畢雪，段森

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

采用空氣（風(fēng)）帶走凝汽器廢熱的汽輪機(jī)稱為空冷汽輪機(jī)。汽輪機(jī)排汽由大口徑管道引至布置在汽輪機(jī)房外的體積龐大的空氣凝汽器，在那里被直接冷卻凝結(jié)成水[1]。該大口徑管道即為空冷汽輪機(jī)的排汽管道。排汽管道的設(shè)計(jì)主要有以下限制：1）由于排汽管道所連接的設(shè)備重要級別高，必須嚴(yán)格控制管道對設(shè)備的推力和力矩；2）空冷機(jī)組的汽輪機(jī)和空氣凝汽器分別布置于不同廠房中，低壓缸出口排汽裝置處于汽機(jī)房中較低的位置，空氣凝汽器又處于空冷房較高位置，導(dǎo)致排汽管道的空間限制較嚴(yán)格；3）汽輪機(jī)低壓缸由于尺寸較大，導(dǎo)致排汽口處汽缸膨脹量在水平和豎直方向較大，排汽管道必須合理吸收這些膨脹量；4）由于排汽管道布置在室外，除正常運(yùn)行工況、冷態(tài)工況外，排汽管道還應(yīng)具有能夠抵抗風(fēng)載、地震等偶然工況的能力；5）汽機(jī)房和空冷房的基礎(chǔ)沉降不同，對排汽管道產(chǎn)生額外載荷；6）汽機(jī)房和空冷房偏擺不同，對管道產(chǎn)生額外載荷。對于這些因素，僅憑設(shè)計(jì)管道自身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度及走向，是很難滿足所有限制的。

支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，如果支吊架設(shè)計(jì)不當(dāng)，不能承受管道重力等引起的載荷，將可能導(dǎo)致管道一次應(yīng)力超標(biāo)。另外，通過支吊架的設(shè)置還可以對管系的變形加以控制，從而減小管道的二次應(yīng)力和管道對設(shè)備的推力，保證管道與設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。因此，必須要將管道的設(shè)計(jì)與支吊架的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，才能真正實(shí)現(xiàn)排汽管道的合理性。本文以某660 MW空冷機(jī)組排汽管道為例，詳述支吊架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 排汽管道的概況

該機(jī)組空冷排汽管道的結(jié)構(gòu)為：低壓缸排汽豎直向下進(jìn)入排汽裝置，經(jīng)排汽裝置的壓力平衡式膨脹節(jié)轉(zhuǎn)為水平方向，經(jīng)過三通變?yōu)樗侥腹?，母管上接若干豎直向上分支管，各分支采用壓力平衡式膨脹節(jié)水平接至空氣凝汽器入口管。主體分為沿X向的管Ⅰ、沿Y向的管Ⅱ和各分支管。低壓缸排汽側(cè)管段（管Ⅰ）位于汽機(jī)廠房內(nèi)，空冷凝汽器側(cè)管段（管Ⅱ和各分支管）位于空冷廠房內(nèi)，分界大致在管Ⅰ和管Ⅱ的相交處。

低壓缸排汽側(cè)管道直徑為φ8550 mm，凝汽器入口側(cè)管道直徑φ3020 mm，管道材質(zhì)為Q235B碳鋼焊接管?；竟r為運(yùn)行工況（溫度為63 ℃，壓力為-0.1 MPa）、極限工況（溫度為120 ℃，壓力為0.045 MPa）和冬季工況（溫度為-29 ℃，壓力為-0.1 MPa）。管系的整體走向及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空冷排汽管道典型結(jié)構(gòu)

2 支吊架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的

排汽管道設(shè)計(jì)合理的校核標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)力和端口推力在允許范圍內(nèi)，最根本的還是控制和吸收熱脹冷縮。在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證機(jī)組的動(dòng)靜間隙和對中，設(shè)置了滑銷系統(tǒng)。其主要作用是維持靜子和靜子間嚴(yán)格的相對位置和維持靜子與轉(zhuǎn)子中心線的一致，使靜子和轉(zhuǎn)子按規(guī)定方向自由熱膨脹（或冷收縮）通暢無滯阻、無卡澀。其設(shè)計(jì)要求為合理布置滑銷，正確選擇熱膨脹的絕對死點(diǎn)和相對死點(diǎn)，以及根據(jù)汽缸數(shù)確定絕對死點(diǎn)數(shù)[1]。類似于汽輪機(jī)的滑銷系統(tǒng)，管系也應(yīng)設(shè)置滑銷系統(tǒng)，只是沒有汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)考慮動(dòng)、靜部件之間相對脹差那么復(fù)雜。管系滑銷系統(tǒng)的目的應(yīng)為：規(guī)定管系死點(diǎn)的位置和數(shù)量，控制管系按規(guī)定方向自由熱脹冷縮。

根據(jù)汽輪機(jī)死點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，靜子相對于機(jī)組基礎(chǔ)的絕對死點(diǎn)是靜子熱膨脹的起始點(diǎn)，即確定絕對死點(diǎn)位置就是確定各靜子部件膨脹方向，同理，管系的死點(diǎn)位置和數(shù)量也決定了管系的熱膨脹方向。而控制管系的死點(diǎn)和熱膨脹方向，需要依靠一系列各種類型的支吊架相互配合才能實(shí)現(xiàn)，因此管道支吊架系統(tǒng)的最終目的就是為了實(shí)現(xiàn)管系的滑銷系統(tǒng)。

3 死點(diǎn)的確定

為使管系自由地?zé)崦浝淇s，應(yīng)允許每根管道沿其軸向自由膨脹。根據(jù)本機(jī)組排汽管道的整體走向分析，管道的大部分走向?yàn)檠厮絏向和Y向，最應(yīng)解決的是水平方向的熱脹冷縮問題。因此可選定在管Ⅰ和管Ⅱ相交的位置設(shè)置1個(gè)死點(diǎn)，即點(diǎn)1（如圖2），這樣可使管Ⅰ以點(diǎn)1為死點(diǎn)向-X方向膨脹，管Ⅱ以點(diǎn)1為死點(diǎn)兩側(cè)分別向±Y向膨脹，且Ⅰ和Ⅱ兩根管互相不影響。

又由于低壓缸側(cè)的排汽管道端口是與低壓缸排汽口直接連接的，低壓缸排汽口以低壓缸死點(diǎn)為原點(diǎn)沿±X和±Y向外膨脹，且由于尺寸較大，其膨脹量也較大，此時(shí)管道不允許限制該膨脹量，必須盡可能跟隨低壓缸排汽口同步膨脹，所以可選定在管Ⅰ上對應(yīng)低壓缸死點(diǎn)的位置設(shè)置1個(gè)死點(diǎn)，即點(diǎn)2（如圖2）。但此時(shí)管Ⅰ上出現(xiàn)2個(gè)死點(diǎn)，即點(diǎn)1和點(diǎn)2，其間的管道軸向膨脹量必須被吸收掉，并且由于低壓缸排汽口豎直向下的膨脹量也較大，在此位置設(shè)置一個(gè)合適的壓力平衡式膨脹節(jié)能夠同時(shí)吸收該兩方向的膨脹量。

空冷凝汽器側(cè)的管道端口是與空冷凝汽器接管水平連接的，凝汽器端口在不同工況下的膨脹量及變化較大，如正常運(yùn)行工況為ΔX=-31 mm，最高運(yùn)行溫度工況為ΔX=-64 mm，冬季工況為ΔX=22 mm，管道不允許限制這些沿分支管軸向的膨脹量，同時(shí)考慮到管Ⅱ沿其軸向的膨脹，在各分支管上設(shè)置的壓力平衡式膨脹節(jié)能夠同時(shí)吸收該兩方向的膨脹量。

至此，整個(gè)管系的死點(diǎn)及熱膨脹方向已確定，如圖2所示。

圖2 排汽管道的滑銷系統(tǒng)方案

4 支吊架的選擇

死點(diǎn)的位置和熱膨脹方向需使用各種類型的支吊架來最終實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能和用途，支吊架可劃分為承重支吊架、限制性支吊架和防振支吊架等3類[2]。因此，在進(jìn)行支吊架的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從承重、限位和防振這3個(gè)方面考慮。

圖3為排汽管道的支吊架方案圖。根據(jù)管道標(biāo)準(zhǔn)中對管道支吊架間距的規(guī)定計(jì)算出承重類支吊架的最大間距，結(jié)合管道上的三通、法蘭等存在集中荷載的情況及實(shí)際廠房空間和支吊架生根條件，為承重類支吊架定位，初步選擇為剛性支架，為P1、P3、P4、P5～P11。死點(diǎn)的位置應(yīng)通過設(shè)置限制性支吊架來實(shí)現(xiàn)，原則上應(yīng)在死點(diǎn)1和2的位置設(shè)置±X和±Y向限位支吊架，考慮管道實(shí)際安裝空間，減少過多支吊架的設(shè)置，可選擇將部分限位支吊架移至承重支吊架位置，因此選定P1、P3、P5、P7、P10既起支承作用又起限位作用，P2僅起限位作用，限位方向如箭頭所示。最終選定共11個(gè)支吊點(diǎn)，各點(diǎn)支吊架數(shù)量暫定為1。

圖3 排汽管道的支吊架方案圖

由于低壓缸排汽口存在較大的豎直向下熱膨脹量，因此管道也存在較大的豎直向下位移，即便選用了膨脹節(jié)吸收一部分位移，但此值仍較大，應(yīng)將P1、P3、P4剛性支架改為彈簧支架?？绽淠鱾?cè)的P6～P11支架生根于空冷廠房各立柱上，利用空冷島平臺(tái)懸挑設(shè)置，由于立柱之間存在不均勻沉降，導(dǎo)致P5～P11支座間實(shí)際存在不均勻沉降差，因此將P6～P11改為彈簧支架能消除此沉降對水平管的不利影響。由于該管系一部分在汽機(jī)廠房，一部分在空冷廠房，兩個(gè)廠房存在基礎(chǔ)沉降差，使用彈簧支架也能較好地吸收此沉降差。由以上情況可分析出，各工況管系端口的位移及支吊架各生根點(diǎn)處的位移也會(huì)存在差異，且差異較明顯，為使各支吊點(diǎn)在各工況承重相對穩(wěn)定，將彈簧支架初選為恒力彈簧支架。由于該管系有一部分在汽機(jī)廠房，有一部分在空冷廠房，分界處在P4和P5之間，兩個(gè)廠房的偏擺值不同，P5處的Y向水平限位可以讓兩廠房之間的位移差通過膨脹節(jié)吸收掉。管系上設(shè)置的水平方向的限位支吊架還可以在風(fēng)載、地震等偶然工況下起到防振作用。

5 校核分析

按目前的管道滑銷系統(tǒng)方案，使用CAESARII管道計(jì)算軟件對排汽管道進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在滿足低壓缸排汽口允許的力和力矩的前提下，分配至各支吊點(diǎn)的載荷過大，有的點(diǎn)甚至達(dá)到了50～60 t。這導(dǎo)致了支吊架數(shù)量為1時(shí)對彈簧的條件過于苛刻，載荷過大，最終生根至廠房的基礎(chǔ)或立柱上時(shí)也較難實(shí)現(xiàn)，且由于管道口徑過大，使用1個(gè)彈簧支撐較不穩(wěn)定，因此各承重支吊點(diǎn)改為由2個(gè)彈簧并聯(lián)支撐，這樣既能合理分配載荷又能使管系熱脹冷縮運(yùn)動(dòng)相對穩(wěn)定。同理，限位類支吊點(diǎn)也采用2個(gè)限位并聯(lián)的方式。重新進(jìn)行管道分析計(jì)算，改為2點(diǎn)并聯(lián)支撐和限位后，分配載荷相對合理，能夠給出合理的載荷值和冷熱態(tài)位移等參數(shù)進(jìn)行支吊架的選型。

經(jīng)最終校核計(jì)算，該排汽管道的一次應(yīng)力不到40%，二次應(yīng)力不到90%，地震工況最大應(yīng)力不到45%，風(fēng)載工況最大應(yīng)力不到70%，汽輪機(jī)排汽口端口力和力矩在其允許范圍內(nèi)。證實(shí)了管道滑銷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有效且合理。

6 結(jié)論

在設(shè)計(jì)支吊架系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)管道大體布置選出主要的熱脹冷縮方向，在位移較小的位置設(shè)置合適的死點(diǎn)，盡量使各方向管道的熱脹冷縮的相互影響降到最低；再根據(jù)實(shí)際情況確定是否還需設(shè)置其他死點(diǎn)，并重新核實(shí)熱脹冷縮是否受影響；確定管系滑銷系統(tǒng)方案；根據(jù)滑銷系統(tǒng)方案選擇合適的承重類、限位類、防振類支吊架；根據(jù)各工況的邊界條件選擇支吊架的詳細(xì)類型；最后用管道分析軟件進(jìn)行最終計(jì)算校核。

本文針對空冷汽輪機(jī)排汽管道支吊架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題，從使管道的應(yīng)力和推力合理的角度出發(fā)，提出了能夠有效控制和吸收熱脹冷縮的管道滑銷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及方法。運(yùn)用該方法，對某660 MW直接空冷汽輪機(jī)排汽管道支吊架系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到了該管系最佳的滑銷系統(tǒng)布置方案。計(jì)算校核結(jié)果表明，應(yīng)力和推力均在合理范圍內(nèi)，且分配載荷也有利于支吊架的選型及生根的實(shí)現(xiàn)。

本文來源于實(shí)際的管道工程設(shè)計(jì)，說明本方法的有效性，管道滑銷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念適用于各大類型管道支吊架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。