抽汽管道布置對高壓汽輪機振動的影響性分析

郭秀紅 , 徐輝輝 , 周　翔 , 王亞樂 , 徐嚴偉 , 樊安靜

(河南心連心化肥有限公司 , 河南 新鄉(xiāng)　453731)

抽汽管道布置對高壓汽輪機振動的影響性分析

郭秀紅 , 徐輝輝 , 周翔 , 王亞樂 , 徐嚴偉 , 樊安靜

(河南心連心化肥有限公司 , 河南 新鄉(xiāng)453731)

摘要：高壓蒸汽汽輪機在試車過程中出現(xiàn)異常振動,為保證試車成功,對可能引起設備振動的原因進行了逐項排查,根據(jù)試車過程中發(fā)現(xiàn)的汽缸上抬現(xiàn)象確定了是汽輪機蒸汽管線產(chǎn)生的推力造成的振動。通過對抽汽管道進行應力分析,發(fā)現(xiàn)該管道作用于汽機的管口的力和力矩不符合美國全國電氣制造商協(xié)會標準NEMA SM23要求,說明該管道柔性不夠。通過利用CaesarII對該管道進行分析,采取了調(diào)整管支架、改變管道走向等方式,確定了管道改造方案。后期對該管道進行了改造安裝,解決了汽輪機的振動問題。

關鍵詞：汽輪機 ； 推力 ； 振動 ； 管道 ； 柔性

在化工裝置中,汽輪機的管道操作溫度較高,受力要求最為嚴格,因此汽輪機管道的柔性設計是管道應力分析工作的重中之重。某化肥廠的高壓汽輪機在單體試車過程中,汽機前軸承軸振有波動,最大達到160 μm,超出標準要求。經(jīng)現(xiàn)場技術人員分析研究,再根據(jù)試車過程中汽輪機氣缸上抬現(xiàn)象確定是抽汽管道走向、管支架設置不合理所導致。由于該抽汽管線的布置不合理,在高溫工作狀態(tài)下作用于汽輪機的力超出機組本身允許范圍,這樣就有可能使動、靜部件在徑向或軸向上發(fā)生碰擦,汽輪機就會出現(xiàn)異常振動[1]。后期通過對抽氣管線進行應力分析并重新對該管道進行了改造安裝,解決了汽輪機的振動問題。

1汽輪機組及抽汽管線簡介

汽輪機為高壓抽背式蒸汽透平,本機組與鍋爐、發(fā)電機及其它附屬設備配套運行,可同時滿足供電和供熱需要,特別適用于化肥等企業(yè)的自備電站,可以大大提高供熱系統(tǒng)熱經(jīng)濟性。額定抽汽壓力為4.12 MPa、溫度為447 ℃經(jīng)減溫器送至4.0 MPa蒸汽管網(wǎng)。

2抽汽管道應力分析的基礎條件及步驟

2.1　抽汽管線的基礎條件

為確定抽汽管道對汽機的推力,技術人員查閱

《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》(GB50316-2000)收集了抽氣管道的基礎參數(shù)：計算壓力,5.07 MPa；計算溫度,447 ℃；管道外徑,325 mm；管道內(nèi)徑,299mm；管道壁厚,13 mm；447 ℃,鋼材線膨脹系數(shù),13.72×10-6mm/(mm·℃)；鋼材在20 ℃的基本許用應力,137.892 MPa；鋼材在計算溫度下的基本許用應力,100.900 MPa；泊松比,0.29；彈性模量,1.738OE+0.05 MPa。并根據(jù)對現(xiàn)場抽汽管路的實地測量繪制了詳細的管道布置圖和管支架布置圖。先根據(jù)現(xiàn)場的管路布置進行柔性分析,找出問題癥結再在這個基礎上對管道進行調(diào)整優(yōu)化。

2.2　抽汽管線應力分析的步驟

抽汽管線應力分析的具體步驟如圖1所示。

圖1　抽汽管道應力分析步驟

3現(xiàn)場管路布置及受力分析

現(xiàn)場管道走向及管支架布置見圖2。

圖2　現(xiàn)場管道走向三維軸測圖

3.1　汽輪機抽汽管口受力情況

蒸汽從汽輪機抽汽管口Φ325 mm×13 mm,即模型中的10點變徑后送往界外,10點的邊界參數(shù)為機組制造廠家確定的初始位移,見表1。根據(jù)現(xiàn)場抽汽管支架布置形式,在190點找到了該管道的固定支架作為本管道的第二個邊界參數(shù),其間的管支架位置和形式完全根據(jù)現(xiàn)場情況進行了計算機建模。

表1　汽輪機抽汽管口(10點)的初始位移

在計算機上利用CaesarII把現(xiàn)場抽汽管道進行了還原并計算,汽輪機抽汽管口(10)點的力和力矩見表2。

表2　現(xiàn)場抽汽管道布置對抽汽管口的力和力矩

3.2　抽汽管口受力校核

按照NEMA SM23[2]標準計算,作用在汽輪機上的合力和合力距不得超過對應的允許值[3]。

管道對單個管口的力與力矩,NEMA SM23標準有以下要求：

任一管道作用于汽輪機管口的力和力矩應滿足式(1)：

Fr+1.095Mr≤292.7De

(1)

Fr=(Fx+Fy+Fz)1/2

(2)

Mr=(Mx+My+Mz)1/2

(3)

式中：Fr,x,y,z三個方向作用于蒸汽管控的合力,N；Mr,x,y,z三個方向作用于蒸汽管控的合力矩,N·m；De,蒸汽管口的當量直徑,cm。當蒸汽管道DN≤20 cm時,取De=DN；當蒸汽管道DN>20 cm時,De=(40+DN)/3。

利用CaesarII中的NEMA校核命令對現(xiàn)場抽汽管口的力和力矩進行了校核,校核結果如表3所示。

表3　汽輪機抽氣管口力和力矩校核結果表

注：綜合校核不通過。

通理論計算驗證,抽氣管道對汽輪機管口作用力超出了機組允許范圍242.81%,不符合標準要求。需要通過改變管支架形式、位置以及管道走向來增大管道柔性,降低抽汽管對汽輪機機組的推力和力矩。

4優(yōu)化改造后的管路布置及受力分析

優(yōu)化改造后管道走向及管支架布置見圖3。

4.1　優(yōu)化改造后汽機抽氣管口受力情況

本次分析原則“以調(diào)整管支架為主,調(diào)整管道走向為輔”。因現(xiàn)場工期緊張,主要通過調(diào)整管支架位置以及形式來降低管道做機組的力和力矩。調(diào)整后,汽輪機抽汽管口(10點)的力和力矩如表4所示。

圖3　優(yōu)化改造后管道三維軸測圖

節(jié)點Fx/NFy//NFz/NMx/N·mMy/N·mMz/N·m10-11601711-6892931-93-994

4.2　優(yōu)化改造后抽汽管口受力校核

根據(jù)汽輪機抽汽管口的受力結果,按照NEMA

SM23標準進行了計算,計算結果見表5。

表5　優(yōu)化改造后汽輪機抽氣管口力和力矩校核結果表

注：綜合校核通過。

為了確保機組能夠一次順利開車成功,技術人員把抽汽管口的力返給了汽輪機機組制造商,由廠家對機組做綜合校核,廠家反饋結果是綜合校核通過。

5運行效果

根據(jù)計算結果出具了詳細的管道施工圖、特殊管架圖、彈簧表及技術要求,同時要求該管道上所有滑動支架的摩擦面加墊耐高溫聚四氟乙烯板以減小摩擦力。之后安排安裝人員對抽汽管道依照圖紙進行了改造,管道改造完畢后,技術人員對施工復合性進行了核查,核查無誤后對汽輪機進行了試車。在開車的整個過程中,對汽輪機缸體膨脹值指示進行了監(jiān)控,同時對汽輪機前后軸振進行了記錄,詳見表6。

表6　抽汽管道改造后汽機開車運行記錄表

通過以上數(shù)據(jù)可以看出目前該高溫高壓汽機經(jīng)管道改造后,運行各參數(shù)可以保證在工藝指標范圍內(nèi)穩(wěn)定運行,能夠達到長周期穩(wěn)定運行的目的,汽輪機開車獲得了圓滿成功。

6結論

汽輪機是化工裝置中最敏感的設備,對機組本身的設計和安裝精度、汽路的設計和安裝、油路的設計和安裝要求都非常高,任何一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題都會導致汽輪機異常振動。由汽輪機管道操作溫度較高,受力要求極其嚴格,因此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。進行汽輪機管道柔性設計時應注意以下問題：①計算時必須考慮機器管口的熱態(tài)位移,同時考慮最不利工況；②對汽輪機進行受力驗算分析時,應該包括進出口和抽排汽口；③汽輪機管口附近的支吊架一般采用彈簧支吊架,以減小因垂直管道的熱膨脹引起的管口熱態(tài)作用力,同時減小摩擦力的影響；④管道上機器管口附件的第一個彈簧支吊架應盡量靠近機器管口,以便于施工中對法蘭之間的間距、平行度和同軸度進行調(diào)節(jié)。

對于汽輪機管道的施工、業(yè)主方和監(jiān)理方應該重點關注,對材料以及彈簧的質量重點監(jiān)控,對施工的符合性應做全面檢查,保證施工和設計圖紙完全符合。

參考文獻：

[1]但天福,蘇華.合成氣壓縮機驅動輪機缸體移位處理措施[J].大氮肥,2007,30(4)：272-273.

[2]NEMA SM23.Steam Turbines for Mechanical Drive Service.National Electrical Manufactures Association[S].

[3]王桂華.石化裝置中的汽輪機管道設計[J].石油化工設計,2009,269(2):47-49.

如何以合理經(jīng)濟的方法,最大限度地回收塔底液中的環(huán)己醇是大多數(shù)同行企業(yè)急需解決的問題。采用減壓蒸餾加一段式分離精餾工藝,通過控制蒸餾釜內(nèi)溫度、分離塔塔頂溫度和系統(tǒng)的真空度,對環(huán)己醇精餾塔塔底液中的環(huán)己醇組分進行分離回收,當塔底料液經(jīng)過分離精餾塔時,最大限度的分離出高沸物和二環(huán)己基醚,使流出液中環(huán)己醇含量達98%以上,環(huán)己醇回收率高于98%,且處理成本低、投資少、操作穩(wěn)定、效率高,經(jīng)濟和社會效益顯著。

作者簡介：郭秀紅(1985-),女,從事工藝管道及設備設計工作,電話：15294850953。

收稿日期：2015-04-21

中圖分類號：TQ050.2

文獻標識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)07-0038-03