多参数、多分支蒸汽管路系统设计

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1、多参数、多分支蒸汽管路系统设计　　摘要：本文以某汽轮发电机组联调试验的多参数、多分支蒸汽管路系统设计为例，介绍了热力管道设计即是管道布置、管径和壁厚的计算、应力分析的过程，并给出了该设计管道应力、热态变形及管道对设备推力等计算结果，计算结果表明：该管道变形均衡，管道应力及设备端口受力小于许用值，满足设计要求。关键词：多参数、多分支；蒸汽管道；应力分析中图分类号：TK22文献标识码：A汽轮机进汽管道的设计至关重要，不仅要满足机组性能运行要求，而且必须具有一定的柔性，以保证设备装置、管道系统运行的安全可靠性。

2、管道的柔性决定了管道应力及管道对设备接口作用力的大小。管道柔性设计是否合理，需要通过管道的应力分析来进行验算。1管道布置根据设计要求，蒸汽管道系统要为9台机组提供蒸汽，并要满足6台机组（两个电站）同时试验的条件（电站所用蒸汽参数不全一致），因此本项目采用双母管、多分支设计方案，并且在母管固定点附近设置蒸汽管道分支，以减小各分支间的影响。6蒸汽管道布置中，为了提高管道柔性，减小各汽轮机进口受力，采用了L形、Z形、Π形等管线形状，同时设置了合适的支吊架，并尽可能使管道的热位移方向与设备管口的附加位移方向一致。

3、管道具体布置示意图详见图1。2管径和壁厚的计算汽轮发电机组不同运行工况的蒸汽参数分别为：5.6MPa、470℃、9.5t/h和3.7MPa、370℃、10t/h，因此需要分别计算不同蒸汽参数下的管径和壁厚，取较高值。根据《火力发电厂汽水管道设计技术规定》，管道材质采用12Cr1MoV，管道内径按下列公式计算：Di=594.7（Gv/w）1/2（1）其中：Di-管子的内径，mm；G-介质的质量流量，t/h；v-质比容，m3/kg；w-介质的流速，m/s；管道壁厚按下列公式计算：Sm=PD0/（2[σ]tη+

4、2pY）+a（2）其中：Sm-直管的最小壁厚，mm；D0-管子外径，取用公称直径，mm；Y-为温度对计算管子壁厚公式的修正系数；η-为许用应力的修正系数；[σ]t-为t℃时管子的许用应力；a-考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，mm；根据计算结果，蒸汽母管及分管分别取相应的厚度。3管道应力分析安全评定6管道应力分析分为静力分析和动力分析两部分。对于热力管道，若没有特殊要求，一般只进行静力分析。管道应力分析通常采用专门的管道应力分析软件，如GLIFV、AUTOPSA、CAESARII等，也可采用通用的大

5、型结构有限元分析软件，如SAP5、ANSYS等。应力分析评定主要从以下两个方面考虑：（1）应力方面判定在管道应力校核中，根据产生应力的荷载不同，管道应力分为一次应力、二次应力和三次应力。管道一次应力是指由于外加荷载，如管内压力、重力或其它持续荷载的作用而产生的应力。管道二次应力是指由于热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求而产生的应力。管道三次应力为一次应力和二次应力的叠加，也就是由内压、重力等持续外载和热胀冷缩而产生的最大合成

6、应力。管道应力合格的判别标准是：一次应力和三次应力必须合格，二次应力可以不一定合格。管道的一、二、三次应力分别用以下三个不等式来判别。（3）（4）（5）式中，σ1，σ2，σ3—分别为管道的一、二、三次应力，MPa；6[σ]20，[σ]t—管材在20℃及设计温度下的许用应力，MPa；f—应力范围减小系数，它与预期寿命内管道全温度周期性交变次数N有关，当N≤2500时可取f=1。1）管端推力方面判定蒸汽管道与设备相连接，管道对设备端口的推力是不可避免的，尽量减小蒸汽管道对设备端口的推力使之小于设备端口所能承受

7、的最大推力是减小蒸汽管道对设备影响的关键。4管道应力计算结果由于同一管道通过不同蒸汽参数时管道的应力以及变形是不同的，因此对于本次的多参数、多分支蒸汽管路系统的设计根据蒸汽参数的不同分别进行了计算，并对计算结果进行了比较。4.1统一蒸汽参数管道设计参数为：5.6MPa、470℃和3.7MPa、370℃。计算结果表明：管道变形均匀，管道应力及管端推力均满足要求。下面列出管道高参数运行状态下的应力分析结果。计算中假定母管及9个支管内通过的蒸汽参数均为5.6MPa、470℃。管道最大应力见表1，管端推力见表2，

8、管道热态变形见图2。4.2多蒸汽参数6上面的设计方案虽然满足了管系不同支管统一蒸汽参数时的应力分析，但为了保证管道和机组的运行安全，将管系的高低参数组合的不同运行情况均进行了计算，计算结果表明：管道变形均衡，管道应力及管道对设备接口的推力满足要求，管道和机组运行安全。下面列出多参数组合中的一种运行情况时的管系应力分析结果。假定机组1、2、3蒸汽管道内通过的蒸汽参数为高参数（5.6MPa、470℃），机组7、8、9的蒸汽管道内通