供热联产热网系统管线优化研究及应用 ——基于火电厂汽轮机抽汽管道膨胀节改造的工程实践

供热联产热网系统管线优化研究及应用 ——基于火电厂汽轮机抽汽管道膨胀节改造的工程实践

李越

大唐七台河发电有限责任公司 黑龙江省 154600

          摘要：针对北方某大型火电厂供热机组汽轮机抽汽管道因膨胀节设计缺陷导致的管线膨胀异常问题，通过理论分析、数值模拟与工程改造相结合的研究方法，提出基于多维度膨胀补偿的管线优化方案。研究结果表明，采用铰链型波纹膨胀节与导向支架协同作用的改造方案，可有效解决管道应力集中、位移超限及振动超标等问题。改造后系统运行参数优于设计标准，为同类供热联产系统的管线优化提供了可复制的技术范式。

         关键词：供热联产；热网管线；膨胀节改造；应力分析；振动控制

一、引言

供热联产系统作为能源高效利用的重要形式，其热网管线的安全运行直接影响能源转换效率与民生供热质量。汽轮机抽汽管道作为连接发电设备与供热管网的关键环节，面临高温、高压及复杂热变形的工况挑战。膨胀节作为吸收管道热膨胀位移的核心部件，其选型合理性与安装工艺直接决定管线的力学性能。当前，国内部分火电厂存在因膨胀节设计保守、补偿能力不足导致的管道泄漏、支吊架失效等问题，亟需开展系统性优化研究。

二、工程背景与问题诊断

2.1 项目概况

某火电厂供热系统采用亚临界抽凝式汽轮机，抽汽管道设计参数为：蒸汽温度280℃，压力1.2MPa，管径DN1200，管道总长85m，采用“π”型布置，沿途设固定支架2处、滑动支架8处，原膨胀节为单式轴向型波纹膨胀节（型号：BFM1200-25-1.6，补偿量±25mm）。系统投运1年后，巡检发现以下异常：

1. 管道位移超限：轴向位移实测值达+28mm/-15mm，超出设计允许范围（±10mm），导致末端固定支架出现混凝土裂缝；

2. 膨胀节损伤：波纹管表面出现3处长度约2-5mm的环向裂纹，泄漏风险显著；

3. 振动异常：管道振动幅值达12.5mm/s（远超5mm/s的安全阈值），振动频率与汽轮机一阶临界频率（12Hz）吻合，存在共振隐患；

4. 应力集中：采用应变片法测得弯头处应力达210MPa，超过Q345B钢材许用应力（170MPa），存在疲劳断裂风险。

2.2 成因分析

2.2.1 热力特性分析

蒸汽在输送过程中因散热产生温降，经计算，管道沿线平均温降达60℃（280℃→220℃），由此产生的轴向收缩量为61.2mm。原膨胀节设计补偿量（±25mm）仅能覆盖理论计算值的41%，导致管道无法自由伸缩，形成温度应力累积。

2.2.2 力学性能缺陷

采用CAESAR II软件对原管线进行应力分析，结果表明：单式膨胀节仅能吸收轴向位移，无法补偿管道因热膨胀产生的横向弯曲变形（最大横向位移达8mm），导致弯头处产生二次应力；支吊架布置间距不合理（原滑动支架间距20m），超过《城镇供热管网设计规范》（CJJ 34-2010）中DN1200管道最大允许间距（15m），致使管道跨中挠度达15mm，加剧应力集中；膨胀节阻尼比仅为0.02（理想值≥0.05），振动能量无法有效耗散，引发低频共振。

2.2.3 安装工艺影响

现场核查发现，膨胀节安装时未进行预拉伸（设计要求预拉伸量30mm），导致运行中膨胀节过早进入全补偿状态，缩短了疲劳寿命。同时，管道对口焊接存在2mm错边量，进一步加剧了局部应力。

三、热网管线优化设计理论与方法

3.1 膨胀补偿理论基础

热网管线的膨胀补偿需满足“三向位移解耦”原则，即轴向、横向、角向位移需通过不同形式的膨胀节分别吸收。对于长距离轴向管道，宜采用铰链型或万向铰链型膨胀节组合，通过多个铰链点的协同作用，将复杂位移分解为单一方向的补偿，从而降低管道整体应力。

3.2 优化方案比选

针对原系统存在的问题，提出三种改造方案并进行技术经济对比：
方案1：更换为复式拉杆型膨胀节（补偿量±35mm），应力降低率30% ，振动控制效果为幅值≤8mm/s，投资22万元，施工周期15天。
方案2：采用铰链型膨胀节+导向支架组合，补偿能力轴向±40mm、横向±5mm，应力降低率45% ，振动控制效果为幅值≤4mm/s，投资28万元，施工周期20天。
方案3：增设球形补偿器（转角±15°），应力降低率25% ，振动控制存在卡涩风险，投资35万元，施工周期25天。

综合考虑补偿能力、抗振性能及经济性，选择方案2作为最终实施方案。该方案通过铰链型膨胀节吸收轴向位移，导向支架限制横向位移，形成“刚性约束+柔性补偿”的协同机制，可有效解决多维位移耦合问题。

四、膨胀节改造工程设计与实施

4.1 优化设计参数

4.1.1 膨胀节选型

型号：HJL1200-40-1.6（铰链型波纹膨胀节）

主要参数：设计压力1.6MPa，设计温度300℃，轴向补偿量±40mm，横向刚度≤50N/mm，阻尼比0.06

布置方式：沿管道轴向间隔20m布置3组，形成“π”型补偿区段，每组膨胀节配置2个铰链板，限制横向位移≤3mm

4.1.2 支吊架优化

导向支架：在膨胀节两侧各增设1组导向支架，间距调整为15m，采用滚动式支架结构（摩擦系数≤0.1），降低管道运行阻力；

固定支架：对原破损固定支架进行加固，采用C30钢筋混凝土浇筑，配筋率提升至1.2%，确保锚固力≥200kN；

减振装置：在膨胀节附近安装弹簧阻尼减振器（型号：TD-1200，阻尼系数2000N•s/m），提升系统阻尼比至0.08。

4.2 力学仿真验证

采用ANSYS Workbench对改造后管线进行有限元分析：选取管道系统全长，采用Beam188单元模拟管道，Combin14单元模拟膨胀节与支架，施加温度载荷（ΔT=-60℃）及内压载荷（1.2MPa）。结果显示：弯头处最大等效应力降至135MPa，低于许用应力；轴向位移最大值为+5mm/-3mm，横向位移控制在2mm以内；系统一阶固有频率提升至18Hz，避开汽轮机振动频率（12Hz），消除共振风险。

4.3 施工关键技术

4.3.1 无应力安装工艺

预拉伸操作：在环境温度20℃时，对膨胀节进行轴向预拉伸30mm（即计算膨胀量的50%），通过临时拉杆固定，确保安装应力为零；

管道对口：采用激光对准仪控制焊口错边量≤1mm，焊接材料选用E5015焊条，焊前预热150℃，焊后进行200℃×2h消应力处理；

支架安装：导向支架轴线与管道轴线偏差≤3mm，滚动部件转动灵活，固定支架地脚螺栓锚固深度达1.5m。

4.3.2 压力试验与监测

强度试验：系统注满水后缓慢升压至2.4MPa（设计压力1.5倍），保压30min，压降≤0.05MPa，无泄漏；

严密性试验：降压至1.32MPa（设计压力1.1倍），保压2h，压降≤0.03MPa；

在线监测：安装位移传感器与振动变送器，实时监测数据接入电厂DCS系统。

五、改造效果评估与效益分析

5.1 运行参数对比

改造前后关键运行参数对比：轴向位移由+28/-15mm降至+5/-3mm，横向位移由8mm降至2mm，振动幅值由12.5mm/s降至3.9mm/s，膨胀节应力由198MPa降至112MPa，支架载荷由45kN（过载20%）降至32kN（设计值）。

5.2 经济效益分析

直接效益：年节约检修费用14.5万元，设备寿命由25年延长至50年，折合节约更换成本56万元；

间接效益：蒸汽流动阻力减少8%，年节约标煤150吨，减少CO₂排放390吨；供热中断时长同比减少90%，用户投诉率下降85%。

5.3 技术创新点

1.多维补偿机制：通过铰链型膨胀节与导向支架协同，实现轴向主导、横向约束的解耦补偿；

2.振动控制集成：膨胀节阻尼与减振器结合，构建“被动+主动”复合控制体系；

3.无应力安装工艺：预拉伸与应力控制确保管道低应力运行。

六、结论与展望

6.1 研究结论

1. 膨胀节补偿不足与支吊架失效是管道异常的核心原因，需从“补偿-约束-减振”多维度优化；

2. 铰链型膨胀节与导向支架组合方案显著提升补偿能力与抗振性能；

3. 无应力安装与在线监测是改造效果的关键保障；

4. 方案适用于同类参数供热管道改造。

6.2 研究展望
1. 相变传热中管道动态膨胀特性研究；
2. 智能膨胀节技术（形状记忆合金、光纤传感）开发；
3. 多热源联网协同补偿策略研究。
参考文献：
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[6] 冯志新,基于CAESAR II的供热管道应力分析及优化设计[J]. 建筑热能通风空调, 2023, 42(4): 87-91.