淺談蒸汽凝結水管徑計算

曲舵 馬銀紅

摘要：本文根據蒸汽凝結水管道中流體流動的不同狀態，將工程中凝結水回收系統的管路分為不同的階段，結合其常見的工程算法，分別對不同類型的蒸汽凝結水管道，介紹了不同的管徑確定方法，并總結和提出了在設計及計算過程中需要注意的一些常見問題。

關鍵詞：蒸汽凝結水 管徑 計算

引言

蒸汽作為集中供熱系統的熱媒 ,可以同時解決采暖、洗浴、醫院、工業等不同用戶的用熱問題，應用極為普遍[1]。蒸汽在供熱系統內流動過程中由于傳熱、壓降發生相態變化，變成凝結水[2]。

在現有的工業、民用甚至市政項目中，蒸汽在用汽設備中被使用的實際上僅僅是其潛熱，蒸汽的顯熱—蒸汽凝結水所具有的熱量價值及未被污染的蒸汽凝結水本身所具有的潔凈軟水的價值被全部排入下水道，導致環境熱污染和能源浪費。

在蒸汽作為熱媒被利用的過程中，未被污染的蒸汽凝結水可以直接作為鍋爐給水。一般來說，飽和凝結水平均含有蒸汽熱能的20%～50%左右[3、4]，如不回收，不但損失熱能，也將增加鍋爐給水處理費用，增加鍋爐排污量及由此帶走的熱損失。因此，蒸汽凝結水回收系統的設計無疑將帶來可觀的經濟效益、環境效益及社會效益。而在蒸汽凝結水回收系統的設計過程中，蒸汽凝結水管道的管徑計算是其中一個必要又有難度的環節。

一、常用管徑確定方法

蒸汽凝結水通常情況下為汽水混合物，其管徑計算方法比較復雜，詳細而精確的算法并不適合工程設計。因此，在工程設計時，設計人員通常采取將蒸汽凝結水管道的水力計算條件作出不同的簡化，進而衍生出不同的確定凝結水管徑的方法。

其一是根據多年的工作經驗，采取將凝結水管徑確定為比相應的蒸汽管道管徑小1~2號；或者將蒸汽凝結水管道視為純高溫熱水，忽略其含汽部分，近而采用計算高溫熱水管徑的方法來計算凝結水管道；還有將查表與水力計算相結合的方法，這種方法在相關書籍中有一定的介紹，但有些介紹并不完善，這種方法在本文第三部分余壓凝結水管徑計算方法的介紹中將加以完善。

二、 管徑分類計算方法

其實，上文介紹的這幾種蒸汽凝結水管徑確定方法都有失片面。準確來講，不同類型的凝結水管道，有不同的管徑確定方法。下面根據蒸汽凝結水管道中流體流動的狀態分類來分別介紹其管徑確定方法。

理論上來講，蒸汽凝結水管道中流體的流動狀況常表現為滿管流動、非滿管流動及兩相滿管流動三種情況[5]。

1.滿管流動是指單相的純凝結水的滿管流動，其流動規律與流動狀態與熱水管道基本一致，可視為熱水管道。滿管流動的凝結水管道管徑計算方法按照熱水管道的管徑計算公式或查熱水管道管徑選擇圖表即可。

熱水管道管徑計算公式如下：

其中，qm為工作狀態下的質量流量，w為工作狀態下的流速，ρ為工作狀態下的密度。

據此，選取合適的流速，即可算出滿管流動凝結水管道的管徑。

工程設計當中，此種類型的凝結水管道常位于凝結水回收裝置之后，如廠區的凝結水管道。其管徑計算可按熱水管道管徑計算方法確定，只是凝結水管道由于加壓后飽和水成分部分汽化，仍為汽水混合物，又凝結水輸送通常非連續進行，故應適當考慮凝結水回收的最大流量，如設蒸汽流量為10t/h，凝結水最大流量可考慮增大50%，即15t/h。此種估算方法非絕對，僅為經驗值。當管道壓力高時，可適當放大壓損，取較小管徑；當管道壓力低時，應減小壓損，取較大管徑。

另，站房內部凝結水回收裝置最大處理水量也應取凝結水量的1.5倍。

2.非滿管流動是指凝結水管道中的流體由汽水兩相組成，汽與水分層，或汽與水分段兩相非滿管流動。整個管道的橫斷面，不完全充滿水或不完全充滿均勻分布的汽水混合物。非滿管流動的凝結水管道流體流動狀況極為復雜。

工程設計當中，此類凝結水管道常位于汽水換熱設備與疏水裝置之間。在工程設計當中，多數情況下此段凝結水管道只需概略計算即可，故選取管徑常常查相關圖表確定。

3.兩相滿管流動是指凝結水管道中的流體是乳狀的汽水混合物，滿管兩相流動。其流動規律可認為與熱水管道相似，但管內流體的密度其實是汽水混合物的密度。此種凝結水管道亦稱余壓凝結水管道。

工程設計當中，此種凝結水管道常位于疏水裝置之后，凝結水加壓裝置之前。計算方法簡述如下：

1.1根據凝結水管道介質流向，確定凝結水起始點壓力p1，假定凝結水管道終點壓力p2；

1.2由 得出起點和終點的壓差 ，由此壓差查汽水混合物平均密度 ；

1.3根據凝結水流量qm查余壓凝結水管道計算圖，根據壓力損失R及流速w取適當的管徑DN；

1.4再經密度修正： ， ；

1.5最后，也是最關鍵的一步，即根據密度修正后的壓力損失，即實際壓力損失，計算終點的實際壓力P2，若P2≈P2,則說明此管徑可取，否則，須重新假定凝結水管道終點壓力，重新按照上述步驟計算，如此反復，直到得出使假定終點壓力與實際終點壓力大致相等的管徑方可。

上述計算步驟中，最后一步校驗尤為重要，不可省略。

三、 小結

工程設計當中，有些時候并不過度精確要求蒸汽凝結水的管徑計算，所以很多情況下并不會詳細的計算各種流動狀態下的凝結水管道的管徑，而是將整個凝結水系統都簡化視為汽水混合物滿管流動或高溫熱水管道滿管流動，這需要視具體情況而定。但無疑凝結水管道管徑確定不可過大也不可過小，管徑過大則增大了散熱面積，造成不必要的熱量損失，同時造成管材的浪費，成本的提高；管徑過小無疑會增加系統阻力，造成不必要的壓力損失，甚至致使凝結水回收困難。因此，合理分析，配合計算，確定合適的凝結水管徑，對于做好蒸汽凝結水回收系統設計非常重要。

參考文獻：

[1] 高魯鋒，蒸汽供熱管網凝結水損失的影響因素及其分析[J].能源工程，2008（1）：50-54.

[2] SU S P, CUNDYV A. Heat loss in insulated pipe-the influence of thermal contact resistance: a case study [J]. Composites PartB: Engineering, 1996,27(1):85 - 93.

[3] 徐榮軍，煉油廠凝結水回收技術，河南化工，2003，32（7）：32~33

[4] 蔡文海，蒸汽凝結水回收技術的幾個問題，能源與環境，2005，23（2）：34~35

[5] 實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008:639-644.