秦志英 格蘭富水泵(上海)有限公司 上海 200120

蒸汽作為一種熱能載體, 被廣泛應(yīng)用于石油、化工、造紙、橡膠、電力等工業(yè)領(lǐng)域中。由于環(huán)境溫度較低，蒸汽管網(wǎng)會(huì)有熱量損失。裝置中，由蒸汽源輸送至蒸汽管網(wǎng)的蒸汽通常為過(guò)熱蒸汽，如果管道損失的熱量超過(guò)設(shè)計(jì)值，則會(huì)有部分過(guò)熱蒸汽冷凝成近乎同溫同壓下的飽和凝結(jié)水，所損失的熱量可達(dá)蒸汽全熱量的20%～30%[1]。為滿(mǎn)足節(jié)能減排的需要，同時(shí)，為避免蒸汽管線(xiàn)底部的凝結(jié)水引起水擊，必須對(duì)全廠管線(xiàn)的凝液進(jìn)行回收以避免管道內(nèi)凝結(jié)水的積存。回收后的凝液通過(guò)專(zhuān)設(shè)的凝液回收總管送至相關(guān)區(qū)域的回收裝置，在進(jìn)行凈化處理后作為給水送至鍋爐，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能的清潔生產(chǎn)。

過(guò)熱蒸汽在輸送過(guò)程中隨著管道外側(cè)與周?chē)h(huán)境不斷散熱，沿管道長(zhǎng)度方向過(guò)熱蒸汽溫度逐漸降低。而過(guò)熱蒸汽在管道中是否發(fā)生相變冷凝，取決于管道內(nèi)壁面溫度是否低于過(guò)熱蒸汽壓力下的飽和溫度。當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度降低至其飽和溫度時(shí)，管道產(chǎn)生冷凝液。對(duì)于環(huán)狀蒸汽管線(xiàn)，由于過(guò)熱蒸汽沿管長(zhǎng)方向的溫度變化計(jì)算比較復(fù)雜，所以判斷蒸汽管線(xiàn)是否會(huì)產(chǎn)生凝液比較困難。本文將介紹一種比較簡(jiǎn)便的方法來(lái)判斷環(huán)狀蒸汽管線(xiàn)是否會(huì)產(chǎn)生凝液。

1 計(jì)算方法

通過(guò)計(jì)算整個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)各管線(xiàn)的最大熱損失量和分析各管線(xiàn)中正常蒸汽流量以及最小蒸汽流量，引入管線(xiàn)熱損失率的概念來(lái)評(píng)估凝液產(chǎn)生的可能性。本文采用各管線(xiàn)沿程熱損失量累計(jì)的方式來(lái)表征蒸汽沿程過(guò)熱度的降低。管線(xiàn)熱損失率是管線(xiàn)的最大熱損失量與入口過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽之間的焓差的比值。若該比值小于1，說(shuō)明管線(xiàn)內(nèi)蒸汽仍具有一定的過(guò)熱度，從而判斷出管線(xiàn)內(nèi)的蒸汽溫度高于蒸汽壓力下的飽和溫度，不會(huì)有凝液產(chǎn)生。

1.1 管線(xiàn)最大熱損失量的計(jì)算

每段管線(xiàn)在空氣中的熱損失采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[2]。

(1)

q=πD1Q

(2)

式中，Q為以每平方米絕熱層外表面積表示的熱損失量W/m2;q為以每米管道長(zhǎng)度表示的熱損失量W/m;T0-為管道或設(shè)備的外表面溫度℃；Ta為環(huán)境溫度℃；αs為絕熱層外表面與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)W/(m2·K);λ為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K);D0為管道或設(shè)備外徑);D1為絕熱層外徑m。

1.2 管線(xiàn)熱損失率的計(jì)算

引入熱損失率的概念來(lái)評(píng)估低壓蒸汽的過(guò)熱度余量。

(3)

Q′=qXL

(4)

式中，l為各管線(xiàn)熱損失率;Q′為各管線(xiàn)熱損失量，kW;L為各管線(xiàn)長(zhǎng)度， m;F為各管線(xiàn)流率，kg/s;Ein為各管線(xiàn)輸入的蒸汽焓值，kJ/kg;Esat為各管線(xiàn)輸入的蒸汽在飽和狀態(tài)下的焓值(忽略管線(xiàn)壓力降)，kJ/kg。

若計(jì)算所得熱損失率小于100%，說(shuō)明該蒸汽管線(xiàn)的蒸汽在熱損失后仍處在過(guò)熱狀態(tài)，不會(huì)有凝液產(chǎn)生。熱損失率越小，則凝液產(chǎn)生的幾率就越小。

對(duì)于環(huán)狀管網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的供蒸汽的后備能力。當(dāng)管網(wǎng)中的某處出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉切斷閥切出故障段后，通過(guò)環(huán)狀管網(wǎng)由另一方提供蒸汽，確保不會(huì)發(fā)生大面積的停蒸汽工況。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，包括管線(xiàn)的定尺、冷凝液回收方案設(shè)計(jì)等，都需要考慮環(huán)狀管網(wǎng)某處出現(xiàn)故障需要斷環(huán)的工況。所以，分別計(jì)算正常不斷環(huán)工況和斷環(huán)工況下的各管線(xiàn)的熱損失率是必要的。

2 計(jì)算舉例

以某項(xiàng)目為例，通過(guò)計(jì)算來(lái)評(píng)估此項(xiàng)目中環(huán)狀的過(guò)熱低壓蒸汽管網(wǎng)是否會(huì)產(chǎn)生凝液。低壓蒸汽的操作條件及過(guò)熱度見(jiàn)表1。

表1 低壓過(guò)熱蒸汽操作條件表

其中蒸汽地焓值來(lái)自于PRO/II 9.3, 采用的物性方法是NRTL。

2.1 管線(xiàn)最大熱損失量的計(jì)算

環(huán)形低壓蒸汽管網(wǎng)的流程簡(jiǎn)圖及管線(xiàn)號(hào)見(jiàn)圖1。蒸汽用戶(hù)分布在環(huán)形管網(wǎng)周?chē)01～L02是管線(xiàn)編號(hào)。以L01為例，N: 40t/h，是指在正常不斷環(huán)的工況下，流經(jīng)L01管線(xiàn)的流量是40t/h。M：25t/h, 是指在斷環(huán)工況下(僅考慮一條管線(xiàn)故障或失效，不考慮多重失效)，即在L02、L03、L04、L05、L06、L07、L08分別故障或失效的工況下，計(jì)算在上述7種工況下，流經(jīng)L01的流量，并取最小值。所有流量均為采用AFT Fathom 11軟件計(jì)算所得。

圖1 環(huán)形低壓蒸汽管網(wǎng)的流程簡(jiǎn)圖

各管線(xiàn)熱損失量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各管線(xiàn)熱損失量表

2.2 管線(xiàn)熱損失率的計(jì)算

首先，分析不斷環(huán)正常工況。此工況下各管線(xiàn)流量見(jiàn)圖1。隨著蒸汽由蒸汽發(fā)生器(鍋爐或廢熱鍋爐)送入環(huán)形管網(wǎng)，由于沿程的熱量損失，蒸汽在管網(wǎng)內(nèi)的過(guò)熱度會(huì)因與蒸汽源的距離不同而發(fā)生變化，離蒸汽發(fā)生器越遠(yuǎn)的管道，管線(xiàn)內(nèi)蒸汽的過(guò)熱度越低，越容易產(chǎn)生凝液。采用各管線(xiàn)沿程熱損量失累計(jì)的方式表征蒸汽沿程過(guò)熱度的降低。各管線(xiàn)沿程累計(jì)的熱損失量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正常工況下各管線(xiàn)熱損失量表

其次，分析斷環(huán)工況。根據(jù)圖1，蒸汽發(fā)生裝置輸送蒸汽至L05管線(xiàn)，蒸汽經(jīng)由L05管線(xiàn)輸送至全網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)給全廠蒸汽用戶(hù)輸送蒸汽的目的。根據(jù)初步分析，當(dāng)C1或C2被切斷時(shí)，環(huán)狀管網(wǎng)被切成支狀管網(wǎng)且管網(wǎng)總長(zhǎng)達(dá)到最長(zhǎng)，意味著末端管段的管線(xiàn)熱量損失達(dá)到最大，最易產(chǎn)生蒸汽凝液。各管線(xiàn)最大熱量損失量及對(duì)應(yīng)工況見(jiàn)表4。

表4 各管線(xiàn)最大熱量損失量及對(duì)應(yīng)工況表

根據(jù)管線(xiàn)熱損失率計(jì)算公式，各管段流量F值越小，l值就越大，蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)生冷凝液的可能性就越大。基于保守考慮，需要計(jì)算各管線(xiàn)流量最小時(shí)的管線(xiàn)最大熱損失率。通過(guò)對(duì)斷環(huán)以及用戶(hù)間歇或連續(xù)操作的分析，得出各管線(xiàn)上的最小管線(xiàn)流量見(jiàn)圖1。

基于以上分析，分別計(jì)算兩種工況下的各管線(xiàn)熱損失率l，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 不斷環(huán)正常工況下各管線(xiàn)熱損失率

圖3 斷環(huán)工況下各管線(xiàn)最大熱損失率

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于低壓蒸汽的環(huán)狀管網(wǎng)，引入管線(xiàn)熱損失率l的概念來(lái)計(jì)算評(píng)估管線(xiàn)產(chǎn)生凝液的可能性的方法是可行的。l值越小，凝液產(chǎn)生的幾率就越小。在示例項(xiàng)目中，不斷環(huán)的正常工況下，不會(huì)有冷凝液產(chǎn)生。但考慮到事故工況，對(duì)斷環(huán)工況進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明有62.5%的管線(xiàn)有可能產(chǎn)生凝液。本評(píng)估方法對(duì)蒸汽管網(wǎng)是否設(shè)置凝液回收系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。