蒸汽長輸管道設計的難點及建議

郭瑞

摘 要：本文主要從蒸汽長輸管道散熱量數值的確定和疏水器的選型出發，提出了蒸汽管道高程增加時宜采用 “臺階式”而高程減少時宜保持一定坡度連續減少的建議。同時也對比了國內和國外知名設計院蒸汽管道支架設置不同，可為類似蒸汽長輸管線項目提供參照。

關鍵詞：蒸汽長輸管道；設計難點；建議

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.094

近年來受國內環保、節能、減排等政策的影響，供熱熱源呈現大型化、集中化的趨勢。在這個趨勢下，連接熱源和熱用戶的蒸汽長輸管線項目也逐漸增多。和普通管線相比，蒸汽長輸管線的設計存在著散熱量控制及疏水；管道具體路徑的確定；管道熱膨脹及管支架設置等問題。妥善的解決這些問題，才能使蒸汽長輸管線運行安全、造價低、效益高。本文對散熱量控制及疏水器選型、蒸汽管線具體路徑的確定進行了分析并提出了自己的見解；在管道支架設置方面對比了國外設計院的設置方法和國內的常規做法；可為以后蒸汽長輸管道的設計提供借鑒。

1 散熱量控制及疏水器選型

蒸汽管道散熱量和工作溫度、環境溫度、保溫厚度及保溫材料導熱系數等有關。管道工作溫度和環境溫度差值越大，保溫厚度越小，保溫材料導熱系數越大；管道散熱量就越大。管道工作溫度受蒸汽用戶用汽工況限制，在設計蒸汽長輸管線時已經明確且無法改變。為達到較小的管道散熱量，就需要減小保溫材料導熱系數及增加保溫厚度。保溫材料選定后，導熱系數也是既定數值。而增加保溫厚度則會增加管道保溫成本。把管道散熱量、保溫成本控制在合理的范圍就變得十分困難。

圖集98R418還給出室外安裝管道不同工作溫度下管道外表面的散熱量；如下：

設計人員可依照給出的數值參照選用。圖集98R418給出環境溫度：冬季運行工況室外安裝，環境溫度取-14.2℃（內蒙海拉爾冬季平均溫度），全年運行工況室外安裝，環境溫度取-4.1℃（青海瑪多全年平均溫度）。在選定管道外表面散熱量和環境溫度后，可根據圖集98R418給出了公式計算保溫層厚度[1]，如下：

其中：

Di：管道外徑，m；

δt：管道保溫層厚度，m；

T0：管道工作溫度，即管道介質溫度，℃；

Ta：環境溫度，℃；

[Q]：管道外表面散熱量，W/m2；

k：管道外表面散熱量系數；

αs ：保溫層外表面放熱系數，對室外安裝管道，取23.26W/（m2·℃）；

當確定好管道散熱量和保溫層厚度之后，設計人員可根據下式估算管段某一長度的疏水量：

其中：

L：管段長度，m；

hs：蒸汽焓值；

hw：相應壓力下飽和水的焓值；

n：安全系數，>1。

安全系數的選取帶有很大的經驗性；需考慮蒸汽本身是否帶水，管段上閥門、管托等的影響；通常建議取n=2～3。疏水器應設置在管段上升段的起始點（低點）。對于水平敷設或持續傾斜敷設的管道可按照一定間距設置。疏水器常設置在固定支架附近。間距的選取也帶有很大經驗性，建議取60～100m。

2 蒸汽管線具體路徑的確定

在考慮蒸汽具體路徑時，蒸汽管道的終點已經明確。蒸汽管線路徑的選取需考慮所經過場地的地形地貌，管道宜平行于建筑物或道路；盡可能的減少穿越公路、鐵路、河谷。當的確需要穿越時，蒸汽管線需以一個較大的角度穿過。

蒸汽管線具體路徑及高程的確定需考慮疏水的方便。蒸汽管道水平布置時，按照選取的間距設置疏水器即可。對于高程增加的蒸汽管線，為了疏水方便減少水錘；宜采用臺階式逐步達到所需高程。臺階下部管道低點需設置疏水器。對于高程減小的蒸汽管線；宜采用連續坡度緩慢降低管道高程，不宜采用臺階式迅速降低高程。在保持連續坡度的管段，可按選取的間距設置疏水器。

3 管道熱膨脹及管支架設置

和其它管道相比，蒸汽管道還有熱膨脹問題。在處理蒸汽管道熱膨脹問題之前，需用固定支架將蒸汽管道“分段”。固定支架設置和蒸汽管道“分段”需盡可能利用管道走向自然形成的“L”型和“Z”型來形成自然補償。除“L”型段和“Z”型段外，蒸汽管道應盡可能使用方形型補償器；方形型補償器需盡可能的水平設置或和蒸汽管道保持相同坡度設置，盡量不要采用向上或向下的臺階式設置。在條件不允許的情況下，才考慮設置套筒補償器、波紋補償器和球形補償器等。因為方形型補償器由彎頭組成，有著和直管段相近的強度，不容易泄露。而其它類型補償器往往強度不夠，容易發生泄露。

國內通常在離方形補償器兩端約40倍公稱直徑處設置導向支架[2]，在兩端設置2～3個導向支架后便設置無任何管道徑向位移限制的滑動支架。而一國際知名設計院則建議在方形補償器外盡可能短的位置上設置導向支架，以減少作用在導向支架上的力矩。整個管段長度上除固定支架外其它所有支架均設置帶有對管道徑向位移限制的導向支架。各限位所預留的間隙根據距固定支架距離的長短、熱位移方向預估并園整至特定的幾個數值，如10mm、30mm、50mm、70mm等；左右限位預留間隙也可以不相同。這樣既可以不限制管道由于溫度升高而引起的熱位移，同時也可以消除管道的風荷載、地震荷載、管道振動等可以造成管道徑向位移。對于利用自然補償的Z型或L型補償器，該設計院建議在長臂靠近彎頭處設置支架，以減小力矩；長臂靠近彎頭處的支架限位間隙大一些，向固定支架靠近時支架限位間隙逐漸減小。

4 結束語

把長輸蒸汽管道散熱量和保溫成本都控制在一個合理的范圍十分難以平衡的問題，設計人員可以參照相關圖集并結合自己的經驗、業主對保溫成本的控制做出相應的決定。確定管道散熱量后便可確定蒸汽管道疏水量，進行疏水器選型。管道具體路徑需結合現有的地形地貌、建筑物分布及現有道路來決定。當管道具體路徑大致確定之后，便可進行管道支架和補償器設置。當補償器設置困難而現場條件允許時，也可具體調整管道路徑；使補償器設置方便。

參考文獻：

[1]黃輝，王為等.管道及設備保溫[M].北京：中國建筑標準設計研究所，2002：2-40.

[2]《動力管道設計手冊》編寫組.動力管道設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006：446.