蒸汽管道工程若干設計問題探討

李鵬圣

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

“2030 年碳達峰”和“2060 年碳中和”，是黨中央作出的一項重大決策。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)象的針對措施，是設計、施工、運營環(huán)節(jié)的重中之重。

1 設計參數(shù)的選取

1.1 壓力管道參數(shù)選擇

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

當劃分為GB2 類管道時，主要遵循標準為《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34 和《壓力管道規(guī)范公用管道》GB/T38942。當劃分為GC 類管道時，主要遵循的標準為：《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T20801.1～5。民用單體建筑內(nèi)部的蒸汽管道還應符合《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB50736 的相關要求。

1.2 蒸汽管道的設計壓力/溫度的選擇

蒸汽管道一旦確認為GB2 類或GC 類時，應當按照相應規(guī)范進行確認計算。應當注意的是：直埋蒸汽管道采用“鋼套鋼”管道，其中外護鋼管設計壓力為0.2 MPa，設計溫度應取95 ℃，且為壓力管道，應當按照相應標準進行監(jiān)督管理。電廠出圍墻處的接口的最高工作壓力由電廠進行確認，并根據(jù)《壓力管道規(guī)范動力管道》GB/T32270 進行設計壓力的選擇，或可按照電廠內(nèi)管道的設計壓力取相同數(shù)值。蒸汽鍋爐房出口蒸汽為過熱蒸汽時，應當考慮鍋爐正常那個工作時的工作偏差，鍋爐制造商未提供時，應當取+5 ℃[2-3]。

2 設計工況及目標的明確

對于蒸汽管道而言有很多不同存在的工況：管道建設完成后，水壓試驗工況；管道按照部分負荷運行；管道按照設計負荷運行；管道支線處于關斷狀態(tài)；管道停止運行后的冷卻狀態(tài)。針對不同工況分析闡述主要設計方法或設計參數(shù)的影響及需要考慮的問題。

2.1 設計跨距

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

表1 某蒸汽管道跨距計算結果

根據(jù)以上計算可以看出，并不是設計工況的條件是最嚴苛的要求。因此需要分別計算，保障管道在任意時刻的安全可靠。

2.2 設計溫度降

隨著長距離蒸汽管道的工程建設，某些工程中，建設單位主要對單位長度溫度降有技術性要求。但往往由于給定的條件模糊不清，造成設計人員的困擾。下面就B 工況和C 工況進行實例計算，如下頁表2 所示。

管道長度L=10 km，架空敷設，室外環(huán)境溫度取-5 ℃，平均風速1 m/s，設計流量120 m/h，其余參數(shù)同上例。使用AFT Arrow軟件進行計算（不考慮局部熱橋效應的理論計算）。

通過表2 可以看出：部分負荷工況下，溫度降明顯高于100%負荷的溫度降。在此類蒸汽管道設計時，必須要明確設計工況，否則每公里溫度降的數(shù)值計算將沒有可對比性。因此最好建議在以每公里溫度降為控制參數(shù)的絕熱計算過程中，應當按照常用負荷工況比率考慮。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，建議按照70%負荷工況校核計算每公里溫度降，達到能量節(jié)約和工程投資相匹配的結果。

表2 100%負荷和50%負荷計算結果

2.3 設計位移

蒸汽管道在運行過程中存在著支線閥門，若支線閥門處于關斷狀態(tài)，則和主線不能同步發(fā)生熱位移。在閥門正產(chǎn)開啟的工況下，T 與E1 產(chǎn)生同步熱位移。當閥門關閉時，E1 與E2 之間處于常溫狀態(tài)，T 處產(chǎn)生水平熱位移。應當注意的是，在平面布置時，此類問題并不算很嚴重。當管道豎直布置時，支線處的位移無法與主線同步產(chǎn)生熱位移，會導致支架脫空，破壞管系受力。因此在支線設計時，應當采用應力分析軟件，分工況建立模型，計算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 汽水換熱與疏水設計

3.1 汽水換熱器選型計算

若蒸汽為飽和蒸汽，進入換熱器后會變?yōu)槟Y水。過熱蒸汽進入換熱器亦會變?yōu)槟Y水，但過熱蒸汽所經(jīng)歷的過程如下：過熱蒸汽→等壓飽和蒸汽→飽和水→疏水閥。明確以上過程后，在對換熱器進行選型計算時應當注意下列內(nèi)容：

1）飽和蒸汽換熱器選型時，平均對數(shù)溫差的計算：蒸汽側進口飽和溫度和凝結水出口溫度相同；

2）過熱蒸汽換熱器選型時，平均對數(shù)溫差的計算：蒸汽進口側的溫度取蒸汽入口溫度，凝結水出口溫度為其對應壓力下的飽和溫度。

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，然而一些廠家在進行設計時采用兩段換熱直接連接。此系統(tǒng)隨著負荷的調(diào)節(jié)能力不足，冷側流體溫度控制穩(wěn)定度不高，蒸汽凝結水出口溫度不穩(wěn)定。具體原因如下：

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

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

如圖1 所示：一段換熱后設置疏水閥，進行汽水分離，凝結水進入二段換熱器實現(xiàn)其顯熱的換熱。

3.3 疏水閥的選型

3.3.1 疏水閥的分類

不同類型疏水閥其排放方式有不同。不同類型疏水閥應當根據(jù)廠家技術手冊或《蒸汽凝結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

應當根據(jù)產(chǎn)品樣冊明確疏水閥的工作范圍，見圖2。

在排量選型時，應當根據(jù)管路布置，確定疏水閥進出口的壓差，然后根據(jù)產(chǎn)品樣冊對應的排量曲線（如圖3 所示）進行選型。

4 結論

本文僅針對GB2 類蒸汽管道做了詳細論述，GC類蒸汽管道其設計體系與GB2 類截然不同，管道壁厚、管道跨距等計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，蒸汽管道的分類劃分非常之關鍵。