管道柔性设计对合成气压缩机汽轮机振动的影响

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某大化肥是 450 kt/a合成氨、800 kt/a尿素项目。合成气压缩机组由日本三菱公司制造，该机组于2010年4月进行单机试运，同年 5月投人装置的正常生产。在汽轮机试车的过程中，其两侧4个探头曾出现异常振动，振动问题-直制约着试车工作 ，后经业主、三菱公司及设计院的现臣术人员共同分析，研究，查找原因，最终确认汽轮机的异常振动是因为蒸汽管道柔性设计不好，在开车过程中蒸汽管道产生的膨胀热应力过大，作用在汽轮机上而造成的，通过采取调整或增设管道支撑等措施消除了振动 ”。

1 汽轮机有关情况汽轮机为高压抽汽冷凝式蒸汽透平，驱动多级离心式合成气压缩机，该机组用于化肥合成氨装置，为氨合成塔提供氢气和氮气。

1.1 汽轮机有关参数型号 5EH-7BD功率 21 228kW，转速 11 110 r/min进汽压力 (A)10.8MPa，温度 510℃抽汽压力 fA)4.36 MPa，温度 398℃排汽压力 (A)0.0137 MPa，温度52℃耗汽量 265 t/h，抽汽量 228.3 t/h汽轮机轴振动 报警 38 lam，跳车 57 gm。

1.2 汽轮机轴系图汽轮机的径向振动监测是通过安装在汽轮机两侧轴瓦上的4只涡流式位移传感器来测量汽轮机转子向和 ，向振动，见图 1。

i； VT-4301Y VT-4302Y 回 m 回 m图1 汽轮机轴系图Fig.1 Steam turbine shaft system图中VT4301X、VT4301Y、VT4302X及 VT4302Y代表汽轮机的4个振动探头。

收稿日期：2012-12.10；修回日期：2013-02.21基金项 目：中国石油天燃气股份有限公司重大项 目(石油计 字[20041251文)。

作者简介：张锡德 (1966-)，男，重庆綦江人，高级工程师。长期从事大型往复压缩机、离心式压缩机、蒸汽汽轮机等设备的运行、维护、管理工作。

2013年 4月 张锡德，等.管道柔性设计对合成气压缩机汽轮机振动的影响 ·432 在试车过程中汽轮机的振动情况机组完成安装及调试后，于 2010年 4月 19日对合成气压缩机汽轮机进行单机试车，13：07启动汽轮机，整个启动过程严格按升速曲线进行，16：14汽轮机转速提高到工作转速 11 680 r/min，然后进行恒速，16：41汽轮机突然出现了异常振动，其 4个探头的振动值大幅度上升，汽轮机-端的振值达到了58 m，另-端的振值达到了46岬 ，随后振动消失，在恒速至 17：21时汽轮机又出现了剧烈的异常振动，其两端的振动峰值分别达到了68.7岬 和64.6 pm，而振动联锁设计值为 57m，因第-次试车，联锁存在故障，未跳车，后人工手动停车。

3 汽轮机振动原因分析针对机组运行情况，与三菱总部沟通后分析认为，振动可能是因为汽轮机动、静部件发生了接触、碰撞而产生的，导致接触、碰撞最大可能原因有两种：(1)汽轮机保温不好，其膨胀不均匀；(2)汽轮机受外力作用，缸体被抬起。

3.1 加强对汽轮机保温，查找振动原因如汽轮机的保温不均匀，在汽轮机启动过程中就会造成缸体上下存在温差，其热膨胀及变形不-致，从而造成汽轮机的动、静部件发生碰撞、摩擦，根据汽轮机各部分的问隙情况，最先发生摩擦、接触的部位是轴封的梳齿密封环与转子轴之间。

2010年4月 19日，因振动停机后，对汽轮机的保温进行了整改，首先对保温薄弱的部位进行了加强，同时在原保温的基础上又增加了-层保温毯，同时对机组联锁进行了重新调校 。4月 20日进行 了第二次汽轮机试车，当汽轮机在暖机转速 1 000 r/min恒速 15 min后，汽轮机又突然出现了异常振动，汽轮机-端的振值达到了69 m，另-端的振值达到了60 um，汽轮机因振动联锁跳车，为此可以排除因汽轮机保温不好而引起的振动。

3.2 汽轮机缸体被抬起 ，造成异常振动正常情况下，汽轮机在启动、运行时，要保证汽缸自由热膨胀，猫爪始终处于能自由活动的状态 ，且保持汽缸中心不走动，倘若有超出其允许值的外力、力矩作用于汽缸上，使汽缸移动及汽缸螺栓垫圈无间隙，猫爪顶死，这样就有可能使动、静部件在径向或轴向上发生碰擦，汽轮机就会出现异常振动 [1-2]。

4月 21日，经分析决定再次启动汽轮机，为尽可能减轻缸体上下的热膨胀不均匀，在启动时，尽量降低暖机转速，要求转速控制在 600 r/min以下，同时将其暖机时间从 1 h延长至 1.5 h，在启动的整个过程中严格监控汽轮机缸体膨胀指示器的数据变化及汽轮机猫爪状况。当转速提至工作转速 1 1 666 r/min，恒速 37 min时，汽轮机又出现了剧烈的振动，其两端的振值分别达到了82 la n和76 1.t m，汽轮机联锁跳车，随后压缩机二楼平台油系统溢油，说明回油线上的油过滤网堵塞，其堵塞情况见图 2。

图2 过滤网堵塞情况Fig.2 Blocking filter net condition从图 2可以看出，回油过滤网被铝合金颗粒所堵塞，说明汽轮机内的梳齿密封环被碰撞 、摩擦 。

在启动的整个过程中，对汽轮机缸体膨胀指示器进行了监控，同时对汽轮机猫爪的状况进行了检查 ，其情况见图 3和表 1。

图3 汽缸膨胀、移位监测示意Fig.3 Detecting casing expansion and displacement①②为汽轮机的猫爪部位，③④⑤⑥为缸体膨胀指示器部位。

在表 1中，汽轮机缸体膨胀指示器的数据反映出缸体在整个启动的过程中热膨胀较均匀，说明汽轮机的保温良好，其低转暖机控制较好，猫爪①始终被顶死，猫爪②处于自由活动状态，说明因蒸汽管道的作用汽轮机缸体被抬起、侧翻。

2013年4月 张锡德，等.管道柔性设计对合成气压缩机汽轮机振动的影响 -45在管道布置设计时要加以考虑，要达到管道热胀冷缩的自补偿，就要充分利用管道平面弯曲或空间弯曲与扭转，使用专门补偿器构件也可调节管道的受力状态。

(1)有两种常用布管方法 [6]：其-是远离端点的几何重心布置管系，管系布置得离自身的几何重心越远 ，其柔性越好；其二是增加管系的弯管数。这两种方法都能有效降低汽轮机管口推力。

(2)使用专门补偿器构件。在配管中，采用的构件补偿器有波纹管膨胀节、套筒式补偿器及球形补偿器等 ，甚至局部使用波纹金属软管，常用补偿器是膨胀节补偿器或波纹补偿器， 以补偿管道系统因温差等因素造成的小量轴向伸缩、横向位移、角向变化。

使用波纹补偿器，其补偿器内压推力对管端推力影响较大，因此要使用无轴向内压盲板推力型补偿器。

4.1.2 管道的冷紧冷紧或反向冷紧是先将管道切去或加长-段预定的长度，安装时再将管道强拉就位。虽然冷紧使管道在冷态下产生与热胀方向相反的作用力，从而降低热态下的作用力，但管道焊接完毕后必须打开管口法兰进行平行度和同心度检查，冷紧会导致法兰打开后两片法兰不对中或偏斜，所以当管道对汽轮机产生的力与力矩超过允许值时，通常不采用冷紧的方法加以解决 。

4.1.3 支吊架的合理配置与选型正确地选择支吊架的形式，在管系的适当地点加装支、吊架(刚性或弹性)或限位架 ，以限定管系在某些方向的线位移、角位移，就可改变整个管系或某个局部力和力矩的分布，从而降低管道对汽轮机的推力。

(1)固定支架应设在比较靠近汽轮机进出口管口的位置，其理想位置是使管道在 3个方向的热伸长量正好等于汽轮机管口在同样 3个方向上的附加位移量。

(2)管道上设置-些导向支架，可防止过大侧向位移，同时减少振动的影响。

(3)限位架-般用来限制管道水平方向的线位移。限位方法在于把管系分割，使各部分产生不同的力和力矩 ，以达到力和力矩的转移或部分抵消，从而改善管端推力。

(4)在弹簧支座与管托之间增加聚四氟乙烯滑板，可降低支架摩擦力，从而降低管道对管端的推力。

(5)选择支吊架或限位架的适当位置很重要 ，其主要靠经验判断，并配合多次试算、调整 ，以达到最优方案。

(6)支吊架荷重要尽量分配均匀 ，使自重应力最大值为最校(7)在汽轮机的接管口附近 ，设置弹簧支吊架，并调节其载荷，往往可减少汽轮机管口的推力。

4.1.4 其他方法(1)调节管道壁厚，使管道刚度降低，管端推力下降。

4.2 现场处理措施因汽轮机入口管道为高压蒸汽管道 ，对管道重新布置 ，增加管道柔性，涉及到管道的切割和焊接，同时又受到现痴间的限制，其困难较大 ，不宜采用。

对于在管道上增设专门补偿器构件、改变管道壁厚及管道弯头的弯曲半径等措施显然也不可取 ，根据设计院对蒸汽管道产生的力重新计算及核算结果 ，以及对汽轮机蒸汽进口管道的现场布置情况的观察、分析，决定采用改变支吊架的措施来消减人口蒸汽管道对汽轮机缸体的影响，其蒸汽管道支吊架见图4。

图4 蒸汽管道布置Fig.4 Steam piping arrangement1，2.可变弹簧支吊架；3，4.固定管架；5.活动管架；6，7，8。

恒力弹簧支吊架；9，10.活动管架为了减轻高压蒸汽管道对汽轮机的影响，将图4的蒸汽管道分成 3段，即a.b，b-C，c-d进行考虑。

(1)为防止a.b段蒸汽管道产生的力和力矩及热膨胀传递到b.C段，将活动管架9，10改为固定死支架，使其产生的力及热膨胀向反方向传递。

(2)为防止b-c段蒸汽管道产生的力和力矩及热膨胀传送到 c-d段，首先将恒力弹簧支吊架 6，7，8改为弹簧力较小的吊架，吊架6从原设计载荷 2 550 N改为 1 750 N，吊架 7，8从原设计载荷 4 750 N改为3 550 N，其次将活动管架 5改为 y方向限位的导向管架，这样当b.C段管道产生热膨胀时，其位移量就可轻松向下移动，即使部分位移量向上移动，因管架5在 ，方向上具有限位作用，所以，其对 c.d段管道的影响较校l匕 工 设 备 与 管 道 第 50卷第 2期(3)为减小c.d段管道产生的力对汽轮机的影响，将可变弹簧支吊架1的工作载荷6 500N改为4 200N，同时对其弹簧力进行调节，同时改变可变弹簧支吊架2的安装位置，使其向吊架 3方向移动 450 mm。

4.3 运行效果在采取了以上降低管口推力的措施后，对汽轮机进行重新启动，在试车过程中猫爪始终处于自由活动状态，观察膨胀指示器的读数，汽轮机缸体膨胀均匀，试车未出现异常振动，说明蒸汽管道对汽缸体产生的过大推力已消失，在工作转速达到 1 1 670r/min时，其振动值VT4301X、VT4301Y、VT4302X及VT4302Y分别为5.63、5.82、6.14及6.35 1TI，且保持恒定，汽轮机试车获得了圆满成功。

5 结论汽轮机振动是-个复杂的问题，引起振动的原因较多，在分析振动原因时，要结合现场实际，对可能引起振动的原因要逐项排查，找到振动根源。

通过对合成气压缩机汽轮机缸体膨胀指示器读数的监控，同时对汽轮机猫爪状况进行了检查，初步确认汽轮机缸体抬起是由蒸汽管道引起的，利用受力分析软件重新对实际布置的蒸汽管道进行计算 ，并将其结果代人汽轮机允许受力校核公式后 ，发现进汽管道作用于汽轮机管口的推力过大 ，不符合标准要求，最终确定汽轮机的异常振动是由人 口蒸汽管道拉动缸体而引起的。采取对蒸汽管道进行分段考虑、分析，将活动管架改为固定死支架，选用弹簧力较小的恒力弹簧支吊架及可变弹簧支吊架，改变支架的位置，使用限位支架等措施降低了蒸汽管道对汽轮机的影响，从而消除了汽轮机的异常振动。