石油化工装置中的汽轮机管道设计
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摘要：对石油化工装置中的汽轮机管道设计，从管道的布置、管道支架和管道受力进行分析阐述提出问题，并根据经验教训给出有效的解决方案。
主题词: 汽轮机，布置，出口管道的设计，疏水
中图分类号：S611文献标识码： A
炼油厂内输送可燃，易爆气体的离心压缩机，从安全及动力稳定和成本考虑多选用汽轮机作为其原动机提供动力。汽轮机作为一种高速精密的转动机械，在管道设计中必须对汽轮机进出口管道进行严格的应力分析与计算，验算汽轮机蒸汽进出口管道对汽轮机的推力和力矩，满足机器的受力要求，以免影响机器的运行。本文中的汽轮机指石油化工装置中用于驱动压缩机等关键设备的，卧式汽轮机。汽轮机按排汽形式又分凝汽式和被压式，文中仅对背压式汽轮机的管道设计进行分析。
一.汽轮机出入口管道总体布置原则
汽轮机是对管道推力比较敏感的转动设备，在机器制造厂未提出允许受力限制时，一般参照美国电器制造商协会标准NEMA SM23受力标准加以限制。NEMA SM23是推荐性标准，其允许受力限制非常严格，因此在汽轮机的订货阶段应要求机器制造厂适当放宽限制，或者管道应力计算完成后，经核算不符合要求时，可把计算结果提供给制造厂进行核算。作用于任一管口上的合力及合力矩应满足要求：进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心处的合力及合力矩应满足要求。具体计算公式判断方法NEMA SM23上讲得很清楚，在此不再累述。
与汽轮机相连接的管道主要有进气，抽气，排气，漏气等管道。蒸汽管道直径，蒸汽温度，管道壁厚，管道材质等都对汽轮机管嘴受力产生影响。按照汽轮机管道施工规范，管道焊接完毕后应打开管口法兰，检查机器法兰与管道法兰的平行度和同轴度。如果存在偏斜则需要采取措施予以校正，因此可以认为汽轮机升温前不受管道力与力矩的作用，升温后受到管道力与力矩作用完全由管道的热膨胀引起。管道热胀力与力矩除了与温度变化幅度有关外，还与管道自身的柔性存在密切关系。因此，配管设计应设法保证管道具有一定的柔性。为减小工作状态下管系对汽轮机管嘴的推力和力矩，管道布置应应有一定的柔性。在规划管道布置时应考虑管道支架生根及所需的空间。汽轮机进出口管道走向应能通过柔性来吸收管道的热位移和管嘴的附加位移,但设计大柔性管道往往是不易做到的,因为加大管道柔性通常需要更多的弯头和较大的拐弯,这会受到厂房空间的限制,另外也易于引发其它问题,比如压力降损失增大、管道容易振动、施工费用和材料费用增加等,因此管道设计还需要利用支吊架特别是限位架来控制和重新分布管道变形与位移,达到减小管道对汽轮机热胀力与力矩的目的。
蒸汽轮机的蒸汽管道、油管道、动力调节油管道应分开布置，如必须并行成交叉布置时，应保持一定的间距，净空不应小于200mm。而汽轮机进出口的切断阀和疏水阀应尽可能的集中布置，以便于操作，且进出口管道、疏水管道、油管道布置均不应妨碍操作及检修。
二.汽轮机入口管道的设计
进汽管道温度较高、压力较大，与汽轮机汽门的进汽阀相接。根据进汽量需要，汽轮机汽门有单进汽和双进汽两种形式。汽轮机入口管道的布置与压缩机整体平面布置及是否有分液罐有关。对于进汽管道应考管道自然补偿吸收管道的热膨胀量和管嘴的附加位移，不考虑使用膨胀节。如果在压缩机附近设有分液罐则可以将分液关做为固定点进行管道规划，如果进汽管道直接从管廊接出则应通过设置全固定支架使得压缩机进汽口管道与管廊管道互不影响，分段考虑管道的补偿问题。
进汽管道上通常设有中压蒸汽分水器。本文针对有分水器的汽轮机进行分析。中压蒸汽分水器的位置对管道作用力的形成和分布具有重要影响，可以很大程度上决定管道对汽轮机作用力的大小和作用方向。综合考虑管道布置、设备检修和布置美观，通常将其布置在汽轮机侧向的厂房边缘。同时，在进行管道设计的过程中，正确设置支吊架是一项极其重要的工作。在恰当位置设置有效形式的支吊架不仅可以避免汽轮机承受管道重量，而且可以按照预期和期望改变力与位移分布，有效地利用已有的管道柔性减小管道对汽轮机的力与力矩。
汽轮机冷态起动时，当蒸汽进入冷态的蒸汽管道时，将使管壁受热而温度升高，同时蒸汽急剧握结变成水。因此，暖管必须与管道的疏水密切配合，使积聚在管中的凝结水能及时疏出而不产生管道的水冲击。水冲击严重时会造成汽阀或汽管的联接法兰的破裂。当这些水被高速蒸汽流带入汽轮机时，会使汽轮机内部产生水冲击而使轴向力大增，并可能损伤转子和叶片。为了保证蒸汽进入汽轮机前保持参数稳定、准确，一般要在主汽阀前接一个带阀门的分支管引至室外放空，并设消音器。这也就是我们所说的“暖管线”。需要注意的是，暖管线应尽量从靠近嘴子处引出切断阀应靠近主管设置，这样才能达到效果。
―般所说的暖管是指主汽阀前蒸汽管道的暖管，预热主汽阀前的管线和汽室，检查锅炉供汽的温度和压力。主汽阀至调节汽阀一段管路的暖管，一般与起动暖机同时进行。暖管所需要的时间取决于管道长度，管径尺寸和蒸汽参数以及管道强度所允许的温升速度。暖管时可通过开启总汽阀的旁通阀来进行，但速关阀必须关闭。因此管道上的主切断阀应设预热旁路阀，旁路阀应按下列原则选取:所通过的蒸汽量既能达到预热目的，又不会使汽转机转动，而且旁通阀另一个重要作用是平衡切断阀两边压力，使主阀易于开启。
图一为某厂背压式汽轮机进汽管道布置图，图中100点为中压蒸汽分水器出口；630、830为汽轮机蒸汽入口。该管道的设计条件如下：
设计温度：T=435℃
设计压力：P=3.96MPa
管道直径：Ø219×10.0 / Ø114×8.5
管道材质：15CrMo
流本介质：中压过热蒸汽
图一汽轮机进汽管道布置图
630点(嘴子)附加位移(制造商提供)：
Δx=3.37mm
Δy=0.25mm
Δz=-3.45mm
830点(嘴子)附加位移(制造商提供)：
Δx=3.37mm
Δy=0.25mm
Δz=3.45mm
由于汽轮机进汽口、排汽口均向下，机体热胀和管道热胀均向下，所以进汽、排汽管线靠近管嘴处均应设置弹簧支、吊架以吸收机体和管道的热胀，如在图一中的570、575、770、775点设置弹簧支架；同时为了减小管系对汽轮机嘴子的力矩，应在与管嘴直接相连的立管上或靠近管嘴的水平管线上设置限位支架，只允许管线做上下位移，以防水平位移而造成的力矩，如图一中的570、770点设置止推支架。通过CAESAR II计算结果如下：
1.0Mpa蒸汽上的主切断阀的旁通阀直径选取如下表所示：
主切断阀直径DN（mm） ≤150 200 250 300 350
旁通阀直径DN (mm) 25 40 40 50 50
3.5Mpa蒸汽上的主切断阀的旁通阀直径选取如下表所示：
主切断阀直径DN（mm） ≤150 200 250 300 350
旁通阀直径DN (mm) 40 50 50 80 80
因汽轮机属高转速机械，不允许管道内有任何焊碴及其它有害杂质存在,所以汽轮机试运行前必须进行吹扫，而且要用打靶的方式来检查吹扫的结果，所以在靠近汽轮机管嘴的水平管道上要设置一对可拆卸带法兰短节。
三.汽轮机出口管道的设计
为了防止蒸汽轮机突然停机时，蒸汽倒流而造成汽轮机反转，排汽管道上应设置止回阀。排汽管道切断阀前应设置安全阀，安全阀出口管道应引至厂房外安全处并设置消音器，以免烫伤人和减少噪声污染。
排汽管道较进汽管道温度要低些，但仍有250～280℃，在试车阶段还由于未带动压缩机做功而可能达到320℃，另外其口径较进汽管道要大，所以排汽管道是也不易满足柔性要求的管道。
经过汽轮机排出的蒸汽并入低压蒸汽管网，通常汽轮机至管网之间的距离比较长，因此管道柔性设计中首先要考虑的是在恰当位置设置固定架或者一组限位架，以阻止外管对汽轮机的影响，从而缩小复杂柔性设计的管道范围，提高柔性设计的可靠性。
排汽管道止回阀前设有安全阀管道分支，该管道是为保证汽轮机有效出力设置的，管道所产生的影响是不可忽略的，应将其列入整个排汽管道系统的柔性分析当中。
图二汽轮机排汽管道布置图
图二为上述汽轮机的排汽管道布置图。图中10点为汽轮机的排汽管嘴，270点为固定支架。该管道的设计条件如下：
设计温度：T=250℃
设计压力：P=0.8MPa
管道直径：Ø356×8.0/ Ø273×6.5/ Ø219×6.5
管道材质：20#
流本介质：低压蒸汽
10点(嘴子)附加位移(制造商提供)：
Δx=0mm
Δy=-3.43mm
Δz=-2.13mm
因为汽轮机出口嘴子对汽轮机本体来说是对中布置的，这样在管道上设置止推支架尤为重要(如图二中的36点)，它可以极大地减少汽轮机出口嘴子的所受的力矩，而弹簧支架可以改善嘴子Y向受力状况。其计算结果如下：
对该汽轮机的蒸汽进出嘴子受力进行核算是满足NEMA SM23的要求的。
判断汽轮机进出口管系是否有足够的柔性，只凭经验是不够的，我们还需要详细的应力分析。详细的应力分析一般是通过专业应力分析人员采用CAESAR II等专业软件来完成的。在进行汽轮机管道柔性设计和应力分析时应注意：计算时必须考虑设备管嘴的热态位移，并应考虑最不利的工况；汽轮机管嘴附近的支吊架一般应采用弹簧支吊架，以减小因垂直管道的热胀引起的管嘴热态作用力，同时应采用低摩擦支架减小摩擦反力的影响；由于汽轮机各管嘴受力的整体综合校核常常最难通过，计算时应综合考虑各管嘴的受力使不同管嘴处的作用力能够相互抵消；在汽轮机管道中不宜采用冷紧措施。
三.蒸汽排凝疏水管道的设计
(1)由于蒸汽轮机是由蒸汽驱动的，而汽轮机高速转动时，要避免凝结水进入蒸汽轮机而损伤转子，所以蒸汽轮机进汽、排汽管道的低点、主汽门、汽轮机机壳，以及轴封处应设置排凝管道。
(2)由于汽轮机入口压力较高，汽轮机进汽管道的排凝及机壳排凝管道上的切断阀均应设置双阀。
(3)由于汽轮机排凝管数量较多，而且管径较小，为了便于支撑，且避免压缩机室内到处冒汽，影响美观，所有的排凝管道及阀组均应集中布置，集中排放，排放阀组总管上引一根管排至压缩机室外如下图所示。
四. 结论
在如今的炼油厂工程设计中，由于蒸汽轮机的众多优点，较广泛的被选取作为压缩机的驱动设备。尽管蒸汽轮机属高转速机器，对所受外力较为敏感，但只要我们在设计中注意管道走向的柔性，弹簧支架、限位支架、导向支架的合理设置，便能良好的保证蒸汽轮机进出口嘴子的受力较小，使蒸汽轮机可以长时间稳定运转。
参考文献：
1 于浦义，张德姜，唐永进编著石油化工压力管道设计手册化学工业出版社2006.12
2 张德姜等主编石油化工装置工艺管道安装设计手册中国石化出版社2004