環(huán)狀低壓蒸汽管網(wǎng)凝液產(chǎn)生的分析與研究

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)的蒸汽通常為過熱蒸汽，如果管道損失的熱量超過設(shè)計(jì)值，則會(huì)有部分過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]。為滿足節(jié)能減排的需要，同時(shí)，為避免蒸汽管線底部的凝結(jié)水引起水擊，必須對(duì)全廠管線的凝液進(jìn)行回收以避免管道內(nèi)凝結(jié)水的積存?；厥蘸蟮哪和ㄟ^專設(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)。

過熱蒸汽在輸送過程中隨著管道外側(cè)與周圍環(huán)境不斷散熱，沿管道長(zhǎng)度方向過熱蒸汽溫度逐漸降低。而過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熱蒸汽壓力下的飽和溫度。當(dāng)過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，由于過熱蒸汽沿管長(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)狀蒸汽管線是否會(huì)產(chǎn)生凝液。

1 計(jì)算方法

通過計(jì)算整個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)各管線的最大熱損失量和分析各管線中正常蒸汽流量以及最小蒸汽流量，引入管線熱損失率的概念來(lái)評(píng)估凝液產(chǎn)生的可能性。本文采用各管線沿程熱損失量累計(jì)的方式來(lái)表征蒸汽沿程過熱度的降低。管線熱損失率是管線的最大熱損失量與入口過熱蒸汽和飽和蒸汽之間的焓差的比值。若該比值小于1，說明管線內(nèi)蒸汽仍具有一定的過熱度，從而判斷出管線內(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 管線最大熱損失量的計(jì)算

每段管線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圍空氣的換熱系數(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)估低壓蒸汽的過熱度余量。

(3)

Q′=qXL

(4)

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

若計(jì)算所得熱損失率小于100%，說明該蒸汽管線的蒸汽在熱損失后仍處在過熱狀態(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)，可以通過關(guān)閉切斷閥切出故障段后，通過環(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)過程中，包括管線的定尺、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)工況下的各管線的熱損失率是必要的。

2 計(jì)算舉例

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

表1 低壓過熱蒸汽操作條件表

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)圖及管線號(hào)見圖1。蒸汽用戶分布在環(huán)形管網(wǎng)周圍。L01～L02是管線編號(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

各管線熱損失量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各管線熱損失量表

2.2 管線熱損失率的計(jì)算

首先，分析不斷環(huán)正常工況。此工況下各管線流量見圖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，管線內(nèi)蒸汽的過熱度越低，越容易產(chǎn)生凝液。采用各管線沿程熱損量失累計(jì)的方式表征蒸汽沿程過熱度的降低。各管線沿程累計(jì)的熱損失量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 正常工況下各管線熱損失量表

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，蒸汽經(jīng)由L05管線輸送至全網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)給全廠蒸汽用戶輸送蒸汽的目的。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熱量損失達(dá)到最大，最易產(chǎn)生蒸汽凝液。各管線最大熱量損失量及對(duì)應(yīng)工況見表4。

表4 各管線最大熱量損失量及對(duì)應(yīng)工況表

根據(jù)管線熱損失率計(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?；诒Ｊ乜紤]，需要計(jì)算各管線流量最小時(shí)的管線最大熱損失率。通過對(duì)斷環(huán)以及用戶間歇或連續(xù)操作的分析，得出各管線上的最小管線流量見圖1。

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

圖2 不斷環(huán)正常工況下各管線熱損失率

圖3 斷環(huán)工況下各管線最大熱損失率

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于低壓蒸汽的環(huán)狀管網(wǎng)，引入管線熱損失率l的概念來(lái)計(jì)算評(píng)估管線產(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。