基于蒸汽密度變化的長距離供熱蒸汽管道的優化設計探索

李廣儒

摘 要：隨著科學技術的發展，在生產中使用到加熱工藝的情況越來越多。部分加工車間為了滿足整條流水線的作業需求，將加熱蒸汽管道修建的很長，這樣一來，高溫蒸汽由于流速的提升，管道內的蒸汽密度就會降低，難以起到較好的加熱效果，不利于生產工作的順利進行。文章從石油化工企業的實際需求出發，探討了長距離供熱蒸汽管道的優化設計方案，充分考慮到了模型的散熱性、經濟性與實用性，并結合實例對長距離供熱蒸汽管道優化設計模型的可行性進行了深入分析，發現確實存在最佳的蒸汽流動速度，且速度值與蒸汽壓力值、密度值呈反比。希望能以此為石油化工企業節省資金、獲得最佳供熱效果提供必要的幫助與啟發。

關鍵詞：蒸汽密度變化；長距離供熱蒸汽管道；優化設計

提供加熱蒸汽是過程工業企業中蒸汽動力系統的主要任務，因此企業的蒸汽管道一般都比較長。在長距離供熱蒸汽管道的設計手冊中，公稱直徑在0.1米到0.2米之間的管道，其過熱蒸汽的流速一般在30米/秒到50米/秒范圍內。當蒸汽管道的公稱直徑超過0.2米時，過熱蒸汽的流速則在40米/秒到60米/秒范圍內。在實現長距離供熱蒸汽管道的優化設計時，加熱不僅會導致蒸汽管道散熱損失的增加，同時也可能導致蒸汽飽和溫度的下降。此外，如果蒸汽管道比較長，壓降與密度的變化量也會隨之增加，在優化時需要予以重視。

1 建立優化設計模型

長距離供熱蒸汽管道的優化設計首先需要建立以管道年度總花費為目標函數的模型，并以蒸汽的最佳流速以及保溫層厚度為基礎。模型一共可以分為四個組成部分，分別是摩擦壓降損失所造成的費用C？駐P、散熱時溫度的降低所造成的費用C？駐t、管道材料的年維修費用Ceq1以及管道保溫材料的年維修費用Ceq2。之所以使用、以上數據是因為他們都可以通過計算得到，因此目標函數變得更加簡潔。

如果實際的生產工藝是通過將工藝裝置中所產生的蒸汽送到汽輪機組用以發電，那么以上公式中的G就是定值，只需要對上式中的管道內經以及保溫層厚度進行優化即可；如果實際的生產工藝是將蒸汽送至工藝用的汽輪機中，那么驅動功率就是定值，汽輪機的發電功率Pt與蒸汽流量之間呈線性關系：Pt=At+Bt·G

上式中，At以及Bt均為已知系數。

2 該優化模型的實際應用效果分析

有一煉油廠，主要以余熱鍋爐來生產蒸汽并將其輸送到2千米遠的汽輪機中用來發電。

由于該煉油廠蒸汽輸送所使用的管道之間為非連續性變化，因此本次選定五種管徑進行計算，得到五種不同的工況，分別計算每種不同工況所需要的蒸汽流量G。優化過程中所取微元段內的蒸汽物性假設不發生變化，需要從起始段開始計算水蒸氣的物性參數，具體可以參照工業計算模型所提供的參數進行計算。得到水蒸氣的物性參數之后，計算所取微元段內的溫降以及壓降，以得到下一微元段的起始溫度和壓力，這樣重復計算直到最后一段。本次優化將蒸汽管不到共劃分為40個微元段，只需要較短的時間就可以初步確定最佳的保溫層厚度以及最佳管徑的范圍，然后通過增加微元段數量的方式逐漸縮小范圍。利用該方法得到確切的最佳保溫層厚度以及最佳管徑之后再進行優化，結果不會發生變化。

3 結束語

通過對長距離供熱蒸汽管道的優化設計模型進行進一步探討分析可知，蒸汽管道的直徑大小與低壓蒸汽在通過管道時的流速具有直接關聯。若管道直徑過小，則蒸汽流速減緩；若蒸汽管道的公稱直徑處于10cm-20cm之間時，過熱蒸汽的流動速度可以提升到20m/s左右；當蒸汽管道的公稱直徑超過20cm時，過熱蒸汽的流動速度甚至可以達到35m/s。技術人員在參與設計時，要充分考慮到管道內蒸汽密度的變化情況與生產裝置的彈性值，從實際出發，對設計方案提出建設性意見，發現不足之處后應該及時做出調整，以獲得最佳設計模型，最大程度上滿足生產過程中的供熱需求，將其進一步推廣使用。

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