背壓式汽輪機(jī)管道的設(shè)計(jì)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(yè)中，蒸汽輪機(jī)常為壓縮機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，大型油泵等設(shè)備提供驅(qū)動,是較為關(guān)鍵的動力設(shè)備，并且有效彌補(bǔ)了使用電動機(jī)易引起爆炸的缺點(diǎn)。汽輪機(jī)屬于高精密，高轉(zhuǎn)速，能量轉(zhuǎn)換裝置,通入高溫高壓的蒸汽,將熱能轉(zhuǎn)變成軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能,故進(jìn)汽排氣管道會因高溫?zé)崦洰a(chǎn)生較大熱位移,同時對汽輪機(jī)的設(shè)備管嘴產(chǎn)生很大的作用力和力矩。若相關(guān)重要管道布置不合理，可能會導(dǎo)致設(shè)備管嘴受力或力矩超過允許值，可能會引起汽輪機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子的摩擦和接觸，機(jī)組振動的增加,連接法蘭的泄露,還可能會致使汽輪機(jī)殼體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、移位等,甚至引起機(jī)械損壞，被迫停車。故汽輪機(jī)進(jìn)汽排氣管道的設(shè)計(jì)除了要綜合考慮相關(guān)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(shè)定，盡可能的將管道熱漲產(chǎn)生的反力，力矩限制到最小，并控制在汽輪機(jī)管嘴受力允許值內(nèi)外，還應(yīng)為壓縮機(jī)及周圍設(shè)備的操作，維修留出足夠的空間。

按照汽輪機(jī)排汽的形式,汽輪機(jī)可劃分為凝汽式汽輪機(jī)和背壓式汽輪機(jī)。本文主要圍繞某廠重整裝置背壓式汽輪機(jī)的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 背壓式汽輪機(jī)管線布置原則

背壓式汽輪機(jī)進(jìn)汽介質(zhì)為高溫高壓蒸汽,設(shè)計(jì)管道時應(yīng)首先考慮應(yīng)利用管道自然彎曲所具有的柔性補(bǔ)償高溫引起的熱漲和端點(diǎn)位移。這種自然補(bǔ)償補(bǔ)償方式的特點(diǎn)是：構(gòu)造比較簡單，運(yùn)行可靠，投資也相對較少。但由于單純靠這種方式補(bǔ)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(bǔ)償并不能完全滿足設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求,還應(yīng)配合使用限位,導(dǎo)向,彈簧支吊架等,使管系適應(yīng)變形需要,減少設(shè)備管嘴受力。設(shè)計(jì)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(diào)整支吊架形式與位置。

(3)選用人工補(bǔ)償器(波形，套管式，球形補(bǔ)償器)。

本文中主要采用1)，2)兩種措施組合的方法。

應(yīng)分開布置背壓式汽輪機(jī)的蒸汽線、潤滑油線、動力調(diào)節(jié)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(yīng)保持至少200mm的凈距。在為汽輪機(jī)壓縮機(jī)等設(shè)備預(yù)留足夠操作及檢修空間的前提下，汽輪機(jī)進(jìn)出口的操作閥門宜以方便操作，集中布置為設(shè)計(jì)原則。

2 汽輪機(jī)管嘴允許受力

管道對轉(zhuǎn)動設(shè)備的推力及力矩可按照美國電氣制造商協(xié)會的NEMA SM 23[1]標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。NEMA SM23目前是國際推薦性汽輪機(jī)管嘴受力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),因其中對汽輪機(jī)管嘴允許受力最嚴(yán)苛。事實(shí)上，一般汽輪機(jī)器制造廠家可按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，適當(dāng)?shù)姆艑捲试S推力和力矩的限制。設(shè)計(jì)前一般設(shè)計(jì)院在汽輪機(jī)的技術(shù)協(xié)議中要求管嘴受力為規(guī)范的2-2.5倍,若管道設(shè)計(jì)方案在應(yīng)力計(jì)算完成后,核算仍不達(dá)標(biāo),可把計(jì)算結(jié)果提供給制造廠進(jìn)行校核。本裝置在汽輪機(jī)的技術(shù)協(xié)議中要求管嘴受力為NEMA SM23的2倍。

3 進(jìn)氣管線設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)氣管線應(yīng)力校核

GB/T 20801中規(guī)定,當(dāng)管道操作溫度≥400℃，設(shè)備管口有特殊載荷要求時應(yīng)對該管道進(jìn)行管道應(yīng)力分析，同時SH/T 3041中也明確規(guī)定進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道宜用計(jì)算機(jī)分析進(jìn)行詳細(xì)的柔性設(shè)計(jì)。故蒸汽輪機(jī)的進(jìn)排氣管道布置方案必須經(jīng)柔性計(jì)算，驗(yàn)證方案的準(zhǔn)確性。

蒸汽輪機(jī)進(jìn)汽介質(zhì)為中壓蒸汽,具體參數(shù)見表1。

表1 汽輪機(jī)進(jìn)汽管道計(jì)算參數(shù)

進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道應(yīng)整體進(jìn)行分析(從起點(diǎn)至終點(diǎn)),從而更易確定合理的熱補(bǔ)償方案。汽輪機(jī)進(jìn)汽管線必須從蒸汽總管頂部接出,接出點(diǎn)不可在π型補(bǔ)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(shè)置了π型補(bǔ)償器，補(bǔ)償器附近位移較大，故接出點(diǎn)與總管π彎應(yīng)保持一定距離，蒸汽管線盡量避免出現(xiàn)液袋,當(dāng)無法避免時,必須添加疏水系統(tǒng)。本裝置汽輪機(jī)有兩個入口,這種雙進(jìn)汽形式的管道一般都會對稱布置,有利于管道柔性及應(yīng)力分析。圖1為背壓式汽輪機(jī)進(jìn)汽蒸汽管線布置圖。可以看出整個管線多次進(jìn)行自然補(bǔ)償,提高管道整體柔性，汽輪機(jī)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(jī)進(jìn)汽管線布置圖

圖2 汽輪機(jī)進(jìn)氣管道單線圖

圖2為汽輪機(jī)進(jìn)氣管道單線圖,圖中15點(diǎn),20點(diǎn)均為汽輪機(jī)蒸汽入口。管道設(shè)計(jì)條件見表1。

15點(diǎn)管嘴最大熱位移:(制造廠提供):

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

20點(diǎn)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(diǎn)連接的進(jìn)汽管嘴為-Y方向，機(jī)體與管道的熱脹也為-Y方向,在進(jìn)汽管線靠近汽輪機(jī)管嘴的第一個彎頭處13、18點(diǎn)設(shè)置彈簧支/吊架，為了控制管道在冷熱狀態(tài)下支吊點(diǎn)的載荷變化及吸收豎向位移，同時在11、12、16、17也設(shè)置了彈簧支架，分擔(dān)管道荷載吸收位移；14、19點(diǎn)設(shè)置-Z方向止推支架，避免水平位移對嘴子產(chǎn)生扭矩，故在管嘴直接相連的立管上設(shè)置限位支架,只允許管線做上下位移。9點(diǎn)設(shè)置-X方向止推支架。通過應(yīng)力分析軟件CAESAR II，建模分析計(jì)算出操作工況，暖機(jī)工況，設(shè)計(jì)工況種工況3下,汽輪機(jī)進(jìn)汽管嘴的力，力矩和位移。結(jié)果見表2。

表2 汽輪機(jī)進(jìn)汽法蘭處應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表中:OPE1為操作工況;OPE2為暖機(jī)工況;OPE3為設(shè)計(jì)工況。

本項(xiàng)目汽輪機(jī)技術(shù)協(xié)議已確定汽輪機(jī)允許力和力矩應(yīng)按照NEMA 23標(biāo)準(zhǔn)的兩倍執(zhí)行,通過核算,此設(shè)計(jì)滿足廠家提供的允許值。

3.2 進(jìn)氣管線支架設(shè)計(jì)

管道設(shè)計(jì)除了管線的走向設(shè)計(jì),正確設(shè)置支吊架也是一項(xiàng)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(fù)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(jī)接管法蘭的推力及力矩。圖2已經(jīng)標(biāo)出各個節(jié)點(diǎn)的支架選型結(jié)果。11、12、13、16、17、18點(diǎn)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(jī)基礎(chǔ); 10、18點(diǎn)為變力彈簧吊架，見圖3-b,生根在EL+8500層平臺梁底;6點(diǎn)支架要求可靠可調(diào)止推,并需保證間隙為0,見圖3-c;4點(diǎn)為軸向限位剛性支架;其余點(diǎn)為普通剛性支架。

圖3 支架示意圖

3.3 進(jìn)氣管線其他設(shè)計(jì)要求

(1)汽輪機(jī)進(jìn)氣管線的低點(diǎn)處應(yīng)設(shè)疏水裝置,防止凝結(jié)水進(jìn)入汽輪機(jī),造成葉片損壞。

(2)進(jìn)氣管道壓力達(dá)到3.7MPa，壓力過高會造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速增大，外殼超壓,設(shè)備損壞。進(jìn)汽管線上應(yīng)設(shè)置泄壓或調(diào)節(jié)壓力的安全閥或者調(diào)節(jié)閥,以保證壓力的穩(wěn)定,維持恒定轉(zhuǎn)速。

(3)為防止汽輪機(jī)突然升溫快速產(chǎn)生的熱應(yīng)力無法釋放，開機(jī)前應(yīng)對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子及汽輪機(jī)殼進(jìn)行預(yù)熱，減少機(jī)體振動，避免機(jī)械損壞，進(jìn)汽管道的切斷閥應(yīng)設(shè)計(jì)低于主管口徑的預(yù)熱旁路閥。本裝置進(jìn)汽輪機(jī)主管道切斷閥尺寸為DN300,旁路切斷閥的為DN80，預(yù)熱時，開啟旁路，蒸汽通過管道及汽輪機(jī)產(chǎn)生預(yù)熱作用的同時，氣量又不會致汽輪機(jī)工作。此預(yù)熱閥門同時還有平衡主切斷閥壓力的作用,使預(yù)熱切斷閥易于開啟。

(4)靠近汽輪機(jī)進(jìn)口的管道應(yīng)留帶法蘭的可拆卸段[2]，因?yàn)槠啓C(jī)在試運(yùn)行前，要在法蘭處接臨時吹掃管線引至廠房外對進(jìn)汽管道進(jìn)行蒸汽吹掃，以防管道內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)身，引起設(shè)備損壞。

(5)一般汽輪機(jī)的驅(qū)動蒸汽由主管橋引出,距離汽輪機(jī)較遠(yuǎn),導(dǎo)致進(jìn)汽管道產(chǎn)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(jī)廠房外放空,端部接消音器。

入口細(xì)節(jié)如下圖4。

圖4 進(jìn)氣管道細(xì)節(jié)圖

4 排氣管線設(shè)計(jì)

4.1 排氣管線應(yīng)力校核

與進(jìn)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(jī)做功溫度甚至能達(dá)到340℃。根據(jù)NEMA SM23計(jì)算公式[1]，當(dāng)量直徑計(jì)算方法當(dāng)Dc大于22.5 cm時, Dc=(45+Dzs)/3當(dāng)量直徑增率變小,設(shè)備單個管嘴各方向允許值增量變小,故較進(jìn)汽管道進(jìn)口DN200而言,排汽管道DN400管嘴校核更為嚴(yán)苛。

背壓式汽輪機(jī)排氣介質(zhì)為低壓蒸汽，若排氣溫度高于低壓蒸汽管網(wǎng)溫度時，需在并入低壓蒸汽管網(wǎng)前設(shè)置減溫器。本裝置汽輪機(jī)位于平面布置圖的壓縮機(jī)區(qū),距離主管橋平面距離有50多米。分段考慮熱補(bǔ)償,以阻斷管橋上蒸汽管線的熱脹對汽輪機(jī)管嘴的影響,降低管系的復(fù)雜程度，在排氣管線的某位置設(shè)置固定或限位支架。同時增大排氣管道在靠近汽輪機(jī)側(cè)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(jī)的有效出力。做設(shè)計(jì)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(jī)排氣應(yīng)力計(jì)算已包括安全閥和消音器放空管道。

圖5 汽輪機(jī)排氣管道單線圖

圖5為汽輪機(jī)排氣管道單線圖,圖中1點(diǎn)為汽輪機(jī)蒸汽出口。管道設(shè)計(jì)條件見表3。

1點(diǎn)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(jì)算參數(shù)

表4 汽輪機(jī)排氣法蘭處應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算時要將不同工況均考慮其中。通過核算,此設(shè)計(jì)滿足制造廠要求。

4.2 排氣管線支架設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)排汽口的方向也朝下,故在排汽口靠近汽輪機(jī)的管嘴第一個彎頭處同樣也應(yīng)考慮設(shè)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(jié)點(diǎn)的支架選型設(shè)計(jì)結(jié)果。2、3、4點(diǎn)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(diǎn)之間的熱位移,減少因熱位移及磨擦力對設(shè)備出口嘴子所產(chǎn)生的力及力矩。彈簧形式如圖四-a,生根在壓縮機(jī)基礎(chǔ);9點(diǎn)為固定支架,生根在地面基礎(chǔ),支架底板按結(jié)果做水平4個方向的限位;其余點(diǎn)為普通剛性支架。

4.3 排氣管線其他設(shè)計(jì)要求

(1)靠近排汽管道出口，在水平段設(shè)置止回閥，見圖5標(biāo)注。目的是為了防止汽輪機(jī)突然停機(jī)時，蒸汽管網(wǎng)中蒸汽倒流，引起汽輪機(jī)反轉(zhuǎn)。

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

5 結(jié)束語

綜上所述,汽輪機(jī)的管線設(shè)計(jì),應(yīng)綜合考慮管線走向、支吊架的選型和位置設(shè)置,通過分析,計(jì)算,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),方可確定有效方案,確保蒸汽輪機(jī)進(jìn)排氣嘴子的受力滿足嘴子允許值,使蒸汽輪機(jī)可以高效,長久,安全,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。