離心式壓縮機驅動機入口蒸汽線的配管研究

紀星橋

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

1 蒸汽輪機入口管道的設計要求

(1)蒸汽輪機進口管道布置應經柔性計算確定，管道對管口的作用力和力矩應滿足制造廠或NEMA SM23的要求。

(2) 蒸汽輪機的蒸汽進口管道上根部切斷閥宜靠近蒸汽總管布置，并應設預熱旁路閥。

(3)蒸汽輪機的進口管道應有排凝設施，以防止啟動時凝結水進入蒸汽輪機造成葉片的損壞。

(4)靠近蒸汽輪機進口管口的管道上，應設置一個可拆卸的帶法蘭短節，以便在試運前安裝吹掃用臨時管道。

(5)蒸汽輪機啟動前，對蒸汽參數有一定要求，需進行暖管和暖機。

2 某廠選用離心式壓縮機的特點

圖1 壓縮機及蒸汽輪機承臺示意圖

某廠選用的離心式壓縮機是為該廠100萬t/a延遲焦化裝置壓縮焦化富氣而設，分壓縮機和汽輪機兩部分，壓縮機采用離心式(二級壓縮)，蒸汽輪機用來驅動壓縮機，兩機共用底座，合用基礎承臺。壓縮機及汽輪機安裝于半敞開式廠房中，廠房東側有小管廊和操作平臺，廠房分為上下兩層(地面層和EL+6800層，外加EL+13700層高位油箱)，地面層布置分液罐、冷卻器、凝縮油罐和潤滑油站、氣封冷卻器等輔助設施；壓縮機承臺起于廠房內地面上，為鋼筋混凝土結構，地下有獨立的基礎，承臺頂部與二層平齊。(見圖1)壓縮機主機、蒸汽輪機主機及干氣密封系統位于承臺以上的二層(EL+6800層)。壓縮機及蒸汽輪機均采用底進底出式，設備管口向下，管道從承臺頂板及底座的開口處連接壓縮機管口。

蒸汽輪機入口驅動蒸汽為3.5 MPa過熱蒸汽，溫度400℃；管口直徑為DN150，CL600lb。

3 汽輪機入口管道的設計

在該廠離心式壓縮機組的配管設計中，由于汽輪機屬于轉動設備，允許受力限制非常嚴格，所用的驅動蒸汽管線溫度、壓力較高，其性能狀況直接影響機組的壽命和安全運行。所以在整個壓縮機組的配管設計中作為重點考慮的管線，事先進行了配管規劃。該管線設計最需要注意的地方是必須滿足管系整體的柔性要求及汽輪機廠家提出的管口受力要求。根據溫壓需要，該入口管線選用15CrMoG材質，在布置規劃時充分考慮了廠房的結構特點，利用廠房東側的小管廊及操作平臺，形成Π型自然補償，管線進入廠房后利用廠房的結構梁作支撐，并圍繞壓縮機承臺配管，以便于支撐和熱補償。

壓縮機承臺周圍有4根600×600 mm的混凝土立柱，為了利用承臺支撐管線并操作閥門、檢測儀表，承臺頂板及柱子上都根據配管需要預埋了鋼板，承臺周圍設置了局部操作平臺，供操作檢修使用。

4 蒸汽輪機入口管線配管示意圖

注: 1)圖中△表示一般支吊架，▲表示彈簧支吊架；

2)圖中“PS-XX”表示支吊架編號，“PT、PG”表示壓力儀表，“TE、TG”表示溫度儀表，“FE”表示 流量計；

3)圖中粗實線表示入口主蒸汽管道，虛線表示與之相連的放空管道。

圖2 蒸汽輪機入口管線配管示意圖

5 汽輪機入口蒸汽管線的應力分析

5.1 對汽輪機入口管線進行應力分析的必要性

根據GB/T20801.3《壓力管道規范 工業管道 第三部分：設計與計算》的要求，下列管道需要進行應力分析：

(1)設備管口有特殊的載荷要求；

(2)預期壽命內熱循環次數超過7000的管道；

(3)操作溫度大于或等于400℃，或小于-70℃的管道。

汽輪機入口管線蒸汽溫度400℃，汽輪機入口有嚴格的受力要求，所以在規劃管線后，用CAESAR II 軟件進行了應力分析。

(汽輪機廠家提供的管口最大受力：FX=2650 N，FY=6500 N，FZ=5000 N，MX=4050 N，MY=3740 N，MZ=3740 N)。

5.2 初步配管方案(方案一)及應力分析結果

方案一在a點加了止推支架，將壓縮機區管系與主管帶隔開，分段進行應力分析，防止主管帶的推力影響到壓縮機區。在b-c-d-e段利用廠房東側的小管廊形成自然補償，支架支撐在EL+4700層管帶及EL+6700層平臺梁上(參考圖2)。

蒸汽管線進入廠房內后，管底標高變為EL+4200，架PS-08支撐在廠房柱上(PS-08最初建模時設置為彈簧吊架，后因垂直位移變化量很小，改為普通吊架)，架PS-09～架PS-10設在圍繞壓縮機承臺設置的EL+2700層操作平臺梁、柱上，架PS-11生根于壓縮機承臺下。f-g-h-i段圍繞壓縮機承臺形成熱補償。 在初步完成配管之后，用CAESAR II 軟件對管系進行了應力計算，一次應力最大點受力為管系允許受力的40.7%，二次應力最大點受力為管系允許受力的29.6%，管系應力不超過允許受力范圍。

但設備管口Node：5000點MX、MZ方向操作工況下的力矩以及FY方向的二次應力超過了廠家提供的管口允許受力及力矩范圍，參見表1。

表1 方案-1應力計算模型計算出汽輪機管口的受力和力矩

5.3 修改后的方案(方案二)及應力分析結果

為了減小管口Node：5000點MX、MZ方向的力矩，分析原因，可能是b-c-d-e段產生的熱脹量推動管系，對管口產生了過大推力引起的，方案二修改配管及應力分析模型，將架PS-10變為止推支架，并將架PS-11改為彈簧吊架來減小FY方向的二次應力，在重新計算應力及管口受力之后，得到如下表的數值，參考表2。

表2 方案二應力計算模型計算出汽輪機管口的受力和力矩

方案二在MX、MY、MZ方向的力矩均符合要求，FY方向的二次應力減小，所以最后的配管采用了方案二的形式。彈簧支吊架參數見表3。

表3 彈簧支吊架一覽表

6 結束語

綜上所述，汽輪機入口主蒸汽管道的布置對于裝置的安全運行起著重要作用，用可靠的軟件對管道進行應力分析是保證管道和機組安全運行的必要前提。本文以某廠延遲焦化裝置焦化富氣壓縮機驅動蒸汽線的配管設計為例，通過分析規劃管道走向，合理設置支吊架使之滿足各項標準規范的要求，得到了較為優化的配管設計。

通過配管研究可以看出，做管道預規劃和應力分析時，要結合實際情況，綜合考慮廠房條件以及周邊可利用的管架、壓縮機承臺等，首先考慮通過合理布局，設置自然補償以及合理設置支吊架等來增加管道的柔性。對于局部受力超標，宜首先考慮調整支吊架的形式和位置，比如設置彈簧和止推支架來解決問題；如仍不能滿足要求，再考慮修改配管。總結出的一個經驗是：在靠近汽輪機入口的管段上采用止推支架限制因管系較長產生的推力以及在靠近入口的管段上設置彈簧支架有利于減小管口的力矩和二次應力。