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文檔簡介

1、提高蒸汽管網效率,降低管損,節約能源杭州瓦特節能工程有限公司 技術服務中心蒸汽技術工程師 李少鵬鍋 爐 產 生 的 蒸 汽 必 須 通 過 管 網 輸 送 到 使 用 熱 量 的 用 汽 點。 通 常 從 鍋 爐 有 一 根 或 多 根 蒸 汽 主 管 向 用 汽 車 間 方 向 輸 送 蒸 汽, 然 后 通 過 小 口 徑 的 分 支 管 道 將 蒸 汽 送 給 各 個 用 汽 設 備。蒸 汽 源 到 使 用 點 的 蒸 汽 輸 送 過 程。 蒸 汽 源 可 以 是 鍋 爐 房 或 者 熱 電 聯 產 的 供 給。 鍋 爐 可 以 是 燃 煤、 油 和 天 然 氣 的 鍋 爐, 也 可 以

2、是 余 熱 鍋 爐 使 用 高 溫 過 程 產 生 的 廢 氣。 無 論 汽 源 如 何, 為 了 在 用 汽 點 得 到 高 品 質 的 蒸 汽 正 確 的 蒸 汽 量 和 壓 力, 高 效 的 蒸 汽 分 配 系 統 是 關 鍵 所 在。當 鍋 爐 的 冠 狀 閥 打 開( 緩 慢 打 開), 蒸 汽 立 即 從 鍋 爐 進 入 蒸 汽 主 管。 在 初 始 狀 態, 蒸 汽 管 道 是 冷 態 的, 因 此 熱 量 從 蒸 汽 傳 遞 給 管 道。 管 道 周 圍 的 空 氣 更 冷, 管 道 會 傳 熱 給 空 氣。 除 了 蒸 汽 加 熱 管 道 引 起 的 蒸 汽 冷 凝( 稱 為

3、“ 起 動 負 載”) 以 外, 管 道 傳 遞 給 空 氣 的 熱 量 使 蒸 汽 冷 凝 更 快( 稱 為“ 運 行 負 載”)。 這 樣 形 成 的 冷 凝 水 積 累 在 管 道 底 部, 被 蒸 汽 攜 帶 和 重 力 的 作 用( 通 常 蒸 汽 主 管 沿 蒸 汽 流 動 方 向 有 一 向 下 的 梯 度) 沿 蒸 汽 流 動 方 向 流 動。 當 用 汽 設 備 的 閥 門 打 開, 蒸 汽 從 分 配 系 統 進 入 用 汽 設 備 并 接 觸 冷 態 的 加 熱 面, 蒸 汽 釋 放 出 蒸 汽 焓 加 熱 設 備( 起 動 負 載), 并 連 續 不 斷 傳 遞 熱 量

4、 給 工 藝 制 程, 然 后 冷 凝 成 水。 現 在 有 一 連 續 的 蒸 汽 流 來 自 鍋 爐 以 滿 足 所 連 接 設 備 的 負 載 要 求, 為 了 維 持 該 蒸 汽 供 給, 鍋 爐 必 須 產 生 更 多 的 蒸 汽。 為 此, 更 多 的 燃 料 加 入 鍋 爐, 更 多 的 水 泵 入 鍋 爐 以 補 充 水 蒸 發 成 蒸 汽。 蒸汽產生、輸送、使用、冷凝水回收的一個典型循環選 擇 工 作 壓 力蒸 汽 分 配 系 統 是 汽 源 和 用 汽 設 備 之 間 的 重 要 連 接。 蒸 汽 分 配 系 統 必 須 在 最 小 散 熱 損 失 和 最 小 費 用 的

5、情 況 下, 提 供 正 確 的 流 率 和 正 確 的 壓 力。 我 們 必 須 時 刻 記 住, 在 工 藝 制 程 和 加 熱 應 用 中 使 用 的 是 干 飽 和 蒸 汽( 并 非 過 熱 蒸 汽)。 輸 送 蒸 汽 的 壓 力 取 決 于 用 汽 點 設 備 所 需 要 的 最 高 壓 力。 但 我 們 必 須 記 住, 由 于 蒸 汽 管 道 的 流 動 阻 力 和 散 熱 損 失 引 起 的 蒸 汽 冷 凝, 使 蒸 汽 在 通 過 輸 送 系 統 后 壓 力 有 所 下 降。 因 此 在 決 定 輸 送 壓 力 時 必 須 考 慮 一 定 的 余 量。總 之,在 選 擇 工

6、作 壓 力 時, 我 們 必 須 考 慮 以 下 幾 點: 用 汽 設 備 需 要 的 壓 力 沿 管 道 的 流 動 阻 力 引 起 的 壓 力 降( 摩 擦) 管 道 的 熱 損 失我 們 知 道, 高 壓 下 蒸 汽 比 容 較 小, 因 此 在 高 于 使 用 壓 力的 壓 力 下 輸 送 蒸 汽 時, 輸 送 同 樣 的 蒸 汽 量 需 要 的 管 道 口 徑 比 較 小。 高 壓 輸 送 蒸 汽高 壓 輸 送 蒸 汽, 則 需 要 在 各 用 汽 點 進 行 減 壓, 以 滿 足 實 際 應 用 過 程 的 壓 力 需 要。 瓦特節能認為高 壓 輸 送 蒸 汽 具 有 以 下 優

7、點:1. 更 小 的 蒸 汽 管 道。 管 道 表 面 積 小, 散 熱 損 失 少。 2. 蒸 汽 管 道 的 費 用 減 少, 包 括 管 道 材 料、 法 蘭、 支 撐 件 和 勞 力。 3. 管 道 的 絕 熱 費 用 減 少。4. 通 過 減 壓 在 使 用 點 可 以 獲 得 更 加 干 燥 的 蒸 汽。5. 鍋 爐 在 高 壓 下 運 行 時 更 接 近 其 最 佳 運 行 狀 況, 因 此 效 率 更 高。 鍋 爐 在 高 壓 下 運 行 時 的 蓄 熱 能 力 大, 有 助 于 處 理 系 統 負 載 的 波 動, 減 少 汽 水 共 沸 和 攜 帶 的 可 能 性。管 道

8、口 徑 選 型目 前 普 遍 存 在 的 問 題 是 根 據 所 連 接 的 設 備 接 口 管 徑 來 選 擇 輸 送 蒸 汽 的 管 道。 而 輸 送 的 壓 力 以 及 輸 送 的 蒸 汽 質 量 等 關 鍵 因 素 往 往 被 忽 略。 瓦特節能認為如 果 管 道 選 型 過 大, 則: 管 道 費 用 增 加 形 成 的 冷 凝 水 增 多 冷 凝 水 增 加, 引 起 蒸 汽 品 質 下 降、 傳 熱 效 率 降 低 更 多 的 熱 損 失例 如, 使 用 50mm 的 蒸 汽 管 道 能 輸 送 足 夠 的 蒸 汽, 如 使 用80mm 的 管 道, 則 費 用 會 增 加 44

9、%。80mm 絕 熱 管 的 熱 損 失 比 50 mm 絕 熱 管 的 損 失 多 21%。80mm 非 絕 熱 管 的 熱 損 失 比 50mm 非 絕 熱 管 的 熱 損 失 多 50。 瓦特節能經驗表明如 管 道 選 型 偏 小, 則: 高 的 蒸 汽 流 速 產 生 高 的 蒸 汽 壓 力 降, 到 達 用 汽 點 時 壓 力 不 足 用 汽 點 沒 有 足 夠 的 蒸 汽 量 蒸 汽 流 速 加 快, 容 易 產 生 沖 蝕 和 水 錘管 道 的 口 徑 選 擇 可 以 使 用 以 下 兩 種 方 法 中 的 任 一 種。: 流 速 法 壓 降 法 無 論 使 用 何 種 方 法

10、進 行 選 型, 應 該 用 另 一 種 方 法 進 行 校 核 以 確 定 不 超 出 限 制。 流 速 選 型 是 基 于 管 道 的 流 通 體 積 等 于 管 道 的 截 面 積 和 流 速 的 乘 積( 記 住 比 容 隨 壓 力 變 化 而 變 化)。如 果 知 道 了 蒸 汽 的 質 量 流 率 和 壓 力, 我 們 可 以 很 容 易 計 算 出 管 道 的 體 積 流 量 (m3/s)。 如 果 我 們 確 定 一 個 可 以 接 受 的 流 速 (m/s), 知 道 了 所 輸 送 的 蒸 汽 體 積, 則 可 以 計 算 所 需 的 流 通 截 面 積(管 徑)。 特 定

11、 流 速 下 的 管 道 流 量隨 以 下 因 素 的 增 加 而 增 加: 流 速 ( 原 因 如 前 頁 所 述) 壓 力。 壓 力 增 加, 比 容 減 小蒸 汽 管 道 流 量 圖 表 是 根 據 蒸 汽 流 速 選 擇 管 道 的 可 靠 方 法。25 40 m/s 之 間 的 流 速 適 用 于 短 的 分 支 管 道, 而 較 低 的 流 速, 如15 m/s 左 右 可 用 于 主 蒸 汽 管。管 道 厚 度 和 標 準 管 徑通 常 使 用 的 管 道 厚 度 是 基 于 美 國 石 油 研 究 所(API) 的 管 道 表 號,實 際 的 厚 度 參 考 表 號 確 定。

12、這 些 表 號 根 據 管 道 的 壓 力 等 級 分 為 11 個 系 列。 從 最 低 的 NO. 5 至10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 和 NO.160。 對 公 稱 口 徑 小 于 150 mm (6 英 寸) 的 管 道, 管 道 系 列 號 40 是 管 道 重 量 最 輕 的 表 號。 只 有 40 和 80 號 覆 蓋 了 從 15 mm (1/2 英 寸) 600 mm 的 所 有 公 稱 口 徑。 最 常 用 的 蒸 汽 管 道 表 號 是40, 次 之 是 管 表 號 80。 管 道 表 號 表 在 BS 1560 和 BS 1

13、600 中 可 以 查 詢。 管 壁 厚 可 以 根 據 以 下 公 式 計 算:其 中:t=內 部 壓 力 設 計 厚 度(mm)p=內 部 設 計 壓 力 bar,(105N/mm2)D=管 道 外 徑(mm)S=設 計 應 力 N/mm2,(MN/m2) 特 定 流 速 下 的 管 道 流 量最 常 用 的 材 料 為 低 碳 鋼 ( 等 級 620 ), 根 據 特 殊 需 要 可 以 使 用 其 它 的 等 級。 由 上 述 公 式, 為 了 計 算 管 道 厚 度, 需 要 知 道 材 料 的 設 計 應 力, 這 可 以 在 BS 806 中 找 到( 安 裝 和 連 接 至 鍋

14、 爐 的 鐵 素 體 管 道 的 設 計 和 結 構)。 應 力 隨 溫 度 的 變 化 很 大, 因 此 在 選 擇 設 計 應 力 時 溫 度 是 一 個 重 要 的 變 量。 應 力 在 管 道 的 兩 個 支 撐 點 之 間 也 會 積 聚。 如 果 安 裝 良 好, 則 該 應 力 可 以 忽 略, 但 考 慮 安 全 性 和 計 算 誤 差, 選 擇 較 小 的 設 計 應 力 更 好。 管 道 也 應 該 足 夠 的 厚 以 承 受 沖 擊 和 其 它 的 用 途 如 作 為 提 升 泵/ 設 備 等 的 連 接 點。 另 一 個 經 常 用 于 管 道 厚 度 的 術 語 是

15、藍 色 和 紅 色 帶。 詳 細 參 見 BS 1378 ( 鋼 管 和 其 它 用 于 BS21 管 螺 紋 標 準 的 管 材), 應 用 特 殊 的 管 道 等 級, 紅 色 帶 表 示 重 級, 藍 色 帶 表 示 中 級。 對 于 蒸 汽 管 道 應 用 紅 色 帶 是 最 常 見 的, 而 藍 色 帶 通 常 用 于 空 氣 分 配 管 道。 短 于 4m 的 管 道 只 有 一 個 顏 色 帶 標 記, 在 4m-7m 長 之 間 的 管 道 在 兩 端 附 近 都 有 一 顏 色 標 記。 標 記 帶 大 約 50 mm 寬。帶 標 記 的 管 道管 道 流 量 和 壓 力 降

16、我 們 需 要 考 慮 蒸 汽 管 道 內 的 壓 力 降。 使 用12 頁 上 的 管 道 口 徑 選 型 圖 可 以 得 到 更 詳 細 和 全 面 的 信 息。 下 面, 我 們 將 討 論 兩 個 實 例, 一 個 理 論 性 較 強,另 一 個 更 實 際 些,通 過 這 兩 個 實 例 我 們 可 以 對 管 道 口 徑 選 擇 有 較 好 的 理 解。 舉例 如 果 初 始 壓 力 為 7 bar。 壓 力 因 子 (P1) 可 以 從 管 道 選 型 圖 的 壓 力 因 子 表 查 得 為 56.38, 并 且 如 果 最 終 壓 力 為 6.4 bar, 壓 力 因 子 (P

17、2) 為 48.48。管 道 壓 力 降假 定 管 道 長 度 ( 包 括 彎 頭 和 接 頭) 為 263 米, 則:使 用 管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子, 我 們 找 到 左 邊 0.030 一 欄, 從 左 往 右 讀 取 數 值,65 mm 的 管 道 能 輸 送 919.4 kg (x) 的 蒸 汽, 此 時 速 度 因 子 (y) 為 80.64 m/s。速 度 因 子(y) 是 基 于 蒸 汽 的 比 容 為1 m3/kg, 因 此 可 以 方 便 地 轉 化 成 其 它 比 容 狀 態 下 實 際 的 蒸 汽 流 速:因 此 如 果 速 度 因 子 (y) = 80.

18、64 m/s, 蒸 汽 壓 力 為7 bar, 比 容 為 0.240 m3/kg (參 考 蒸 汽 表), 我 們 可 以 得 到 實 際 的 速 度 為: 管 道 口 徑 (mm)1520253240506580100125150175200225250300F0.020 x9.830.1663.75114.7189411760.112262697490479931201417163235383138450508Y20.5129.5536.0739.62146.4158.366.775.014904107.5122.3135.6147.3160.0172.0193.30.025 x10.9

19、933.4870.73127.3209.8459.7834.613672970542288171329619332263573475056581y23.032.840.0243.9751.3965.0373.283.71021191351501661791912170.030 x12.036.077.213823050191914803624588497921448120917285953796762522y25.136.043.747.656.370.980.690.6112129150164180195207239管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子 (部 分) 壓 力Bar g 比 容

20、m3/kg 壓 力 因 子6.00.27243.546.10.26944.766.20.26545.986.30.26147.236.40.25848.486.50.25549.766.60.25251.056.70.24952.366.80.24653.686.90.24355.027.00.24056.387.10.23757.757.20.23559.137.30.23260.547.40.22961.967.50.22763.397.60.22464.847.70.22266.317.80.21967.797.90.21769.298.021570.80壓 力 因 子 表舉例 讓 我

21、們 進 行 一 個 實 際 的 應 用, 利 用 壓 力 降 計 算 下 圖 中 的 主 蒸 汽 管 道 口 徑。 長 度從 鍋 爐 至 加 熱 組 的 長 度 已 知, 但 我 們 必 須 考 慮 連 接 件 的 摩 擦 阻 力, 通 常 稱 為 等 效 管 長 度, 例 如 將 一 個 球 形 閥 等 效 于 多 少 米 長 的 直 管 道。 如 果 已 知 管 道 的 尺 寸, 則 可 以 計 算 連 接 件 等 效 的 阻 力。 但 實 際 上 管 道 口 徑 不 知 道, 則 必 須 給 連 接 件 一 個 系 數。 簡 而 言 之,100 m 長 的 直 管 道, 可 以 考 慮

22、10% 的 連 接 件 等 效 長 度。同 樣 是 直 管 道, 如 果 長 度 較 短, 則 可 以 考 慮 更 多 的 連 接 件 等 效 長 度, 例 如 20%。在 本 實 例 中, 屬 于 第 一 類, 長195 m, 增 加10% (19 m) 的 等 效 長 度, 則 總 長 度 為 = 214 m。蒸 汽 流 率我 們 必 須 考 慮 一 定 的 余 量, 即 由 于 蒸 汽 主 管 的 輻 射 散 熱 引 起 的 損 失。 加 熱 組 的 蒸 汽 用 量 為 270 kg/h, 主 管 必 須 輸 送 這 些 質 量, 同 時 加 上 管 道 輻 射 損 失 引 起 的 蒸

23、汽 冷 凝 量。 因 為 蒸 汽 管 道 的 口 徑 尚 未 確 定, 因 此 無 法 精 確 計 算, 如 果 管 道 絕 熱, 則 假 定 每 30m 有1 的 輻 射 損 失。 在 本 例 中:則 鍋 爐 的 蒸 汽 流 率 = 270 + 7.1% = 289 kg/h根 據 壓 力 因 子 圖,7 bar 時 P1 = 56.386.6 bar時 P2 = 51.05并 且 等 效 長 度 L = 214 m因 此:根 據 管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子 表, 壓 力 降 因 子 F 為 0.025 時:40 mm 口 徑 的 管 道 容 量 為 209.8 kg/h50 m

24、m 口 徑 的 管 道 容 量 為 459.7 kg/h 因 此 管 道 必 須 選 擇 50 mm。 選 擇 蒸 汽 主 管 時, 如 果 剛 好 能 滿 足 額 定 的 容 量 要 求, 則 不 是 好 的 選 擇, 應 該 留 用 一 定 的 余 量, 以 補 償 設 計 誤 差 和 以 后 設 備 擴 容 的 需 要。 如 果 計 算 的 F 值 為 表 中 的 中 間 值, 雖 然 沒 有 完 全 的 線 性 關 系, 但 通 過 插 值 計 算 具 有 一 定 的 精 度。 表 中 顯 示 的 數 據 為 標 準 口 徑 的 容 量。 讓 我 們 再 進 行 速 度 校 驗。 我 們 已 經 說 明 圖 中 y 的 速 度 因 子 是 基 于 蒸 汽 比 容 為 1 m3/kg。對 于50 mm 的

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