提高蒸汽管网效率,降低管损技术要点和实施方案(一)

1、提高蒸汽管网效率，降低管损，节约能源杭州瓦特节能工程有限公司 技术服务中心蒸汽技术工程师 李少鹏锅 炉 产 生 的 蒸 汽 必 须 通 过 管 网 输 送 到 使 用 热 量 的 用 汽 点。 通 常 从 锅 炉 有 一 根 或 多 根 蒸 汽 主 管 向 用 汽 车 间 方 向 输 送 蒸 汽， 然 后 通 过 小 口 径 的 分 支 管 道 将 蒸 汽 送 给 各 个 用 汽 设 备。蒸 汽 源 到 使 用 点 的 蒸 汽 输 送 过 程。 蒸 汽 源 可 以 是 锅 炉 房 或 者 热 电 联 产 的 供 给。 锅 炉 可 以 是 燃 煤、 油 和 天 然 气 的 锅 炉， 也 可 以

2、是 余 热 锅 炉 使 用 高 温 过 程 产 生 的 废 气。 无 论 汽 源 如 何， 为 了 在 用 汽 点 得 到 高 品 质 的 蒸 汽 正 确 的 蒸 汽 量 和 压 力， 高 效 的 蒸 汽 分 配 系 统 是 关 键 所 在。当 锅 炉 的 冠 状 阀 打 开( 缓 慢 打 开)， 蒸 汽 立 即 从 锅 炉 进 入 蒸 汽 主 管。 在 初 始 状 态， 蒸 汽 管 道 是 冷 态 的， 因 此 热 量 从 蒸 汽 传 递 给 管 道。 管 道 周 围 的 空 气 更 冷， 管 道 会 传 热 给 空 气。 除 了 蒸 汽 加 热 管 道 引 起 的 蒸 汽 冷 凝( 称 为

3、“ 起 动 负 载”) 以 外， 管 道 传 递 给 空 气 的 热 量 使 蒸 汽 冷 凝 更 快( 称 为“ 运 行 负 载”)。 这 样 形 成 的 冷 凝 水 积 累 在 管 道 底 部， 被 蒸 汽 携 带 和 重 力 的 作 用( 通 常 蒸 汽 主 管 沿 蒸 汽 流 动 方 向 有 一 向 下 的 梯 度) 沿 蒸 汽 流 动 方 向 流 动。 当 用 汽 设 备 的 阀 门 打 开， 蒸 汽 从 分 配 系 统 进 入 用 汽 设 备 并 接 触 冷 态 的 加 热 面， 蒸 汽 释 放 出 蒸 汽 焓 加 热 设 备( 起 动 负 载)， 并 连 续 不 断 传 递 热 量

4、 给 工 艺 制 程， 然 后 冷 凝 成 水。 现 在 有 一 连 续 的 蒸 汽 流 来 自 锅 炉 以 满 足 所 连 接 设 备 的 负 载 要 求， 为 了 维 持 该 蒸 汽 供 给， 锅 炉 必 须 产 生 更 多 的 蒸 汽。 为 此， 更 多 的 燃 料 加 入 锅 炉， 更 多 的 水 泵 入 锅 炉 以 补 充 水 蒸 发 成 蒸 汽。 蒸汽产生、输送、使用、冷凝水回收的一个典型循环选 择 工 作 压 力蒸 汽 分 配 系 统 是 汽 源 和 用 汽 设 备 之 间 的 重 要 连 接。 蒸 汽 分 配 系 统 必 须 在 最 小 散 热 损 失 和 最 小 费 用 的

5、情 况 下， 提 供 正 确 的 流 率 和 正 确 的 压 力。 我 们 必 须 时 刻 记 住， 在 工 艺 制 程 和 加 热 应 用 中 使 用 的 是 干 饱 和 蒸 汽( 并 非 过 热 蒸 汽)。 输 送 蒸 汽 的 压 力 取 决 于 用 汽 点 设 备 所 需 要 的 最 高 压 力。 但 我 们 必 须 记 住， 由 于 蒸 汽 管 道 的 流 动 阻 力 和 散 热 损 失 引 起 的 蒸 汽 冷 凝， 使 蒸 汽 在 通 过 输 送 系 统 后 压 力 有 所 下 降。 因 此 在 决 定 输 送 压 力 时 必 须 考 虑 一 定 的 余 量。总 之，在 选 择 工

6、作 压 力 时， 我 们 必 须 考 虑 以 下 几 点：· 用 汽 设 备 需 要 的 压 力· 沿 管 道 的 流 动 阻 力 引 起 的 压 力 降( 摩 擦)· 管 道 的 热 损 失我 们 知 道， 高 压 下 蒸 汽 比 容 较 小， 因 此 在 高 于 使 用 压 力的 压 力 下 输 送 蒸 汽 时， 输 送 同 样 的 蒸 汽 量 需 要 的 管 道 口 径 比 较 小。 高 压 输 送 蒸 汽高 压 输 送 蒸 汽， 则 需 要 在 各 用 汽 点 进 行 减 压， 以 满 足 实 际 应 用 过 程 的 压 力 需 要。 瓦特节能认为高 压

7、输 送 蒸 汽 具 有 以 下 优 点：1. 更 小 的 蒸 汽 管 道。 管 道 表 面 积 小， 散 热 损 失 少。 2. 蒸 汽 管 道 的 费 用 减 少， 包 括 管 道 材 料、 法 兰、 支 撑 件 和 劳 力。 3. 管 道 的 绝 热 费 用 减 少。4. 通 过 减 压 在 使 用 点 可 以 获 得 更 加 干 燥 的 蒸 汽。5. 锅 炉 在 高 压 下 运 行 时 更 接 近 其 最 佳 运 行 状 况， 因 此 效 率 更 高。 锅 炉 在 高 压 下 运 行 时 的 蓄 热 能 力 大， 有 助 于 处 理 系 统 负 载 的 波 动， 减 少 汽 水 共 沸

8、和 携 带 的 可 能 性。管 道 口 径 选 型目 前 普 遍 存 在 的 问 题 是 根 据 所 连 接 的 设 备 接 口 管 径 来 选 择 输 送 蒸 汽 的 管 道。 而 输 送 的 压 力 以 及 输 送 的 蒸 汽 质 量 等 关 键 因 素 往 往 被 忽 略。 瓦特节能认为如 果 管 道 选 型 过 大， 则：· 管 道 费 用 增 加· 形 成 的 冷 凝 水 增 多· 冷 凝 水 增 加， 引 起 蒸 汽 品 质 下 降、 传 热 效 率 降 低· 更 多 的 热 损 失例 如， 使 用 50mm 的 蒸 汽 管 道 能 输 送

9、足 够 的 蒸 汽， 如 使 用80mm 的 管 道， 则 费 用 会 增 加 44%。80mm 绝 热 管 的 热 损 失 比 50 mm 绝 热 管 的 损 失 多 21%。80mm 非 绝 热 管 的 热 损 失 比 50mm 非 绝 热 管 的 热 损 失 多 50。 瓦特节能经验表明如 管 道 选 型 偏 小， 则：· 高 的 蒸 汽 流 速 产 生 高 的 蒸 汽 压 力 降， 到 达 用 汽 点 时 压 力 不 足· 用 汽 点 没 有 足 够 的 蒸 汽 量· 蒸 汽 流 速 加 快， 容 易 产 生 冲 蚀 和 水 锤管 道 的 口 径 选 择

10、可 以 使 用 以 下 两 种 方 法 中 的 任 一 种。: · 流 速 法 · 压 降 法 无 论 使 用 何 种 方 法 进 行 选 型， 应 该 用 另 一 种 方 法 进 行 校 核 以 确 定 不 超 出 限 制。 流 速 选 型 是 基 于 管 道 的 流 通 体 积 等 于 管 道 的 截 面 积 和 流 速 的 乘 积( 记 住 比 容 随 压 力 变 化 而 变 化)。如 果 知 道 了 蒸 汽 的 质 量 流 率 和 压 力， 我 们 可 以 很 容 易 计 算 出 管 道 的 体 积 流 量 (m3/s)。 如 果 我 们 确 定 一 个 可 以 接

11、 受 的 流 速 (m/s)， 知 道 了 所 输 送 的 蒸 汽 体 积， 则 可 以 计 算 所 需 的 流 通 截 面 积(管 径)。 特 定 流 速 下 的 管 道 流 量随 以 下 因 素 的 增 加 而 增 加： · 流 速 ( 原 因 如 前 页 所 述)· 压 力。 压 力 增 加， 比 容 减 小蒸 汽 管 道 流 量 图 表 是 根 据 蒸 汽 流 速 选 择 管 道 的 可 靠 方 法。25 40 m/s 之 间 的 流 速 适 用 于 短 的 分 支 管 道， 而 较 低 的 流 速， 如15 m/s 左 右 可 用 于 主 蒸 汽 管。管 道 厚

12、度 和 标 准 管 径通 常 使 用 的 管 道 厚 度 是 基 于 美 国 石 油 研 究 所(API) 的 管 道 表 号，实 际 的 厚 度 参 考 表 号 确 定。 这 些 表 号 根 据 管 道 的 压 力 等 级 分 为 11 个 系 列。 从 最 低 的 NO. 5 至10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 和 NO.160。 对 公 称 口 径 小 于 150 mm (6 英 寸) 的 管 道， 管 道 系 列 号 40 是 管 道 重 量 最 轻 的 表 号。 只 有 40 和 80 号 覆 盖 了 从 15 mm (1/2 英 寸) 60

13、0 mm 的 所 有 公 称 口 径。 最 常 用 的 蒸 汽 管 道 表 号 是40， 次 之 是 管 表 号 80。 管 道 表 号 表 在 BS 1560 和 BS 1600 中 可 以 查 询。 管 壁 厚 可 以 根 据 以 下 公 式 计 算：其 中：t=内 部 压 力 设 计 厚 度(mm)p=内 部 设 计 压 力 bar,(105N/mm2)D=管 道 外 径(mm)S=设 计 应 力 N/mm2,(MN/m2) 特 定 流 速 下 的 管 道 流 量最 常 用 的 材 料 为 低 碳 钢 ( 等 级 620 )， 根 据 特 殊 需 要 可 以 使 用 其 它 的 等 级。

14、 由 上 述 公 式， 为 了 计 算 管 道 厚 度， 需 要 知 道 材 料 的 设 计 应 力， 这 可 以 在 BS 806 中 找 到( 安 装 和 连 接 至 锅 炉 的 铁 素 体 管 道 的 设 计 和 结 构)。 应 力 随 温 度 的 变 化 很 大， 因 此 在 选 择 设 计 应 力 时 温 度 是 一 个 重 要 的 变 量。 应 力 在 管 道 的 两 个 支 撑 点 之 间 也 会 积 聚。 如 果 安 装 良 好， 则 该 应 力 可 以 忽 略， 但 考 虑 安 全 性 和 计 算 误 差， 选 择 较 小 的 设 计 应 力 更 好。 管 道 也 应 该 足

15、 够 的 厚 以 承 受 冲 击 和 其 它 的 用 途 如 作 为 提 升 泵/ 设 备 等 的 连 接 点。 另 一 个 经 常 用 于 管 道 厚 度 的 术 语 是 蓝 色 和 红 色 带。 详 细 参 见 BS 1378 ( 钢 管 和 其 它 用 于 BS21 管 螺 纹 标 准 的 管 材)， 应 用 特 殊 的 管 道 等 级， 红 色 带 表 示 重 级， 蓝 色 带 表 示 中 级。 对 于 蒸 汽 管 道 应 用 红 色 带 是 最 常 见 的， 而 蓝 色 带 通 常 用 于 空 气 分 配 管 道。 短 于 4m 的 管 道 只 有 一 个 颜 色 带 标 记， 在

16、4m-7m 长 之 间 的 管 道 在 两 端 附 近 都 有 一 颜 色 标 记。 标 记 带 大 约 50 mm 宽。带 标 记 的 管 道管 道 流 量 和 压 力 降我 们 需 要 考 虑 蒸 汽 管 道 内 的 压 力 降。 使 用12 页 上 的 管 道 口 径 选 型 图 可 以 得 到 更 详 细 和 全 面 的 信 息。 下 面， 我 们 将 讨 论 两 个 实 例， 一 个 理 论 性 较 强，另 一 个 更 实 际 些，通 过 这 两 个 实 例 我 们 可 以 对 管 道 口 径 选 择 有 较 好 的 理 解。 举例 如 果 初 始 压 力 为 7 bar。 压 力

17、因 子 (P1) 可 以 从 管 道 选 型 图 的 压 力 因 子 表 查 得 为 56.38， 并 且 如 果 最 终 压 力 为 6.4 bar， 压 力 因 子 (P2) 为 48.48。管 道 压 力 降假 定 管 道 长 度 ( 包 括 弯 头 和 接 头) 为 263 米， 则：使 用 管 道 流 量 和 压 力 降 因 子， 我 们 找 到 左 边 0.030 一 栏， 从 左 往 右 读 取 数 值，65 mm 的 管 道 能 输 送 919.4 kg (x) 的 蒸 汽， 此 时 速 度 因 子 (y) 为 80.64 m/s。速 度 因 子(y) 是 基 于 蒸 汽 的

18、比 容 为1 m3/kg， 因 此 可 以 方 便 地 转 化 成 其 它 比 容 状 态 下 实 际 的 蒸 汽 流 速：因 此 如 果 速 度 因 子 (y) = 80.64 m/s， 蒸 汽 压 力 为7 bar， 比 容 为 0.240 m3/kg (参 考 蒸 汽 表)， 我 们 可 以 得 到 实 际 的 速 度 为： 管 道 口 径 (mm)1520253240506580100125150175200225250300F0.020 x9.830.1663.75114.7189411760.112262697490479931201417163235383138450508Y20

19、.5129.5536.0739.62146.4158.366.775.014904107.5122.3135.6147.3160.0172.0193.30.025 x10.9933.4870.73127.3209.8459.7834.613672970542288171329619332263573475056581y23.032.840.0243.9751.3965.0373.283.71021191351501661791912170.030 x12.036.077.213823050191914803624588497921448120917285953796762522y25.136.

20、043.747.656.370.980.690.6112129150164180195207239管 道 流 量 和 压 力 降 因 子 (部 分) 压 力Bar g 比 容m3/kg 压 力 因 子6.00.27243.546.10.26944.766.20.26545.986.30.26147.236.40.25848.486.50.25549.766.60.25251.056.70.24952.366.80.24653.686.90.24355.027.00.24056.387.10.23757.757.20.23559.137.30.23260.547.40.22961.967.50.

21、22763.397.60.22464.847.70.22266.317.80.21967.797.90.21769.298.021570.80压 力 因 子 表举例 让 我 们 进 行 一 个 实 际 的 应 用， 利 用 压 力 降 计 算 下 图 中 的 主 蒸 汽 管 道 口 径。 长 度从 锅 炉 至 加 热 组 的 长 度 已 知， 但 我 们 必 须 考 虑 连 接 件 的 摩 擦 阻 力， 通 常 称 为 等 效 管 长 度， 例 如 将 一 个 球 形 阀 等 效 于 多 少 米 长 的 直 管 道。 如 果 已 知 管 道 的 尺 寸， 则 可 以 计 算 连 接 件 等 效

22、 的 阻 力。 但 实 际 上 管 道 口 径 不 知 道， 则 必 须 给 连 接 件 一 个 系 数。 简 而 言 之，100 m 长 的 直 管 道， 可 以 考 虑 10% 的 连 接 件 等 效 长 度。同 样 是 直 管 道， 如 果 长 度 较 短， 则 可 以 考 虑 更 多 的 连 接 件 等 效 长 度， 例 如 20%。在 本 实 例 中， 属 于 第 一 类， 长195 m， 增 加10% (19 m) 的 等 效 长 度， 则 总 长 度 为 = 214 m。蒸 汽 流 率我 们 必 须 考 虑 一 定 的 余 量， 即 由 于 蒸 汽 主 管 的 辐 射 散 热 引

23、 起 的 损 失。 加 热 组 的 蒸 汽 用 量 为 270 kg/h， 主 管 必 须 输 送 这 些 质 量， 同 时 加 上 管 道 辐 射 损 失 引 起 的 蒸 汽 冷 凝 量。 因 为 蒸 汽 管 道 的 口 径 尚 未 确 定， 因 此 无 法 精 确 计 算， 如 果 管 道 绝 热， 则 假 定 每 30m 有1 的 辐 射 损 失。 在 本 例 中：则 锅 炉 的 蒸 汽 流 率 = 270 + 7.1% = 289 kg/h根 据 压 力 因 子 图，7 bar 时 P1 = 56.386.6 bar时 P2 = 51.05并 且 等 效 长 度 L = 214 m因

24、此：根 据 管 道 流 量 和 压 力 降 因 子 表， 压 力 降 因 子 F 为 0.025 时：40 mm 口 径 的 管 道 容 量 为 209.8 kg/h50 mm 口 径 的 管 道 容 量 为 459.7 kg/h 因 此 管 道 必 须 选 择 50 mm。· 选 择 蒸 汽 主 管 时， 如 果 刚 好 能 满 足 额 定 的 容 量 要 求， 则 不 是 好 的 选 择， 应 该 留 用 一 定 的 余 量， 以 补 偿 设 计 误 差 和 以 后 设 备 扩 容 的 需 要。 · 如 果 计 算 的 F 值 为 表 中 的 中 间 值， 虽 然 没 有 完 全 的 线 性 关 系， 但 通 过 插 值 计 算 具 有 一 定 的 精 度。 表 中 显 示 的 数 据 为 标 准 口 径 的 容 量。 让 我 们 再 进 行 速 度 校 验。 我 们 已 经 说 明 图 中 'y' 的 速 度 因 子 是 基 于 蒸 汽 比 容 为 1 m3/kg