管道設計和安裝對汽輪機穩定性的影響分析

畢雪，段森，楊曉輝

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

管道對汽缸穩定性的影響到底有多大？最為直觀地說明就是管道影響汽缸穩定性的事例。經調研，該類事例多是由于實際管道端口推力和力矩過大，與理論計算不符，造成汽缸失穩。以下為筆者遇到的一起典型的電廠管道事例。

某超超臨界1000 MW機組安裝過程中，由于臨時吹掃管道布置不合理，缺少對吹掃工況進行必要的校核，在吹掃之后管道對汽缸產生了額外推力，導致中壓缸貓爪負荷與設計值偏差較大，最多相差約5×105N，汽缸穩定性不符合要求。事后經調研發現，吹掃管道為電建臨時布置，由于此工作非設計院范圍，設計院未對此工況校核，而此時進行了機組負荷測量，偏差較大，導致業主對汽缸穩定性提出質疑。其他電廠也發生過由于支吊架及彈簧安裝誤差而產生的安裝應力，對設備產生額外推力的情況。

以上問題是由國內電廠管道的行業現狀導致的。筆者根據現有的安裝經驗及與設計院配合經驗獲悉，國內的電廠管道工作為三方分體負責制，即：電力設計院負責管系設計布置和校核，設備制造廠負責設備的設計制造并提供接口許用值，電建公司負責管道的供貨、施工、安裝、試驗。三方僅按目前國內常規工作流程溝通，對于管道的設計安裝要求沒有形成一個高度完善的體系，僅要求常規的設計工況滿足汽輪機接口力和力矩要求。這樣會在工作流程中出現易缺失控制項，這些缺失控制項最終會導致管道在連接至汽缸后對汽缸產生額外推力，影響機組穩定性。而GE、西門子、阿爾斯通等國外優秀企業的工作模式是將主要管道的設計安裝同汽輪機設備整體評估，從設計到安裝都有嚴格的要求。

綜上所述，研究管道的設計和安裝對設備穩定性影響，不應僅從管道自身出發，還應從設備穩定性角度出發，綜合考慮。

1 管道推力與汽缸穩定性

管道對端點（或設備）的推力和力矩，主要是由于管道熱脹或冷縮應變所產生。與汽輪機連接的蒸汽管道，主要有主蒸汽管道、冷再熱和熱再熱管道、抽汽管道、排汽管道和汽封管道等。蒸汽管道直徑越大，管壁越厚，對汽輪機的推力和力矩也越大。

當管道的推力和力矩相當大時，超過了汽缸自重的自穩能力，就會使汽輪機發生翻轉，使轉動機械移位或卡位，影響機組安全運行[1]。

2 缺失的計算工況及其影響

本節從管道設計角度出發，分析計算工況的完整性。

管道計算的基本工況組合為：冷態工況C1（即首次安裝態，此時汽輪機和管道均為冷態）和熱態工況H1（即正常運行態，此時汽輪機和蒸汽處于正常工作溫度）。基于這兩種基本工況，根據各機組負荷的不同，能夠區分出多種“子”工況，如啟動工況、旁路運行工況、動態地震工況、動態汽錘工況、風載、雪載工況、基礎沉降工況、偏擺工況等。

以上為國內設計院在常規計算中能夠考慮到的工況，但經調研發現，還有一些重要工況目前國內尚未考慮，如松冷工況、暖機工況、吹掃工況等。在管道設計過程中，應根據不同機組的特點合理選擇這些工況作為新增工況。

1）松冷工況。

松冷工況針對處于高溫蠕變溫度下工作的管系。如果熱脹產生的初應力相當大，在熱態就會由于屈服、蠕變和應力松弛而使應力降低下來。熱態降低應力之處，在冷態就會產生反方向的應力，這種現象稱為管系的自拉[1]。工程中常稱之為應變自均衡冷態工況或松弛后冷態工況。此時，汽輪機和管道處于冷態，即環境溫度。

經調研，松冷工況國內很少計算，且目前各大設計院對松冷工況的計算方法尚不統一，但此工況為GE公司在管道設計過程中的必算項。

2）暖管工況。

暖管工況是指蒸汽在未進入汽輪機，而在管道前通過旁路進行通汽，使管道受熱的工況，此時設備接口熱位移為零。對于應力分析而言，最惡劣的工況不是安裝、操作工況等常規工況，而是汽輪機沖轉前的暖管工況，因為安裝工況是冷管冷機狀態，操作工況是熱管熱機狀態，這兩個狀態是熟知的，而暖管是熱管冷機狀態，是一種容易被人忽視的真實存在的工況。

3）吹掃工況。

提出吹掃工況的校核要求主要是基于開頭提到的機組發生的事故，此工況處于安裝階段中現場進行的，電建公司未經校核隨意搭建吹掃管道，導致推力和力矩超標。同時還應考慮其他在安裝階段會出現但無法預知的工況。此工況為在現場臨時執行，無法提前預知。

接下來，以某 超 超 臨 界1000 MW 機組熱段再熱管道為研究對象，使用CAESAR II 管道計算軟件進行建模計算，并分析結果。管道模型如圖1所示。

圖1 某超超臨界1000 MW機組熱段再熱管道

管道計算參數：規格為φ860.4 mm×55.1 mm、材質為A335P92、設計壓力為6.72 MPa（g），設計溫度為618 ℃。

基本的冷熱態工況計算結果如表1所示。

表1 基本冷熱態工況結果

由計算結果可知，熱段再熱管道由于其本身管徑和壁厚較大、工作溫度較高，導致其對汽缸的各方向推力和力矩均很大，如發生較大的變化幅度，會對汽缸穩定性產生嚴重影響。主蒸汽管道、抽汽管道及連接至汽缸的各大管道均同理。

基于以上基本結果，進行了新增工況的推力和力矩的計算。將各新增工況的計算結果與基本工況結果進行了比對，并作出對比圖，如圖2所示。

圖2 3種新增工況的影響結果

通過對比可知，各工況時，各方向力和力矩均發生了不同程度的變化，松冷工況時MY變化最大，可達到約60倍；暖管工況時MZ變化最大，可達到約7倍；吹掃工況時，MY變化最大，可達到約7倍。其中，鑒于目前各大設計院對松冷工況的計算方法不統一，本文選取其中一種方法進行的計算。

至此可知，新增的工況對端口推力和力矩影響很大，從汽輪機設備角度出發，必須進行嚴格控制。同時，雖然新增工況不是運行狀態，但由于力和力矩變化較大，會對汽缸產生影響，不能以此為依據考核汽輪機。

3 實際的偏差因素及其影響

本節從安裝角度出發，分析管道安裝流程中未考慮的實際因素。

影響管道安裝效果的因素多種多樣，經分析，影響最大而在實際工作中又缺少控制的因素為實際供貨與理論設計的尺寸、質量偏差，包括管道管件、支吊架、保溫材料等。這些尺寸和質量的偏差會造成以下兩種影響。

1）影響彈簧支吊架載荷。

彈簧支吊架廣泛應用于電廠管道上，既能承受載荷，又允許存在垂直位移。設計時，根據彈簧的工作荷載、運行時的位移量和位移方向，以及管道的空間位置，確定彈簧的形式、工作位移范圍、彈簧支吊架編號和安裝載荷[2]。在安裝前必須按安裝載荷設置，如實物出現質量偏差，就會導致設計載荷與實際載荷不一致，如果載荷相差較大且超出彈簧允許范圍，那么設計載荷與實際載荷的差值會作為額外載荷反過來作用到管道上。電廠管道為了保證柔性會大量使用彈簧，導致這種額外載荷出現累積，影響較大。

2）影響端口推力。

實物的偏差引起的第二個影響是對端口推力的影響。管道是逐段焊接組裝至汽缸口的，如尺寸有偏差，會跟隨管道的安裝逐個累積，最終的偏差效果只能在管道連接至缸口的最后一個焊縫時，檢查管道作用力時才能被發現。如果偏差過大，需要重新調整管道、調整支吊架等，所需時間長，影響安裝時間。

調研GE公司的管道安裝流程時發現，GE公司強烈建議：對于每單位長度重力大于4 kN/m的主蒸汽、再熱冷段和再熱熱段管道，或壁厚大于60 mm的管道，強烈建議在安裝管段之前對彈簧設定值進行附加檢查；現場收到管段后，考慮到管道部件的實際質量，強烈建議根據現場稱重（或供應商文件所示質量）重新計算管道作用力及彈簧設定值；不建議使用僅通過名義管道質量設定值安裝管道支吊架系統。通過總裝前的重新計算，可以提前改變支吊架的設置值，節省現場安裝的寶貴時間。而該項工作在國內很少執行。

還是以某超超臨界1000 MW機組熱段再熱管道為研究對象，選取不同偏差尺寸的管道分別在冷態和熱態時的端口推力和力矩，并將其與表1中正常工況結果進行比對。根據供應商提供的管道實際偏差，本文選取兩種偏差情況：a.內徑偏差+2 mm，壁厚不變；b.內徑偏差+2 mm，壁厚偏差-1 mm。結果如圖3和圖4所示。

圖3 熱態時尺寸偏差的影響結果

圖4 冷態時尺寸偏差的影響結果

通過結果可知，尺寸的偏差對某些方向的推力或力矩影響很大，且變化幅度不同。質量的偏差最終反映到管道計算模型中也需轉化為尺寸偏差進行計算，與此結果類似。

由此可知，實物的尺寸和質量的偏差對端口推力和力矩影響很大，從保護汽輪機設備角度出發，必須嚴格控制。但由于各項目的參數、口徑、管道布置各不相同，且實物偏差存在不確定性，最終結果會各不相同，無特別明顯的規律可循，必須一事一議。

4 結論

電廠管道在設計時應考慮計算工況的完整性，設計院與設備制造廠應積極溝通，結合機組的參數、布置及其他特點，在常規的冷態、熱態基礎上，合理選擇特殊工況，并考慮新增松冷、暖機、吹掃等工況；在安裝時，電建公司應及時提供實物的尺寸、質量等偏差，與設計院和設備制造廠提前進行調整，減少額外偏差，滿足用戶安裝需求。

本文通過整合出的國內管道設計和安裝流程中缺失的工況和因素，并以某超超臨界1000 MW機組再熱熱段管道為例進行了計算校核，最終證明這些缺失控制項均需在管道設計和安裝過程中予以考慮。當然，影響管道最終效果的工況和實際因素還有很多，筆者在這里也是提供了一種解決思路。本文完善了目前國內電廠管道控制體系；從汽輪機設備角度出發，完善汽輪機設備穩定性控制要求；為適應國內管道分體負責制，為設計院、設備廠和電建公司提供風險控制點；并為已投運或在建機組出現管道事故時提供了解決辦法，最終達到將管道與設備一體化設計。

本文以實際的管道工程為例，說明本方法的有效性，管道的設計和安裝對汽輪機設備影響大，應在實際管道工作中重視。