空冷汽轮机排汽管道支吊架系统的设计

毕雪，段森

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引言

采用空气（风）带走凝汽器废热的汽轮机称为空冷汽轮机。汽轮机排汽由大口径管道引至布置在汽轮机房外的体积庞大的空气凝汽器，在那里被直接冷却凝结成水[1]。该大口径管道即为空冷汽轮机的排汽管道。排汽管道的设计主要有以下限制：1）由于排汽管道所连接的设备重要级别高，必须严格控制管道对设备的推力和力矩；2）空冷机组的汽轮机和空气凝汽器分别布置于不同厂房中，低压缸出口排汽装置处于汽机房中较低的位置，空气凝汽器又处于空冷房较高位置，导致排汽管道的空间限制较严格；3）汽轮机低压缸由于尺寸较大，导致排汽口处汽缸膨胀量在水平和竖直方向较大，排汽管道必须合理吸收这些膨胀量；4）由于排汽管道布置在室外，除正常运行工况、冷态工况外，排汽管道还应具有能够抵抗风载、地震等偶然工况的能力；5）汽机房和空冷房的基础沉降不同，对排汽管道产生额外载荷；6）汽机房和空冷房偏摆不同，对管道产生额外载荷。对于这些因素，仅凭设计管道自身的结构和强度及走向，是很难满足所有限制的。

支吊架是管道系统的重要组成部分，如果支吊架设计不当，不能承受管道重力等引起的载荷，将可能导致管道一次应力超标。另外，通过支吊架的设置还可以对管系的变形加以控制，从而减小管道的二次应力和管道对设备的推力，保证管道与设备的正常运行[2]。因此，必须要将管道的设计与支吊架的设计结合在一起，才能真正实现排汽管道的合理性。本文以某660 MW空冷机组排汽管道为例，详述支吊架系统的设计。

1 排汽管道的概况

该机组空冷排汽管道的结构为：低压缸排汽竖直向下进入排汽装置，经排汽装置的压力平衡式膨胀节转为水平方向，经过三通变为水平母管，母管上接若干竖直向上分支管，各分支采用压力平衡式膨胀节水平接至空气凝汽器入口管。主体分为沿X向的管Ⅰ、沿Y向的管Ⅱ和各分支管。低压缸排汽侧管段（管Ⅰ）位于汽机厂房内，空冷凝汽器侧管段（管Ⅱ和各分支管）位于空冷厂房内，分界大致在管Ⅰ和管Ⅱ的相交处。

低压缸排汽侧管道直径为φ8550 mm，凝汽器入口侧管道直径φ3020 mm，管道材质为Q235B碳钢焊接管。基本工况为运行工况（温度为63 ℃，压力为-0.1 MPa）、极限工况（温度为120 ℃，压力为0.045 MPa）和冬季工况（温度为-29 ℃，压力为-0.1 MPa）。管系的整体走向及结构如图1所示。

图1 空冷排汽管道典型结构

2 支吊架系统的设计目的

排汽管道设计合理的校核标准为应力和端口推力在允许范围内，最根本的还是控制和吸收热胀冷缩。在汽轮机设计时，为保证机组的动静间隙和对中，设置了滑销系统。其主要作用是维持静子和静子间严格的相对位置和维持静子与转子中心线的一致，使静子和转子按规定方向自由热膨胀（或冷收缩）通畅无滞阻、无卡涩。其设计要求为合理布置滑销，正确选择热膨胀的绝对死点和相对死点，以及根据汽缸数确定绝对死点数[1]。类似于汽轮机的滑销系统，管系也应设置滑销系统，只是没有汽轮机滑销系统考虑动、静部件之间相对胀差那么复杂。管系滑销系统的目的应为：规定管系死点的位置和数量，控制管系按规定方向自由热胀冷缩。

根据汽轮机死点的设计思路，静子相对于机组基础的绝对死点是静子热膨胀的起始点，即确定绝对死点位置就是确定各静子部件膨胀方向，同理，管系的死点位置和数量也决定了管系的热膨胀方向。而控制管系的死点和热膨胀方向，需要依靠一系列各种类型的支吊架相互配合才能实现，因此管道支吊架系统的最终目的就是为了实现管系的滑销系统。

3 死点的确定

为使管系自由地热胀冷缩，应允许每根管道沿其轴向自由膨胀。根据本机组排汽管道的整体走向分析，管道的大部分走向为沿水平X向和Y向，最应解决的是水平方向的热胀冷缩问题。因此可选定在管Ⅰ和管Ⅱ相交的位置设置1个死点，即点1（如图2），这样可使管Ⅰ以点1为死点向-X方向膨胀，管Ⅱ以点1为死点两侧分别向±Y向膨胀，且Ⅰ和Ⅱ两根管互相不影响。

又由于低压缸侧的排汽管道端口是与低压缸排汽口直接连接的，低压缸排汽口以低压缸死点为原点沿±X和±Y向外膨胀，且由于尺寸较大，其膨胀量也较大，此时管道不允许限制该膨胀量，必须尽可能跟随低压缸排汽口同步膨胀，所以可选定在管Ⅰ上对应低压缸死点的位置设置1个死点，即点2（如图2）。但此时管Ⅰ上出现2个死点，即点1和点2，其间的管道轴向膨胀量必须被吸收掉，并且由于低压缸排汽口竖直向下的膨胀量也较大，在此位置设置一个合适的压力平衡式膨胀节能够同时吸收该两方向的膨胀量。

空冷凝汽器侧的管道端口是与空冷凝汽器接管水平连接的，凝汽器端口在不同工况下的膨胀量及变化较大，如正常运行工况为ΔX=-31 mm，最高运行温度工况为ΔX=-64 mm，冬季工况为ΔX=22 mm，管道不允许限制这些沿分支管轴向的膨胀量，同时考虑到管Ⅱ沿其轴向的膨胀，在各分支管上设置的压力平衡式膨胀节能够同时吸收该两方向的膨胀量。

至此，整个管系的死点及热膨胀方向已确定，如图2所示。

图2 排汽管道的滑销系统方案

4 支吊架的选择

死点的位置和热膨胀方向需使用各种类型的支吊架来最终实现。根据功能和用途，支吊架可划分为承重支吊架、限制性支吊架和防振支吊架等3类[2]。因此，在进行支吊架的设计时应从承重、限位和防振这3个方面考虑。

图3为排汽管道的支吊架方案图。根据管道标准中对管道支吊架间距的规定计算出承重类支吊架的最大间距，结合管道上的三通、法兰等存在集中荷载的情况及实际厂房空间和支吊架生根条件，为承重类支吊架定位，初步选择为刚性支架，为P1、P3、P4、P5～P11。死点的位置应通过设置限制性支吊架来实现，原则上应在死点1和2的位置设置±X和±Y向限位支吊架，考虑管道实际安装空间，减少过多支吊架的设置，可选择将部分限位支吊架移至承重支吊架位置，因此选定P1、P3、P5、P7、P10既起支承作用又起限位作用，P2仅起限位作用，限位方向如箭头所示。最终选定共11个支吊点，各点支吊架数量暂定为1。

图3 排汽管道的支吊架方案图

由于低压缸排汽口存在较大的竖直向下热膨胀量，因此管道也存在较大的竖直向下位移，即便选用了膨胀节吸收一部分位移，但此值仍较大，应将P1、P3、P4刚性支架改为弹簧支架。空冷凝汽器侧的P6～P11支架生根于空冷厂房各立柱上，利用空冷岛平台悬挑设置，由于立柱之间存在不均匀沉降，导致P5～P11支座间实际存在不均匀沉降差，因此将P6～P11改为弹簧支架能消除此沉降对水平管的不利影响。由于该管系一部分在汽机厂房，一部分在空冷厂房，两个厂房存在基础沉降差，使用弹簧支架也能较好地吸收此沉降差。由以上情况可分析出，各工况管系端口的位移及支吊架各生根点处的位移也会存在差异，且差异较明显，为使各支吊点在各工况承重相对稳定，将弹簧支架初选为恒力弹簧支架。由于该管系有一部分在汽机厂房，有一部分在空冷厂房，分界处在P4和P5之间，两个厂房的偏摆值不同，P5处的Y向水平限位可以让两厂房之间的位移差通过膨胀节吸收掉。管系上设置的水平方向的限位支吊架还可以在风载、地震等偶然工况下起到防振作用。

5 校核分析

按目前的管道滑销系统方案，使用CAESARII管道计算软件对排汽管道进行分析计算，发现在满足低压缸排汽口允许的力和力矩的前提下，分配至各支吊点的载荷过大，有的点甚至达到了50～60 t。这导致了支吊架数量为1时对弹簧的条件过于苛刻，载荷过大，最终生根至厂房的基础或立柱上时也较难实现，且由于管道口径过大，使用1个弹簧支撑较不稳定，因此各承重支吊点改为由2个弹簧并联支撑，这样既能合理分配载荷又能使管系热胀冷缩运动相对稳定。同理，限位类支吊点也采用2个限位并联的方式。重新进行管道分析计算，改为2点并联支撑和限位后，分配载荷相对合理，能够给出合理的载荷值和冷热态位移等参数进行支吊架的选型。

经最终校核计算，该排汽管道的一次应力不到40%，二次应力不到90%，地震工况最大应力不到45%，风载工况最大应力不到70%，汽轮机排汽口端口力和力矩在其允许范围内。证实了管道滑销系统的设计方法有效且合理。

6 结论

在设计支吊架系统时，首先应根据管道大体布置选出主要的热胀冷缩方向，在位移较小的位置设置合适的死点，尽量使各方向管道的热胀冷缩的相互影响降到最低；再根据实际情况确定是否还需设置其他死点，并重新核实热胀冷缩是否受影响；确定管系滑销系统方案；根据滑销系统方案选择合适的承重类、限位类、防振类支吊架；根据各工况的边界条件选择支吊架的详细类型；最后用管道分析软件进行最终计算校核。

本文针对空冷汽轮机排汽管道支吊架系统设计的问题，从使管道的应力和推力合理的角度出发，提出了能够有效控制和吸收热胀冷缩的管道滑销系统的设计理念及方法。运用该方法，对某660 MW直接空冷汽轮机排汽管道支吊架系统进行了设计，得到了该管系最佳的滑销系统布置方案。计算校核结果表明，应力和推力均在合理范围内，且分配载荷也有利于支吊架的选型及生根的实现。

本文来源于实际的管道工程设计，说明本方法的有效性，管道滑销系统的设计理念适用于各大类型管道支吊架系统的设计。