北京沃利帕森工程技术有限公司 100012
摘要：动力站能够满足整个石化厂中需要的蒸汽、除氧水等，同时可以满足石化厂中需要的电力要求，从而保障整个动力站的各个工艺生产装置的顺利运行。动力站能够通过装置的余热产生蒸汽，并且使其发电，以此达到能源的回收利用，使石化企业的经济和社会效益达到最大化。本文主要以某石化厂动力站为例分析了动力站的配管设计。
关键词：石化厂；动力站；配管设计
1动力站中的重要设备
动力站是石化厂的自己准备的热电厂，配管设计参数需要满足工艺系统对供热参数的要求。动力站的主要设备如图1所示。
图1 动力站的工艺流程示意图
（1）在动力站中燃气轮机、辅助锅炉、锅炉等都是明火设备，适合安装在装置的四周，同时放在可燃气体、液化烃和甲、乙类设备的一年中最小频率风向的下风侧，同时与配电间、汽轮机厂房的距离必须符合防火间距的要求。
（2）燃气轮机安装在厂房里面的时候，需要制定出有效的厂房进气、排气的方案。汽轮机的油系统设备需要做好防火对策。
（3）除氧器和锅炉给水泵的安装，需要确保给水泵或其前置泵进口不产生汽化。
（4）装置里面的设备安装需要满足热、电联产工艺流程的要求，需要确保设备设置合理、管道连接简单，并且井井有条，同时结合主要管道的进行安装。
2超高压蒸汽管道和汽水管道
2.1管道类别
动力站与普通的工艺装置不一样，动力站的管道不仅有GC类(工艺管道)，同时还有GD类(动力管道)。GD类管道主要是使用在汽轮机发电的蒸汽及汽水管道，其是动力站配管设计的重要部分。动力站的超高压主蒸汽线和汽水管道的设计温度大于535℃，设计压力为13.5 MPa，结合有关要求，需要十分重视其在管道中的布置。
3.2 超高压主蒸汽管道
动力站的主蒸汽线主要是从锅炉到汽轮发电机组的超高压蒸汽管道。主蒸汽流到汽轮机，带动汽轮机运转发电，并且产生高压蒸汽、中压蒸汽及低压蒸汽等流到系统管网中，给石化厂的正常运行带来足够的电力和各种蒸汽。主蒸汽线连接了锅炉和蒸汽轮机等设备，作用于整个动力站装置，所以，需要重视动力站超高压主蒸汽管道的设计。
3.2.1 主蒸汽线安装的特点
超高压蒸汽在管道里的压降容易造成能量的流失，从而降低能量转换的效率。所以，主蒸汽管道需要做好管道的压降工作。
通过流体力学计算公式，以层流作为例子，管内介质流体压降为:
Δp=λLρv2/(2D) （1）
式中: Δp——流体压降，MPa；λ——流体摩擦系数；L——流体当量长度，m；ρ——流体混相密度，kg/m3；v——流体平均速度，m/s；D——管道内径，mm。
由公式（1）可见: 管道压降和流体当量长度有关。通常使用的管件可折算为管道的当量长度，如90°弯头当量长度为40D，45°弯头当量长度为15D，6D及更大半径的弯管可大约等同长度的直管。因此，弯头的数量可直接影响到管道压降，但是采取较大曲率半径的弯管能够避免管内流体的压降损失。所以，主蒸汽道需要确保应力计算的条件下，最好减少弯头；最好采取较大弯曲半径的弯管，尽可能降低管道的压力损失。
因为主蒸汽线的压力比较高，在装置准备运行时，若管道里存在积水，就会出现水击情况，导致管系受到破坏；并且蒸汽带水会造成汽轮机受到破坏，所以，主蒸汽必须制定好疏水的措施。
3.2.2 主蒸汽管道的布置
主蒸汽管道装置的左侧设备为燃气轮机余热锅炉，中间为辅助锅炉，右侧为蒸汽轮机发电机组。在布置平面过程中，借助余热锅炉和辅助锅炉的安装，可以使超高压主蒸汽道在管道上像一个π弯，从而满足管道的初步要求。通过经过应力计算可知，在管道的主要位置安装了π弯及其相关的支架，确保管道安全顺利地运行；由余热锅炉到蒸汽轮机管道渐渐低下，同时在合适的地方安装疏水阀组，从而避免汽轮机进水，确保装置的运行安全。
主蒸汽道经过过热段之后，达到减温减压器后需要安装一段直管段，从而使除氧水流到减温减压器后可以全部汽化；减温减压器的下游需要安装安全阀和消音器。超高压蒸汽的安全阀起跳的时候反力特别大，极易发生振动情况，导致管道焊缝开裂，所以，在管道安装过程中，安全阀入口管道最好短些；安全阀出口管道要确保直，出口末端需要排向两边，同时安装正确的支架，从而确保安全阀泄放过程中，流速最好保持平稳，以此降低安全阀的反力。
3.3 汽水管道
汽水管道是动力站中的次要管道，因为介质是在汽－液平衡状态，在管道里运行过程中往往是呈两相流，很容易出现振动或水击的现象，不严重的话，会产生噪音，严重的话会造成管件焊缝开裂，管道出现泄漏情况，从而避免事故的发生。
3.3.1 汽水管道的振动原因
如果管道里的汽水两相介质满足一定比例的时候，汽水两相流在管道里处于柱塞流态，柱塞流流过管道转向的地方，要在此增加一个脉动力，如图2所示。
图2 柱塞流的流体力学公式受力分析推导示意
柱塞流的流体力学计算的经验公式是:
Fslug = ρAV2［2(1－cosθ)］1/2 DLF（2）
式中: Fslug——柱塞流产生的力，N；ρ——流体的混相密度，kg/m3；A——管道截面积，m2；V——柱塞流的流速，m/s；θ——柱塞流流向的夹角；A——柱塞流合力和解析力的夹角；DLF——动态荷载因素。
汽水管道的振动容易出现在管道的弯头或三通等流体的转向地方。由公式（1）和公式（2）得:汽水两相流介质在管道里流动，如果流过弯头、三通等地方转换流动方向时，会出现压力降，压力的波动也会造成管里介质对管系产生激振力；两相流组成的柱塞流会对弯头、三通等流向改变的地方施加脉冲力。如果管里压降改变较大时，会造成饱和水出现汽泡，导致流体的流型更紊乱。所以，控制主管的压降，能够很好地降低汽水两相流体对管道的激振力，防止管道振动的振源。
动力站汽水管道的操作温度相对较高，存在很大的热膨胀，为了确保符合管道应力计算的要求，管系的安装必须有一定的柔性，而管道柔性的提高会造成管道抗振强度减弱，在激振力作用下，管道缺少制约而造成振动增大。所以，在汽水管道的安装中，不仅需要符合应力计算要求，还需要重视管道的刚性，提高其防振能力。
3.3.2 汽水管道的安装
汽水管道适合架空或安装在地面，在管道安装过程中最好减少弯头的安装，能够很好地防止汽水管道的振动。需要采取长半径弯头，防止采取短半径弯头，如果可以，还能使用较大弯曲半径的弯管；介质的主流最好不要在三通的地方改变流动方向；如果介质流向是从下到上，最好先安装水平方向后垂直安装；如果介质流向是从上到下，最好先垂直后水平安装；确保管道里流体稳定流动，做好管道的压降，使其满足减振的要求。
在安装管道支架过程中，需要降低弹簧以及普通吊架等质量不好的支架采用，最好采取刚性支架，同时在重要的地方安装限位支架，从而提高管道的防振能力。另外，易发生振动的管道，需要对其振动分析，并且制定出有效的防振措施。
4结束语
总而言之，动力站管道的设计需要重视GC和GD两类管道，严格采取合适的管道。超高压主蒸汽管道和汽水管道是动力站的重要管道，需要充分重视装置平面安装；动力管道的设计可可分为以下3个方面:（1）降低弯头的采用率，做好管道的压降；（2）确保流体的平稳流动，避免管道振动；（3）做好管道疏水工作。在具体设计过程中，需要充分考虑这些因素，从而制定出有效的设计措施。
参考文献
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[2]张德姜．石油化工装置工艺管道安装设计手册[M]．北京:中国石化出版社，2009．
[3]邢景伟，赵星海，辛国华．电厂汽水管道振动原因分析及解决对策[J]．能源研究与信息，2012(1):18－23．
论文作者:吴云鹏
论文发表刊物:《防护工程》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/23
标签：管道论文; 蒸汽论文; 汽水论文; 动力论文; 流体论文; 弯头论文; 汽轮机论文; 《防护工程》2017年第33期论文;