李鵬圣

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

“2030 年碳達(dá)峰”和“2060 年碳中和”，是黨中央作出的一項(xiàng)重大決策。在此背景下，熱電廠所產(chǎn)生的蒸汽的利用顯得尤為重要。蒸汽管道的“跑冒滴漏”現(xiàn)象的針對(duì)措施，是設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)的重中之重。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

1.1 壓力管道參數(shù)選擇

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范可以知道，城鎮(zhèn)范圍內(nèi)蒸汽管道參數(shù)為：介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度小于或等于350 ℃。高于此溫度范圍內(nèi)的管道應(yīng)劃分為GC 類(lèi)管道。但仍需注意：工業(yè)用戶(hù)范圍內(nèi)部（以廠界劃分），管道屬于GC 類(lèi)管道。但末端為汽水換熱站等形式的熱力站時(shí)，應(yīng)仍舊按照GB2 類(lèi)管道進(jìn)行劃分。市政供蒸汽管道接入單體民用建筑時(shí)，應(yīng)當(dāng)以建筑入口進(jìn)行劃分。單體民用建筑內(nèi)部蒸汽管道應(yīng)劃分為GB2 類(lèi)[1]。

當(dāng)劃分為GB2 類(lèi)管道時(shí)，主要遵循標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ34 和《壓力管道規(guī)范公用管道》GB/T38942。當(dāng)劃分為GC 類(lèi)管道時(shí)，主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)為：《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T20801.1～5。民用單體建筑內(nèi)部的蒸汽管道還應(yīng)符合《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736 的相關(guān)要求。

1.2 蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力/溫度的選擇

蒸汽管道一旦確認(rèn)為GB2 類(lèi)或GC 類(lèi)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行確認(rèn)計(jì)算。應(yīng)當(dāng)注意的是：直埋蒸汽管道采用“鋼套鋼”管道，其中外護(hù)鋼管設(shè)計(jì)壓力為0.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取95 ℃，且為壓力管道，應(yīng)當(dāng)按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)督管理。電廠出圍墻處的接口的最高工作壓力由電廠進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)《壓力管道規(guī)范動(dòng)力管道》GB/T32270 進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力的選擇，或可按照電廠內(nèi)管道的設(shè)計(jì)壓力取相同數(shù)值。蒸汽鍋爐房出口蒸汽為過(guò)熱蒸汽時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮鍋爐正常那個(gè)工作時(shí)的工作偏差，鍋爐制造商未提供時(shí)，應(yīng)當(dāng)取+5 ℃[2-3]。

2 設(shè)計(jì)工況及目標(biāo)的明確

對(duì)于蒸汽管道而言有很多不同存在的工況：管道建設(shè)完成后，水壓試驗(yàn)工況；管道按照部分負(fù)荷運(yùn)行；管道按照設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行；管道支線處于關(guān)斷狀態(tài)；管道停止運(yùn)行后的冷卻狀態(tài)。針對(duì)不同工況分析闡述主要設(shè)計(jì)方法或設(shè)計(jì)參數(shù)的影響及需要考慮的問(wèn)題。

2.1 設(shè)計(jì)跨距

管道跨距的計(jì)算分為：強(qiáng)度條件和剛度條件。雖然GC 類(lèi)管道和GB2 類(lèi)管道的跨距計(jì)算公式不盡相同，但其從其選擇的參數(shù)可以知道：A 工況單位管長(zhǎng)重量最大，材料許用應(yīng)力大。E 工況與A 工況跨距的計(jì)算結(jié)果相同。C 工況單位管長(zhǎng)重量最小，材料許用應(yīng)力最小。所以對(duì)于某一蒸汽管道，應(yīng)該分別計(jì)算A工況和C 工況的跨距，分別校核，取最小的跨距計(jì)算結(jié)果，如表1 所示。

表1 某蒸汽管道跨距計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算可以看出，并不是設(shè)計(jì)工況的條件是最嚴(yán)苛的要求。因此需要分別計(jì)算，保障管道在任意時(shí)刻的安全可靠。

2.2 設(shè)計(jì)溫度降

隨著長(zhǎng)距離蒸汽管道的工程建設(shè)，某些工程中，建設(shè)單位主要對(duì)單位長(zhǎng)度溫度降有技術(shù)性要求。但往往由于給定的條件模糊不清，造成設(shè)計(jì)人員的困擾。下面就B 工況和C 工況進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，如下頁(yè)表2 所示。

管道長(zhǎng)度L=10 km，架空敷設(shè)，室外環(huán)境溫度取-5 ℃，平均風(fēng)速1 m/s，設(shè)計(jì)流量120 m/h，其余參數(shù)同上例。使用AFT Arrow軟件進(jìn)行計(jì)算（不考慮局部熱橋效應(yīng)的理論計(jì)算）。

通過(guò)表2 可以看出：部分負(fù)荷工況下，溫度降明顯高于100%負(fù)荷的溫度降。在此類(lèi)蒸汽管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須要明確設(shè)計(jì)工況，否則每公里溫度降的數(shù)值計(jì)算將沒(méi)有可對(duì)比性。因此最好建議在以每公里溫度降為控制參數(shù)的絕熱計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)按照常用負(fù)荷工況比率考慮。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，建議按照70%負(fù)荷工況校核計(jì)算每公里溫度降，達(dá)到能量節(jié)約和工程投資相匹配的結(jié)果。

表2 100%負(fù)荷和50%負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.3 設(shè)計(jì)位移

蒸汽管道在運(yùn)行過(guò)程中存在著支線閥門(mén)，若支線閥門(mén)處于關(guān)斷狀態(tài)，則和主線不能同步發(fā)生熱位移。在閥門(mén)正產(chǎn)開(kāi)啟的工況下，T 與E1 產(chǎn)生同步熱位移。當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，E1 與E2 之間處于常溫狀態(tài)，T 處產(chǎn)生水平熱位移。應(yīng)當(dāng)注意的是，在平面布置時(shí)，此類(lèi)問(wèn)題并不算很?chē)?yán)重。當(dāng)管道豎直布置時(shí)，支線處的位移無(wú)法與主線同步產(chǎn)生熱位移，會(huì)導(dǎo)致支架脫空，破壞管系受力。因此在支線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用應(yīng)力分析軟件，分工況建立模型，計(jì)算E1 及E2 處產(chǎn)生的熱位移，從而選擇合適的管托，防止管道脫空。

3 汽水換熱與疏水設(shè)計(jì)

3.1 汽水換熱器選型計(jì)算

若蒸汽為飽和蒸汽，進(jìn)入換熱器后會(huì)變?yōu)槟Y(jié)水。過(guò)熱蒸汽進(jìn)入換熱器亦會(huì)變?yōu)槟Y(jié)水，但過(guò)熱蒸汽所經(jīng)歷的過(guò)程如下：過(guò)熱蒸汽→等壓飽和蒸汽→飽和水→疏水閥。明確以上過(guò)程后，在對(duì)換熱器進(jìn)行選型計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)注意下列內(nèi)容：

1）飽和蒸汽換熱器選型時(shí)，平均對(duì)數(shù)溫差的計(jì)算：蒸汽側(cè)進(jìn)口飽和溫度和凝結(jié)水出口溫度相同；

2）過(guò)熱蒸汽換熱器選型時(shí)，平均對(duì)數(shù)溫差的計(jì)算：蒸汽進(jìn)口側(cè)的溫度取蒸汽入口溫度，凝結(jié)水出口溫度為其對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度。

3.2 汽水換熱流程

汽水換熱采用2 段換熱，汽水換熱+水水換熱，然而一些廠家在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用兩段換熱直接連接。此系統(tǒng)隨著負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力不足，冷側(cè)流體溫度控制穩(wěn)定度不高，蒸汽凝結(jié)水出口溫度不穩(wěn)定。具體原因如下：

1）當(dāng)冷側(cè)流體負(fù)荷由大突然變小后，一段換熱器，蒸汽出口有可能仍然是過(guò)熱狀態(tài)，換熱位差加大，一段蒸汽入口控制閥“來(lái)不及”調(diào)節(jié)，指示冷側(cè)流體溫度增加。

2）一段換熱器出口蒸汽溫度若為過(guò)熱狀態(tài)，那么在二段換熱階段出口為飽和溫度狀態(tài)。此時(shí)無(wú)法達(dá)到充分利用凝結(jié)水顯熱的目的，造成蒸汽浪費(fèi)。

如圖1 所示：一段換熱后設(shè)置疏水閥，進(jìn)行汽水分離，凝結(jié)水進(jìn)入二段換熱器實(shí)現(xiàn)其顯熱的換熱。

3.3 疏水閥的選型

3.3.1 疏水閥的分類(lèi)

不同類(lèi)型疏水閥其排放方式有不同。不同類(lèi)型疏水閥應(yīng)當(dāng)根據(jù)廠家技術(shù)手冊(cè)或《蒸汽凝結(jié)水回收及疏水裝置的選用與安裝》05R407 規(guī)定執(zhí)行。

3.3.2 疏水閥選型的注意事項(xiàng)

應(yīng)當(dāng)根據(jù)產(chǎn)品樣冊(cè)明確疏水閥的工作范圍，見(jiàn)圖2。

在排量選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)管路布置，確定疏水閥進(jìn)出口的壓差，然后根據(jù)產(chǎn)品樣冊(cè)對(duì)應(yīng)的排量曲線（如圖3 所示）進(jìn)行選型。

4 結(jié)論

本文僅針對(duì)GB2 類(lèi)蒸汽管道做了詳細(xì)論述，GC類(lèi)蒸汽管道其設(shè)計(jì)體系與GB2 類(lèi)截然不同，管道壁厚、管道跨距等計(jì)算公式均有較大差異，其中部分公式內(nèi)系數(shù)的取值也不盡相同，因此，蒸汽管道的分類(lèi)劃分非常之關(guān)鍵。