某燃氣輪機內部燃料氣管道補償方案設計

白東方，彭志勝，鮑林軍，王宏澤

（1.杭州汽輪控股有限公司，浙江杭州 310000；2 杭州汽輪動力集團股份有限公司，浙江杭州 310000；3.浙江燃創透平機械有限公司，浙江 杭州 311199）

1 引言

隨著2060“碳中和”目標的的提出，中國降碳之路任重而道遠。燃氣輪機裝置由于燃料適應性好，啟動快，經濟性能高，有害排放量低等特點，受到了各界的廣泛關注。天然氣也作為低碳燃料，具有經濟性高，排氣潔凈等特點，是現階段比較理想的發電用燃料[1]。天然氣燃料供給系統是燃氣輪機一個極其重要的輔助系統，直接影響著燃氣輪機運行的安全與穩定，而內部燃料供給系統又是其中重要的流量控制單元[2]。燃氣輪機的熱膨脹及運行過程中振動的影響，給內部燃料環管的設計提出了很高的要求，尤其是燃燒筒外置燃氣輪機，布置空間緊張，如果支撐設計不當，極易引起天然氣泄露[3]。另外，燃料的均勻預混是燃燒室NOX排放含量的決定因素，燃料供給特性直接影響著燃燒效率及溫度場分布[4]。管道的應力分析是對強度和安全評價的重要依據[5-7]。管道設計的好壞對工藝裝置的安全運行至關重要[8]。以某燃燒筒外置燃氣輪機內部燃料輸送管道為例，采用StarCD 和ANSYS 聯合仿真，首先根據燃機整體布置情況采用routing插件（SolidWorks）對內部燃料氣供氣管道進行了布置，根據ANSYS初步仿真結果，在綜合考慮了燃機、燃燒筒及管道的熱膨脹情況下，對環管支撐進行了詳細設計，確定了環管和支管的補償方案。隨后對設計的支撐結構和環管分別進行了溫度場和二次應力校核。最后，在強度方面滿足要求的前提下，采用StarCD進行了各燃料氣支管的流場均勻性分析。

2 布置方案說明

天然氣輸送管道來的天然氣經過調壓站和前置模塊，對其進行必要的體積計量、過濾、加熱后，進入到內部燃料模塊實現快速關斷和母管壓力控制后分三路（主燃料、值班燃料和預混燃料）進入流量控制功能單元，每一路燃料經12路分別進入到12個燃燒筒，如圖1所示。由于燃燒筒外置，壓氣機缸處空間緊張，燃料氣環管需布置在后方缸體上，根據現場布置條件，選擇在正上方及與垂直中分面成30°夾角處布置三處支撐。

圖1 某燃機內部燃料管道布置方案Fig.1 Layout Scheme of Internal Fuel Piping of a Gas Turbine

3 補償方案設計

3.1 環管膨脹量預估

環管的絕對位移量是環管的熱膨脹與所在缸體膨脹綜合作用的結果，其中，熱膨脹量與管道的材質、環管的長度和溫差有關，可表示為：

式中：ΔL—環管的熱膨脹量（m）；α—環管的線膨脹系數（m∕（m·℃））；（T2-T1）—環管燃料氣最高溫度（取設計工況：185℃）與安裝環境溫度（取20℃）之差。支撐的設計不僅要補償熱態工況下的膨脹量，同時要兼顧冷態工況下的對環管的支撐作用，具體可從以下三個角度進行計算分析。

3.1.1 無支撐條件下，燃料氣環管自由膨脹

該條件下，溫度設定為185℃，環管由于沒有受到缸體和支撐的約束，在各個方向的伸長量相當，約為4.9mm，如圖2所示。

圖2 無支撐條件下，環管自由膨脹量Fig.2 Free Expansion of the Annular Piping without Support

3.1.2 下部支撐處設為“相對死點”，上部不加約束

下部兩個支撐處給定缸體膨脹量6mm，如圖3所示。環管由于受到缸體拉拽的作用，環管水平方向的伸長量增大至6.5mm，下部兩個支撐處相對于缸體的位移量為0（圖中所示為豎直方向投影量），此時上部的絕對位移量為1.54mm。

圖3 下部支撐處設為“相對死點”時的環管膨脹量Fig.3 Expansion of Annular Piping When the Lower Support is Set as“Relative Dead Center”

3.1.3 上部支撐處設為“相對死點”，下部不加約束

上部支撐給定缸體膨脹量8.5mm，該情況下燃料環管整體向上產生鋼性位移8.5mm，同時再疊加由于熱脹導致的徑向伸長量4.9mm。

3.2 補償方案設計

通過對以上三種情況的計算結果表明，環管的絕對位移量是環管的熱膨脹量與所在缸體膨脹量的矢量疊加：當下部兩處支撐設為“相對死點”時，在上部支撐的下部區域需至少留有7mm的徑向預留間隙，用以補償缸體的向上膨脹量（8.5mm）；當上部支撐設為“相對死點”時，在下部支撐的上部需預留大于9.6mm徑向間隙，用以補償缸體的向下膨脹量（6mm）。

以上部設為“相對死點”為例予以說明，預留間隙取為10mm，管夾設計方案，如圖4 所示。為防止冷態時的不必要滑動，環管在燃機軸向方向不設預留間隙，即隨缸體一起膨脹，支管的補償可采用自身撓性或金屬軟管進行補償，不同的是采用自身撓性補償時需要額外支管對環管的作用，為簡化計算，采用金屬軟管補償。

圖4 上部支撐處設為“相對死點”時的環管膨脹量Fig.4 Expansion of Annular Piping When the Upper Support is Set as“Relative Dead Center”

4 環管強度核算

4.1 支撐溫度場分析

支撐與缸體直接相連，由于缸體的溫度比較高，高達413℃，為防止支架溫度過高，影響燃氣的供應溫度，所以需要對支撐處的溫度場進行校核，設定支架底部溫度為缸體溫度413℃，燃料環管不保溫，管箍溫度取燃料氣溫度185℃，環境溫度為50℃。通過溫度場分析獲得支座的溫度場，如圖5所示。從圖中可以看出，環管處的溫度已降至200℃以下，可以認為支撐溫度對燃料氣供氣溫度影響較小。

圖5 支撐溫度場Fig.5 Support Temperature Field

4.2 環管二次應力校核

按GB∕T 20801[9]要求，對于管道的二次應力考核，其當量應力需滿足：

式中：σf—熱脹當量應力；f—交變次數對許用應力范圍的修正系數，啟停次數＜7000時可取f=1.0；[σ]j—管材在冷態的基本許用應力；—管材在熱態的基本許用應力。20℃許用應力為115MPa，185℃許用應力為109MPa，因此，σf≤171MPa方能滿足設計要求。

4.2.1 邊界條件設置

①上支架底部徑向位移為8.5mm，下支架底部徑向位移為6mm，上、下支架軸向位移為7.15mm，所有支架切向位移為0；

②管道溫度設置為185℃，支座1溫度都設置為293℃（取支撐平均溫度）；

③模型施加向下的重力加速度。

4.2.2 二次應力分析

燃料環管應力云圖，如圖6 所示。其中2 處最大應力為70MPa，滿足二次應力考核要求。雖然1處外壁面最大應力集中為221MPa，但我們截取了管道剖面的應力，內壁面應力為100MPa，沿壁厚平均為120MPa，均小于理論計算值171MPa，滿足二次應力考核。

圖6 管道應力云圖Fig.6 Piping Stress Nephogram

4.3 支管位移提取

環管在軸向方向不設預留間隙，可認為支管環管端隨缸體膨脹。通過整機熱分析和燃燒筒熱分析可以分別提取環管端和燃燒筒端的最大位移量，如表1所示。結果可作為金屬軟管的選型依據。

表1 支管兩端位移量Tab.1 Displacement at Both Ends of Branch Piping

5 流量特性分析

燃料管路的布置不僅要滿足強度要求，還要滿足各支路燃料流量均勻性的要求[10-11]。該燃燒室的溫升為900℃，燃燒室出口由燃料不均勻造成的偏差不超過10℃，所以燃料的最大不均勻度設為1%。將每個燃燒筒上的3個燃料噴嘴對應簡化成相應的小孔節流元器件，按照設計工況進行計算，噴嘴的出口背壓為燃燒筒內壓力1.62MPa。

燃料選定為185℃天然氣，主燃料、值班燃料、部分預混燃料的環管管徑分別為DN100、DN100和DN80，連接對應支管的管徑為1.5in，壁厚等級均選用SCH40，3 路燃料入口流量分別為2.055kg∕s、0.045kg∕s、0.9kg∕s。通過計算軟件StarCD 的仿真計算獲得12個燃燒筒的3個燃料噴嘴的流量，并最終計算出燃料的不均勻性。考慮到3個燃料環管的各自具有對稱性，所以每個環管上12個支路只需計算6個支路即可。最終獲得的流量分配，如表2 所示。

表2 各支管流量分配情況Tab.2 Flow Distribution of Each Branch Piping

從分析的結果來看，主燃料、值班燃料、部分預混燃料各支管的最大不均勻度分別-0.51%、1.84%、0.65%。值班燃料雖然不均勻度在數值上看較大，但是流量絕對值相差很小，所以其不均勻度也是完全可以接受的。主燃料和部分預混燃料的流量不均勻度都在1%以內，滿足設計初始設定的不超過1%的要求。

6 結束語

內部燃料管道設計時不僅需要考慮各支管流場的均勻性，還要兼顧燃料氣環管及各支管的應力補償。采用StarCD 和ANSYS聯合仿真的方法對提出的內部燃料管道布置方案進行了仿真，可以得出以下結論：

（1）燃氣輪機在燃燒筒外置時，布置空間緊張，燃料環管的布置可以采用三點支撐的方式固定在缸體上，環管的絕對位移量是環管的熱膨脹量與所在缸體膨脹量的矢量疊加，可在上部支撐或者下部支撐處留有膨脹預量，該機組最小值分別可取7mm和9.6mm，用以補償環管和缸體的相對膨脹。

（2）根據GB∕T 20801，該機組熱脹當量應力σf≤171MPa 時，可視為滿足要求，該補償方案設計管道剖面平均應力為120MPa，滿足要求。

（3）支管的補償可采用自身撓性或金屬軟管進行補償，不同的是采用自身撓性補償時需要額外計算支管對環管的作用。本文選用金屬軟管補償方案，通過對支管位移的提取，作為金屬軟管選型的依據。

（4）通過對環管支撐溫度場的計算，可以得出設計的支撐溫度在200℃以下，接近管道介質溫度，可以認為支撐溫度對燃料氣供氣溫度影響較小。

（5）通過對支管的流量特性分析，主燃料和部分預混燃料的流量不均勻度都在1%以內，滿足設計初始設定的不超過1%的要求。值班燃料由于流量絕對值相差很小，其不均勻度可以接受。