阿拉尔市中泰纺织科技有限公司
摘要：汽轮机的管线设计，应综合考虑管线走向、支吊架的选型和位置设置，通过分析，计算，结合实践经验，方可确定有效方案，确保蒸汽轮机进排汽管路系统的受力满足材质允许值，使蒸汽轮机可以高效、长久、安全、稳定运转。
关键词：背压式汽轮机；管道；设计
前言
汽轮机属于高精密，高转速，能量转换装置，通入高温高压的蒸汽，将热能转变成轴旋转的机械能，故进汽排气管道会因高温热胀产生较大热位移，同时对汽轮机的设备管嘴产生很大的作用力和力矩。若相关重要管道布置不合理，可能会导致设备管嘴受力或力矩超过允许值，可能会引起汽轮机的定子与转子的接触和摩擦，机组振动的增加，连接法兰密封的泄露，还可能会致使汽轮机上下或内外缸结构发生变形、移位等，甚至引起机械损坏，被迫停车。故汽轮机进汽排气管道的设计除了要综合考虑相关重要管线的走向，支吊架（承重支吊架、限制性支架等）类型的选择及位置的设定，尽可能的将管道热涨产生的应力、力矩限制到最小，并控制在汽轮机管嘴受力允许值内外，还应为压缩机及周围设备的操作，维修留出足够的空间。按照汽轮机排汽的形式，汽轮机可划分为凝汽式汽轮机和背压式汽轮机。
1汽轮机进出口管道的典型设计要求
SH/T3012—2011《石油化工管道布置设计规范》第5.10.2要求：汽轮机的进出口管道布置应经过柔性计算确定，管道对管口的作用力和力矩应符合制造商或NEMASM23的要求。在汽轮机管道的柔性设计中，除了要保证管道走向有足够的柔性以外，尚需要特别注意以下两点：
（1）X、Z向限位支架的位置和设计对于汽轮机管口的推力控制十分重要，保证管道产生的热膨胀不会在汽轮机的管口产生过大的推力。
（2）汽轮机管口附近的弹簧支吊架均应采用可变弹簧支吊架，以满足汽轮机进出口管道进行无应力安装的要求。
2背压式汽轮机管线布置原则
背压式汽轮机进汽介质为高温高压蒸汽，设计管道时应首先考虑应利用管道自然弯曲所具有的柔性补偿高温引起的热涨和端点位移。这种自然补偿方式的特点是：构造比较简单，运行可靠，投资也相对较少。但由于单纯靠这种方式补偿不仅受厂房空间大小等限制，弯头的增多，也使得压降降低，管线易震动，故自然补偿并不能完全满足设备安全运转的要求，还应配合使用限位，导向，弹簧支吊架等，使管系适应变形需要，减少设备管嘴受力。设计时一般采用以下一种或几种措施增加管道柔性：
（1）改变管道的走向。
（2）调整支吊架形式与位置。
（3）选用人工补偿器（波形，套管式，球形补偿器）。
本文中主要采用1），2）两种措施组合的方法。
应分开布置背压式汽轮机的蒸汽线、润滑油线、动力调节油管线。如条件不允许或有特殊要求，必须并行成交叉布置时，这3类管线间应保持至少200mm的净距。在为汽轮机压缩机等设备预留足够操作及检修、巡检空间的前提下，汽轮机进出口的操作阀门宜以方便操作，集中布置为设计原则。
3汽轮机管嘴允许受力
管道对转动设备的推力及力矩可按照美国电气制造商协会的NEMASM23标准计算。NEMASM23目前是国际推荐性汽轮机管嘴受力的计算标准，因其中对汽轮机管嘴允许受力最严苛。事实上，一般汽轮机器制造厂家可按照实际经验数值，适当的放宽允许推力和力矩的限制。设计前一般设计院在汽轮机的技术协议中要求管嘴受力为规范的2－2．5倍，若管道设计方案在应力计算完成后，核算仍不达标，可把计算结果提供给制造厂进行校核。本装置在汽轮机的技术协议中要求管嘴受力为NEMASM23的2倍。
4进气管线设计
4.1进气管线应力校核
GB/T20801中规定，当管道操作温度≥400℃，设备管口有特殊载荷要求时应对该管道进行管道应力分析，同时SH/T3041中也明确规定进出汽轮机的蒸汽管道宜用计算机分析进行详细的柔性设计。故蒸汽轮机的进排气管道布置方案必须经柔性计算，验证方案的准确性。进出汽轮机的蒸汽管道应整体进行分析（从起点至终点），从而更易确定合理的热补偿方案。汽轮机进汽管线必须从蒸汽总管顶部接出，接出点不可在π型补偿器上，且切断阀宜尽量靠近总管。为保证蒸汽管道的柔性，总管和分支管均设置了π型补偿器，补偿器附近位移较大，故接出点与总管π弯应保持一定距离，蒸汽管线尽量避免出现液袋，当无法避免时，必须添加疏水系统。本装置汽轮机有两个入口，这种双进汽形式的管道一般都会对称布置，有利于管道柔性及应力分析。可以看出整个管线多次进行自然补偿，提高管道整体柔性，汽轮机入口分两路对称布置，减小中压蒸汽管道对管嘴受力的影响。项目汽轮机技术协议已确定汽轮机允许力和力矩应按照NEMA23标准的两倍执行，通过核算，此设计满足厂家提供的允许值。
4.2进气管线支架设计
管道设计除了管线的走向设计，正确设置支吊架也是一项极其重要的工作，支吊架可以承受管道载荷还能去起到限位和减小管系振动的作用。对于这种复杂管系，在合适位置组合使用不同类型支吊架，可以有效减小汽轮机接管法兰的推力及力矩。
5排气管线设计
5.1排气管线应力校核
与进汽管道温度450℃相比，排汽管道的温度明显降低，但依旧有280～300℃，在试车阶段，由于未带动压缩机做功温度甚至能达到340℃。根据NEMASM23计算公式，当量直径计算方法当Dc大于22.5cm时，Dc＝（45＋Dzs）／3当量直径增率变小，设备单个管嘴各方向允许值增量变小，故较进汽管道进口DN200而言，排汽管道DN400管嘴校核更为严苛。背压式汽轮机排气介质为低压蒸汽，若排气温度高于低压蒸汽管网温度时，需在并入低压蒸汽管网前设置减温器。本装置汽轮机位于平面布置图的压缩机区，距离主管桥平面距离有50多米。分段考虑热补偿，以阻断管桥上蒸汽管线的热胀对汽轮机管嘴的影响，降低管系的复杂程度，在排气管线的某位置设置固定或限位支架。同时增大排气管道在靠近汽轮机侧管道的柔性，减少对嘴子的推力和力矩。
5.2排气管线支架设计
汽轮机排汽口的方向也朝下，故在排汽口靠近汽轮机的管嘴第一个弯头处同样也应考虑设置大行程弹簧支架，点支架选型为支撑搁置型顶板带聚四氟乙烯的恒力碟簧，便于吸收出口至固定点之间的热位移，减少因热位移及磨擦力对设备出口嘴子所产生的力及力矩。
6结论
在汽轮机进出口管道设计时，合理设计布置汽轮机蒸汽进出口管道的走向、支架位置和型式等十分重要，除了按照SH/T3012—2011《石油化工管道布置设计规范》进行设计以外，尚需注意以下几点：
（1）为防止汽轮机组运行时承受额外的载荷，在对汽轮机进出口管道安装时要做到无应力安装。
（2）在对汽轮机进出口管道进行无应力安装后，先检查管线上的弹簧支吊架定位销是否已经全部移除，以防管线运行情况与设计出现偏差造成汽轮机运行异常。
（3）检查现场支吊架的设计是否和原设计一致，特别是对于承受水平推力的轴向限位支架，除了要保证管道支架的强度以外，还要保证管道支架的刚度足够大，以确保现场的实际情况与原设计时的理论计算相一致。
参考文献：
[1]张德姜，王怀义，刘邵叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册———第一篇设计与计算［M］.4版.北京.中国石化出版社，2009：216-217.
[2]张德姜，王怀义，丘平.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].北京：中国石化出版社，2013.