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汽轮机出入口管线应力分析及配管优化 2023年第3期 宁波化工 -37-37-【工程设计工程设计】汽轮机出入口管线应力分析及配管优化 施敬慈 李刚 朱周军 镇海石化工程股份有限公司 浙江 宁波 315042【摘【摘 要】要】本文主要介绍了在硫磺回收装置中应用的透平鼓风机进出口蒸汽管线配管的优化方案。该优化方案除满足厂家对于管口的受力要求，同时也满足 NEMA23 的 1.85 倍校核要求，能够保证汽轮机的平稳运行。该配管方案具有简洁、管口应力小等优点，可作为类似机组的配管解决方案。【关键词】【关键词】汽轮机；应力分析；管道布置；力和力矩 中图分类号：中图分类号：TK262 文献标识码：文献标识码：A Stress Analysis and Piping Optimization of Steam Turbine Inlet and Outlet Pipelines Shi Jingci,Li Gang,Zhu Zhoujun （Zhenghai Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Ningbo,315042,China）Abstract:This article mainly introduces the optimization plan for the inlet and outlet steam pipeline piping of the turbine blower applied in the sulfur recovery unit.This optimization plan not only meets the force requirements of the manufacturer for the nozzle,but also meets the 1.85 times verification requirements of NEMA23,ensuring the smooth operation of the steam turbine.This piping solution has the advantages of simplicity and low nozzle stress,and can be used as a piping solution for similar units.Keywords:Steam turbine;Stress analysis;Pipeline layout;Forces and moments;0 前言前言 近年来，随着国家环保法规日益严格，社会对炼油厂环保要求日益重视，硫磺回收装置出现了大型化的发展趋势，有多套 13 万吨/年以上规模的联合装置新建。随着规模扩大，硫磺回收装置的主烧嘴和焚烧炉烧嘴的用风量也相应提高。以往在装置中供风的鼓风机多采用电机驱动，而在联合装置中，为了满足鼓风机大负荷要求、提供硫磺回收装置中伴热用蒸汽以及提供溶剂再生装置的大部分蒸汽，蒸汽透平驱动的风机得到了越来越多的应用。硫磺回收装置中，鼓风机为核心动设备，一旦汽轮机出现故障就可能引起装置停车，造成大量经济损失，更会使炼厂酸性气得不到及时处理，使排放污染物超标。所以，在设计时，不仅需要考虑备用手段，更要在配管时优化透平进出口蒸汽管线布置方案，保障汽轮机的安全平稳运行。本文以某炼厂新建的313万吨/年硫磺回收装置中采用的透平驱动的酸性气燃烧炉鼓风机的进出口蒸汽管线布置方案为例，进行管线的应力分析及配管方案设计。1 汽轮机平面布置汽轮机平面布置 汽轮机平面布置通常要满足如下几点要求。1）满足装置工艺流程的相关要求；2）满足汽轮机厂家对汽轮机及其辅机的布置要求，其中包括汽轮机与辅机之间连接管线的宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2023年第3期 -38-38-宁波化工 布置要求；3）汽轮机周围应留有足够的空地以满足配管和操作的需要；4）汽轮机的布置要考虑机组的检修空间。在考虑了上述的四点布置要求后，本项目中酸性气燃烧炉鼓风机的布置情况可见图 1:图 1 酸性气燃烧炉布置图 酸性气燃烧炉鼓风机布置在装置主管廊地面层，汽轮机位于风机后部，风机的基础两侧各留了 2 米的空间用于管线布置。因厂家要求汽轮机本体汽封管路对外法兰接口至汽封冷却器之间的接管7m，所以汽轮机的汽封冷却器就近布置于建西侧钢结构立柱旁。汽轮机建北侧为检修通道，方便在装置停工检修期间进行维修吊装。汽轮机及辅机按图 1 的布置既能满足上述四点要求，同时也尽可能做到了紧凑和美观。2 汽轮机进出口管线安装要求汽轮机进出口管线安装要求 本项目中汽轮机机组管口允许的管道力和力矩如表 1 所示：表 1 313 万吨/年硫磺回收装置汽轮机管嘴受力要求 单位：力 F（N）力矩 M（Nm）坐标 各接口总的合力与合力矩 单个进气口?1.09?8756?其中：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz 分别为管口三个方向的力和力矩。单个排气口?1.09?13746 分算到排气口上的总合成力和力矩?1.64?12034?其中：Fxc、Fyc、Fzc 为各管口力在 X、Y、Z 方向的合成力；Mxc、Myc、Mzc 为各管口力矩在X、Y、Z 方向的合成力矩。总合成力和力矩的分量?4814?12034?9628?7336?3668?3668 汽轮机管线布置的重点在于分析汽轮机管口的受力。汽轮机进出口管线具有操作温度高、操作压力大的特点，对管口受力的要求非常严格。因此，在进出口蒸汽管线的设计时不仅要满足厂家对于管口力和力矩的要求，还需要通过 NEMA SM23 的校核。汽轮机出入口管线应力分析及配管优化 2023年第3期 宁波化工 -39-39-通常为了减小管口受力，会用以下三种措施：1）管口采用波纹膨胀节；2）管线上适当使用软连接；3）优化管道走向靠管道自身柔性吸收应力；4）在管线适当位置设置弹簧支架。考虑到装置的长周期运行需要和可靠性需要，措施 1 和措施 2 并不推荐采用。在硫磺回收装置中通常通过优化管线走向并合理设置弹簧支架来减小应力。根据 SH/T3149-2016 的规定，在工程设计中，根据设备布置和选型，经协商可以把管口能承受的外力和外力矩提高至 NEMA SM23 计算值的1.85 倍2 倍。在本项目中，管口的校核运用CEASAR II 应力计算软件进行 NEMA SM23 的校核。3 配管方案及应力计算配管方案及应力计算 本项目中汽轮机的进汽压力 1.2MPa(G)，进气温度 270；排汽压力 0.55MPa(G)，排汽温度197.5。汽轮机的进汽法兰公称直径 DN150，公称压力 PN110；排汽法兰公称直径 DN250，公称压力 PN50。进气管口和排汽管口的相对平面位置及侧视图详见图 2：图 2 汽轮机蒸汽进出管口布置图 由上图可见，蒸汽下进上出，下方进汽口沿运行中心线对称布置，上方排汽口布置在运行中心线上。上图中的蒸汽进出口最大热膨胀量如表2 所示，表中参数由厂家提供，用于校核蒸汽进出口的应力情况。根据汽轮机的布置以及蒸汽管线的走向，初步对进出口管线作出如下布置。其中，图 3 为蒸汽入口管线配管方案，为了减小对汽轮机入口管嘴 X 方向上的应力，在下图节点 01 处设置了+X方向上的限位支架，限制总管对于后续管系应力的影响。同时，为了减小进汽口的应力，在进汽口前的水平管段增加若干柔性补偿。表 2 汽轮机最大热膨胀量 方向 进汽口 1 膨胀量（mm）进汽口 2 膨 胀量（mm）排汽口 膨胀量（mm）x+1.94-1.94-0.61 y+0.17+0.17+1.11 z+2.63-2.63 0 图 3 汽轮机蒸汽进出口管线初始方案 宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2023年第3期 -40-40-宁波化工 依据上图建模的管系经过应力分析后，管口的受力情况可见表 3：表 3 初始配管方案管口受力情况 管口 FX/N FY/N FZ/N MX Nm MY N.m MZ N.m 进汽口 1-1364-208 524 310 1231-4323 进汽口 2-68-188-451-644 354-327 排汽口-106-3998-1369 1530 1588 432 表 3 的数据依照表 1 的计算方式进行校核，校核结果如表 4 所示：表 4 原始配管方案管口受力校核结果 管口 Fr Mr?1.09 进汽口 1 1475.9 4505.5 6386.9 进汽口 2 493.3 804.4 1370.1 排汽口 4227.2 2247 6676.5 由上表可知，该配管方案满足厂家对于管口受力的要求。该配管方案通过设置限位支架和柔性补偿，有效减小了汽轮机进汽口的受力，满足厂家的要求。但上述结果在进行NEMA23的1.85倍校核时未能满足要求。由受力情况可知，未能通过 NEMA23 校核的主要原因在于进汽口 1 的MZ 力矩偏大，所以在靠近进汽口的位置增设弹簧支架来减小进汽口的力矩，在总管水平段增设对 X 方向的限位支架来减小主管膨胀对于管口X 方向的受力。新设支架后的关系如图 4 所示。图 4 汽轮机蒸汽进出口管线优化方案 在图 4 中，优化后的关系在图中位置增设了限位支架，限制总管膨胀带来的影响，并且在图中和位置上增设弹簧支架，进一步减小进汽口的受力。在排汽管线上，图中位置上将 原有的吊架改为弹簧吊架，以减小该管线对于汽轮机排汽口的应力影响。按上图的优化方案重新进行应力分析，得出表 5 的分析结果。表 5 优化配管方案管口受力情况 管口 FX/N FY/N FZ/N MX N.m MY N.m MZ N.m 进汽口 1-1364-208 524 310 1231-4323 进汽口 2-68-188-451-644 354-327 排汽口-106-3998-1369 1530 1588 432 表 5 的数据依照表 1 的计算方式进行校核，校核结果如表 6 所示。表 6 优化配管方案管口受力校核结果 管口 Fr Mr?1.09 进汽口 1 386.3 1216.8 1712.6 进汽口 2 1040.3 2072.8 3299.6 排汽口 2290.9 1740.8 4188.4 上述结果不仅可以满足厂家对于汽轮机管口受力的要求，同时也能通过 NEMA23 的 1.85倍校核，满足管口允许载荷的要求，校核结果如下图所示。上述优化中，为保证汽轮机的平稳运行，还需注意弹簧支架的选型和限位支架的设置要求。在选择弹簧支架时，必需严格满足优化方案中的弹簧计算结果，并选用可靠厂家的产品。限位支架的刚度必需满足，同时在除限位方向外不应影响其他方向的膨胀位移。本方案中，根据综合考虑，选择设置非标限位支架，支架形式如图 5 所示。图 5 蒸汽进口管线限位支架示意图 （下转第36页）宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2023年第3期 -36-36-宁波化工 对基础沉降。2）保持管架上部结构 5 米跨度不变，如基础平面布置图所示，建北侧基础向北移动400mm以避开集水井，设刚度较大的基础梁连接南北两侧承台来平衡弯矩并支承管架钢柱。3）如平面图所示，两榀管架一起向建西侧移动 2.2m，使桩位能避开管道，同时管架 J-401上部设 ZJ-1 来满足管道自跨的要求。4）将 J-401 和 J-402 的基础联合，并将 J-402加高，通过侧梁与斜撑（见图 1-1），与 J-401 形成一个整体，来一同承受悬挑部分管道荷载引起的弯矩。3.4 相关思路及要点相关思路及要点 在老厂区的系统管廊设计过程中，受原有地下管线、基础等影响无法打桩的情况时有发生，当现场制约因素较多，且通过简单的基础移动、基础梁搭接仍不能满足要求时，可以与提出条件的上游专业设计人员充分沟通，在满足他们设计需求的条件下，适当调整上部结构来解决基础设计的问题 4 结束语结束语 无论是新建还是改造项目，当基础的设计遇到问题时，应结合具体问题具体分析，充分发挥设计的创造性，保证基础设计的可靠性、可行性及经济性。参考文献参考文献 1石油化工排气筒和火炬塔架设计规范S.SH/T 3029-2014.北京：中国石化出版社，2015-05 2石油化工管架设计规范S.SH/T 3055-2017.北京：中国石化出版社，2018-06 （上接第40页）汽轮机出入口管线应力分析及配管优化 施敬慈 李刚 朱周军 镇海石化工程股份有限公司 浙江 宁波 315042 4 运行效果运行效果 某炼厂313万吨/年硫磺回收装置的汽轮机按照上述配管方案进行安装，在装置投产后，一直平稳运行，无振动或噪音等问题。5 结语结语 目前，随着国家及行业对节能减排的日益重视，汽轮机在硫磺装置中的应用也逐步增加，为保障硫磺装置这一炼厂排放终端的平稳运行，必须对汽轮机配管进行优化。本文的优化方向不仅可以作为类似管线的配管思路，也可以作为该类型管线继续优化的基础。参考文献参考文献 1鲁皓.管道对汽轮机接口推力和力矩评判方法J.湖北电力,2011,35(04):74-76.2张保申.浅谈硫回收装置透平鼓风机的配管设计J.河南化工,2021,38(05):49-51.3席佳.汽轮机进口管道应力分析J.广东化工,2012,39(05):188-189.4 NEMA SM 23-1991(R1997，R2002)，Steam Turbines for Mechanical Drive Service 5张德江，张发有，修长征全国压力管道设计和审批人员培训教材M北京：中国石化出版社，2020