离心式压缩机驱动机入口蒸汽线的配管研究

纪星桥

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

1 蒸汽轮机入口管道的设计要求

(1)蒸汽轮机进口管道布置应经柔性计算确定，管道对管口的作用力和力矩应满足制造厂或NEMA SM23的要求。

(2) 蒸汽轮机的蒸汽进口管道上根部切断阀宜靠近蒸汽总管布置，并应设预热旁路阀。

(3)蒸汽轮机的进口管道应有排凝设施，以防止启动时凝结水进入蒸汽轮机造成叶片的损坏。

(4)靠近蒸汽轮机进口管口的管道上，应设置一个可拆卸的带法兰短节，以便在试运前安装吹扫用临时管道。

(5)蒸汽轮机启动前，对蒸汽参数有一定要求，需进行暖管和暖机。

2 某厂选用离心式压缩机的特点

图1 压缩机及蒸汽轮机承台示意图

某厂选用的离心式压缩机是为该厂100万t/a延迟焦化装置压缩焦化富气而设，分压缩机和汽轮机两部分，压缩机采用离心式(二级压缩)，蒸汽轮机用来驱动压缩机，两机共用底座，合用基础承台。压缩机及汽轮机安装于半敞开式厂房中，厂房东侧有小管廊和操作平台，厂房分为上下两层(地面层和EL+6800层，外加EL+13700层高位油箱)，地面层布置分液罐、冷却器、凝缩油罐和润滑油站、气封冷却器等辅助设施；压缩机承台起于厂房内地面上，为钢筋混凝土结构，地下有独立的基础，承台顶部与二层平齐。(见图1)压缩机主机、蒸汽轮机主机及干气密封系统位于承台以上的二层(EL+6800层)。压缩机及蒸汽轮机均采用底进底出式，设备管口向下，管道从承台顶板及底座的开口处连接压缩机管口。

蒸汽轮机入口驱动蒸汽为3.5 MPa过热蒸汽，温度400℃；管口直径为DN150，CL600lb。

3 汽轮机入口管道的设计

在该厂离心式压缩机组的配管设计中，由于汽轮机属于转动设备，允许受力限制非常严格，所用的驱动蒸汽管线温度、压力较高，其性能状况直接影响机组的寿命和安全运行。所以在整个压缩机组的配管设计中作为重点考虑的管线，事先进行了配管规划。该管线设计最需要注意的地方是必须满足管系整体的柔性要求及汽轮机厂家提出的管口受力要求。根据温压需要，该入口管线选用15CrMoG材质，在布置规划时充分考虑了厂房的结构特点，利用厂房东侧的小管廊及操作平台，形成Π型自然补偿，管线进入厂房后利用厂房的结构梁作支撑，并围绕压缩机承台配管，以便于支撑和热补偿。

压缩机承台周围有4根600×600 mm的混凝土立柱，为了利用承台支撑管线并操作阀门、检测仪表，承台顶板及柱子上都根据配管需要预埋了钢板，承台周围设置了局部操作平台，供操作检修使用。

4 蒸汽轮机入口管线配管示意图

注: 1)图中△表示一般支吊架，▲表示弹簧支吊架；

2)图中“PS-XX”表示支吊架编号，“PT、PG”表示压力仪表，“TE、TG”表示温度仪表，“FE”表示 流量计；

3)图中粗实线表示入口主蒸汽管道，虚线表示与之相连的放空管道。

图2 蒸汽轮机入口管线配管示意图

5 汽轮机入口蒸汽管线的应力分析

5.1 对汽轮机入口管线进行应力分析的必要性

根据GB/T20801.3《压力管道规范 工业管道 第三部分：设计与计算》的要求，下列管道需要进行应力分析：

(1)设备管口有特殊的载荷要求；

(2)预期寿命内热循环次数超过7000的管道；

(3)操作温度大于或等于400℃，或小于-70℃的管道。

汽轮机入口管线蒸汽温度400℃，汽轮机入口有严格的受力要求，所以在规划管线后，用CAESAR II 软件进行了应力分析。

(汽轮机厂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)及应力分析结果

方案一在a点加了止推支架，将压缩机区管系与主管带隔开，分段进行应力分析，防止主管带的推力影响到压缩机区。在b-c-d-e段利用厂房东侧的小管廊形成自然补偿，支架支撑在EL+4700层管带及EL+6700层平台梁上(参考图2)。

蒸汽管线进入厂房内后，管底标高变为EL+4200，架PS-08支撑在厂房柱上(PS-08最初建模时设置为弹簧吊架，后因垂直位移变化量很小，改为普通吊架)，架PS-09～架PS-10设在围绕压缩机承台设置的EL+2700层操作平台梁、柱上，架PS-11生根于压缩机承台下。f-g-h-i段围绕压缩机承台形成热补偿。 在初步完成配管之后，用CAESAR II 软件对管系进行了应力计算，一次应力最大点受力为管系允许受力的40.7%，二次应力最大点受力为管系允许受力的29.6%，管系应力不超过允许受力范围。

但设备管口Node：5000点MX、MZ方向操作工况下的力矩以及FY方向的二次应力超过了厂家提供的管口允许受力及力矩范围，参见表1。

表1 方案-1应力计算模型计算出汽轮机管口的受力和力矩

5.3 修改后的方案(方案二)及应力分析结果

为了减小管口Node：5000点MX、MZ方向的力矩，分析原因，可能是b-c-d-e段产生的热胀量推动管系，对管口产生了过大推力引起的，方案二修改配管及应力分析模型，将架PS-10变为止推支架，并将架PS-11改为弹簧吊架来减小FY方向的二次应力，在重新计算应力及管口受力之后，得到如下表的数值，参考表2。

表2 方案二应力计算模型计算出汽轮机管口的受力和力矩

方案二在MX、MY、MZ方向的力矩均符合要求，FY方向的二次应力减小，所以最后的配管采用了方案二的形式。弹簧支吊架参数见表3。

表3 弹簧支吊架一览表

6 结束语

综上所述，汽轮机入口主蒸汽管道的布置对于装置的安全运行起着重要作用，用可靠的软件对管道进行应力分析是保证管道和机组安全运行的必要前提。本文以某厂延迟焦化装置焦化富气压缩机驱动蒸汽线的配管设计为例，通过分析规划管道走向，合理设置支吊架使之满足各项标准规范的要求，得到了较为优化的配管设计。

通过配管研究可以看出，做管道预规划和应力分析时，要结合实际情况，综合考虑厂房条件以及周边可利用的管架、压缩机承台等，首先考虑通过合理布局，设置自然补偿以及合理设置支吊架等来增加管道的柔性。对于局部受力超标，宜首先考虑调整支吊架的形式和位置，比如设置弹簧和止推支架来解决问题；如仍不能满足要求，再考虑修改配管。总结出的一个经验是：在靠近汽轮机入口的管段上采用止推支架限制因管系较长产生的推力以及在靠近入口的管段上设置弹簧支架有利于减小管口的力矩和二次应力。