消掉模型中190點止推架，管道受力見圖4，汽輪機管口(10點)在-X和Z方向上有超過1t的力，且力矩在三個方向上均超過3t，而另一個管口(130點)在-X方向上有一個較大的力，并且同樣在兩個方向上有較大的力矩。這主要是因為取消掉190點限位支架后，前面管道的熱應力向-X方向傳遞，使得兩管口均受到此方向上的外力，同時在不同方向上受到不同程度的扭矩。

圖4 汽輪機進口管道受力情況

如果取消掉模型中25和115點止推架，管道受力情況見圖5，汽輪機管口(10點、130點)在X方向上均有一個較大的力矩，這主要是因為25點和115點止推架是-Z方向限位，限位間距和管口工作時位移一致，如果取消掉兩點的止推限位架，管道的熱膨脹量就會過多地向-Z方向移動，超過管口應有的位移量，使得管口X方向上的力矩超標。

圖5 汽輪機進口管道受力情況

三處都有止推限位支架的情況下，管口受力見圖6，兩個管口的受力和力矩均限定在一點范圍內，與之前相比有了很大的改善。綜上所述，三個點上的止推限位支架必不可少。

圖6 汽輪機進口管道受力情況

3.3 NEMA SM23校核

對于汽輪機的管口受力校核，采用標準NEMA SM23，計算系數為2。從校核結果中可知，汽輪機管口10、130點均滿足NEMA SM23的受力要求(見圖7、圖8、圖9、圖10)，因此,本文中管道的走向和支吊架設置可行。

圖7 汽輪機進口10點安裝工況校核結果

圖8 汽輪機進口10點操作工況校核結果

圖9 汽輪機進口130點安裝工況校核結果

圖10 汽輪機進口130點操作工況校核結果

4 結語

(1)汽輪機管道是空分裝置中的重點和難點所在，管道設計人員應對此管道有足夠的重視，在管道走向上要圍繞機組固定點進行繞彎，使管道在增加自身柔性的同時與機組產生相同的熱膨脹量。

(2)對于汽輪機進口管道的設計，如條件允許,應盡可能采用彈簧支架，并在適當位置增加止推限位支架，使管道的熱位移量均勻分布，管口處管道的位移量與機組管口相當。

(3)對于汽輪機管口要嚴格按照NEMA SM23標準的受力要求進行校核，使汽輪機管口受力在標準允許范圍之內，以確保汽輪機安全穩定運行。