高压蒸汽吹扫工况的参数选取

高压蒸汽吹扫工况的参数选取韩应斌【摘要】管线吹扫是开车前的重要工作，尤其是对于一些操作工况温度高、压力高的管线，还需用高压蒸汽对管道进行吹扫，比如汽轮机的蒸汽管线，此外还需设计临时吹扫管线才能达到管线的吹扫要求.但是设计人员基本不会考虑吹扫工况的设计，也不对需要设置临时吹扫管线的地方进行设计.通过从实际项目工作中得到的经验与计算相结合，给出了蒸汽吹扫管线吹扫参数确定的方法，以及如何设计临时吹扫管线,为管道蒸汽吹扫工作提供一定的参考.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷)，期】2016(053)005【总页数】4页(P83-86)【关键词】高压蒸汽;管道吹扫;吹管系数;临时管道【作者】韩应斌【作者单位】华陆工程科技有限责任公司，西安710065【正文语种】中文【中图分类】TQ050.7;TH17管道吹扫的目的是利用流体的压力产生高速气流的冲刷力，将管道在制造、焊接及安装过程中，遗留在管道内的杂质清除干净。现场实际多用蒸汽对管道进行吹扫，笔者就以蒸汽为吹扫介质，介绍一下如何确定蒸汽汽轮机管线的蒸汽吹扫方案。汽轮机的驱动蒸汽管线开车前需进行蒸汽吹扫，否则残存在管道内的杂质会撞击、打毛汽轮机叶片，汽封等，损坏设备。此外，由于蒸汽吹扫过程温度高，可以利用不同物质热膨胀系数的差异，降低腐蚀产物与管道表面的结合强度，使附着在管道内壁的氧化物杂质剥落下来，在高温气流的冲刷下排出管外。高压蒸汽管道临时吹扫管道需要确定合理的吹扫蒸汽温度、压力及流量，确定了这些条件才能对临时吹扫管线进行机械设计，设计条件选取是否合适直接影响临时吹扫管线的投资费用及吹扫过程的安全，因此需要根据现场实际综合考虑确定蒸汽吹扫的条件。本文结合作者的实际工作经验，对管道蒸汽吹扫过程中重要的参数进行了分析［1-4］，为管道进行高压蒸汽临时吹扫的设计提供了准确的依据。蒸汽管道的吹扫效果与蒸汽的动量有关，因此管道吹扫时蒸汽必须要有足够大的动量，才能达到吹扫的效果。在化工行业标准中没有对这个动量进行定义，但在DL/T1269—2013《火力发电建设工程机组蒸汽吹管导则》中提出了吹管系数K的概念，用K值来衡量和确定吹扫效果。式中K——吹管系数；Db 吹扫工况蒸汽流量，t/h；Vb 吹扫工况蒸汽比体积，m3/kg；Do——锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况蒸汽流量，t/h；Vo——锅炉BMCRT况蒸汽比体积，m3/kg。需要说明的是，这里的Do和Vo针对的都是锅炉的工况，吹扫夕卜管网时应按蒸汽管道的设计蒸汽流量和相应蒸汽比体积进行计算。因此针对蒸汽管网末端用户，Do和Vo的值应该都是一个定值。导则中明确了吹扫参数的选择必须保证被吹扫系统各处的吹管系数均大于1，意味着吹管系数越大吹扫的效果就越好。但从经济性的角度出发，K值需要有一个范围，目前国内的吹管系数通常取值在1.2~1.5之间。由吹管系数公式可知，K与Db2成正比，因此增大Db值可显著提高吹管系数，但是由于吹扫工况下，吹扫蒸汽是全部排入大气的，无法回收，而且通常蒸汽管道吹扫长达十天以上，所以Db值的选择也不能过大，否则会造成不必要的浪费。可见仅靠增大吹扫蒸汽流量来调高K值，达到需要的吹扫效果是不可取的。另一方面，K与蒸汽比体积Vb也成正比，增大Vb值也可提高吹管系数。由热力学原理可知，蒸汽比容与压力和温度有关，压力和温度确定后，比容也就随之而定。由于吹扫过程要使管道充分膨胀，所以吹扫蒸汽的温度要求尽量接近实际工作温度，因此吹扫蒸汽的比容只与吹扫压力有关，根据蒸汽焓图，在温度一定的情况下，压力越低，比容越大，因此吹扫时应当选取较低的压力参数。下面以某空分项目为例，分析吹管系数的确定。该空分项目高压蒸汽管道设计压力10.3MPa，设计温度545^;工作压力9.15MPa，工作温度525°C。汽轮机设计进气量159t/h。高压蒸汽管道为DN300（夕卜径325mm），壁厚20.62mm,材质为A335GR.P91SMLS。业主最初给出的蒸汽吹扫条件为：温度440C，压力5.5MPa,流量120t/h。以此为吹扫条件，代入上式计算吹管系数为K=0.9,不能满足导则中对吹管系数的要求。图1为该条件下，不同压力时的吹管系数。由于吹管系数达不到要求，因此吹扫条件需要调整。由于业主具有4台320t/h锅炉的能力，首先考虑增大吹扫蒸汽的流量。经计算在温度440C,压力5.5MPa的条件下，增大流量后吹管系数的变化如图2。由图2可见，只有当蒸汽流量大于130t/h时，吹管系数才能大于1,吹管系数变化不大，再考虑在流量等于130t/h的情况下吹管系数的变化情况，如图3。重新计算后，在吹扫条件为440C、4.0MPa、130t/h的情况下，吹管系数可达K=1.4，是满足DL/T1269—2013《火力发电建设工程机组蒸汽吹管导则》中相关规定，合理的取值。在GB50235—2010《工业金属管道工程施工规范》中，规定了蒸汽管道应以大流量蒸汽进行吹扫，流速不应小于30m/s，还需要对蒸汽流速进行复核。440°C、4.0MPa、130t/h条件下，蒸汽在DN30（0夕卜径323.9mm），壁厚20.62mm的管道内流速根据化工原理中计算流速的公式：式中VS——工作条件下的体积流量，m3/h;A——与流体方向相垂直的管道截面积，m2。440°C、4.0MPa蒸汽的密度为13.05kg/m3,130t/h即为9961.7m3/h流速为43.8m/s，满足规范的要求，因此吹扫条件是合理的。虽然动力管道设计手册中，正常过热蒸汽DN>200时的经济流速为60~80m/s,但按上述确定的吹扫条件，要使蒸汽流速达到60m/s以上，蒸汽流量需要达到180t/h以上，虽然业主可以满足这个流量，但是要考虑管网内其他设备的设计负荷，过大的蒸汽会造成设备的强烈振动。由于管线使用蒸汽吹扫时压力、温度都很高，而且蒸汽流速最低也要在30m/s以上，相当于108km/h的速度，因此要将吹扫蒸汽引至空旷的场合并有一定保护措施后才能放空，以避免管道中的高流速杂质对人和设备造成损伤。这是设置临时吹扫管道的主要目的。在GB50235—2010《工业金属管道工程施工规范》中要求：蒸汽管道吹扫前，管道系统的绝热工程应已完成，但实际现场施工过程中，为了便于对管道进行敲击、吹扫过程中管道的降温及检查管道的热位移情况的要求，整个吹扫管系绝热工程一般不会全部完成后才进行吹扫。根据上述确定的吹扫条件，来对本项目的蒸汽管道及临时吹扫管线进行分析。本项目为2套空分装置，2套汽轮机的驱动蒸汽管道各自独立，由于气源进入装置的方位一致，因此两套空分装置的高压蒸汽管道长度不等，但是临时吹扫管线基本—致，这里取管道相对较短的一套蒸汽管道进行分析，如图4。该管线界区内管道总长为200m、弯头共21个，绝热厚度为140mm，绝热材料为硅酸铝，两个测点间的管长为180m、弯头16个。按临时吹扫管道在吹扫阀前与被吹扫管道管径相同、阀后大于被吹扫管道管径的原则，临时吹扫管线阀前管道为DN300，管线长度30m；阀后管道根据现场余料情况按DN400考虑，管道长度60m。这里取测点1的参数等于吹扫条件的参数。通过计算，180m管道压降在0.2MPa左右，对临时吹扫管道选材影响不大。正常工况下或者绝热工程完毕后，测点2的温度和压力应基本与测点1的保持一致。但由于管道吹扫的原因，实际绝热工程只完成了管道长度的一半左右。根据化工原理中管道散热量的计算方法，按管道3/4长度进行了绝热计算（即，3m保温1m裸管），保守计算测点2温度下降了40°C,此时核算吹管系数K=1.3。如按管道1/2长度进行绝热计算，测点2温度将下降了80C,为360C,此时核算吹管系数K=1.2。可见绝热与不绝热对管道中介质温度的影响很大，温度下降时，压力不变时蒸汽的比体积也下降，也就是Vb值小了，因此吹管系数也随之变小。此时如果临时吹扫管线还按照吹扫参数来进行计算是不合适的。以上述计算结果，临时吹扫管线入口的温度和压力可以取测点2的温度压力，即按400C来考虑。可选的常用钢管如表1。以上材料均可选择，由于现场余料中20G的管道较多，暂定使用此管道，但需要核算管道壁厚。管道的计算厚度t应按照规范GB/T20801-2006《压力管道规范工业管道》中的计算公式：式中t 直管计算壁厚，mm;p——设计压力，MPa;D 管子外径，mm;S——在设计温度下材料的许用应力，MPa;Y——计算系数；中——焊接质量系数。按照上述条件在规范中查表取值，4.0MPa,400OC条件下20G的许用应力值为89MPa，计算壁厚t:DN300、DN400管道计算壁厚分别为t=7.1501mm和t=8.9713mm。制造偏差及腐蚀附加量的和按0.7mm考虑，最后得到设计壁厚分别为7.85mm和9.67mm。现场管道规格为中323.9mmx10mm,中406.4mmx12mm,可以满足4.0MPa,400C条件下的吹扫要求。蒸汽吹扫时，在温度一定、流量一定的情况下，由于管道的设计参数是定值，所以管道的吹扫压力越低则吹扫系数越大；在温度一定、压力一定的情况下，吹扫流量越大吹扫系数越大。但最终要根据锅炉的能力及管网中其他设备的限制，在K值的范围内，最终选择一个合适的吹扫系数的来确定蒸汽