淺談蒸汽管網的設計

裴玉慶，朱 浩，曹紅忠，賀建剛，樊 旭

(山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

引 言

隨著時代的進步與發展,人們逐漸認識到大氣污染防治的有效與否會直接影響到人類的可持續發展。我國大氣污染的整體形勢依然嚴峻，特別是京津冀及周邊地區進入秋、冬季以來頻繁出現重污染天氣，持續給社會、經濟與環境的的協調發展造成突出矛盾。根據國家環保部出臺的環大氣[2017]110號文件《京津冀及周邊地區2017年-2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，上述地區需要對燃煤鍋爐、茶水爐、經營性小煤爐以及煤氣發生爐進行全面排查，并開展集中整治、不留盲區。與此同時，進一步擴大燃煤小鍋爐淘汰范圍。僅2017年，全國需全部“清零”4.4萬臺燃煤鍋爐，其中包含山西省969臺。所有關停的燃煤鍋爐必須拆除煙囪或物理切斷煙道，確保其不可復產。山西省作為能源生產與消耗大省，明確表示在2017年10月底前，在城區淘汰20 t及以下、縣城淘汰10 t及以下燃煤鍋爐。淘汰方式可多樣化，如取締關閉、煤改氣、煤改電，進行集中供熱替代，或改用地熱、風能、太陽能以及配備布袋除塵器的生物質能等。

為了積極響應國家環保政策，同時不影響企業用汽需求，金沙灘生物醫藥園區決定全面關停區域內眾多企業的小型燃煤鍋爐，并配套建設蒸汽管網系統，此舉將對園區內各企業的生產發展產生積極作用。

本設計擬在金沙灘生物醫藥園區內建設蒸汽管網系統，線路從園區內的熱力公司途經玉龍北門穿傅山街、諾成至華元北部，共有5家用汽企業。

1 各企業用汽情況

根據園區提供數據，各企業蒸汽用量為82.225 t/h(各用汽單位年基準時間按8 000 h計)，詳見表1。

表1 各企業用汽匯總表

2 蒸汽規格

本工程所用蒸汽操作壓力為0.981 MPa，操作溫度為230 ℃，密度為4.882 3 kg/m3，比容為0.204 82 m3/kg，為過熱蒸汽。

蒸汽管道設計壓力為1.161 MPa，設計溫度為250 ℃。

3 蒸汽輸送方案

3.1 管道走向

本工程蒸汽管道從玉龍飛熱力有限公司接出，向北穿過馬路，沿著玉龍化工廠區圍墻向北敷設，穿過傅山街后進入山西諾成制藥有限公司廠區，在廠區東部繼續向北敷設，在諾成廠區北面跨越一條馬路之后進入山西華元醫藥生物技術有限公司，管道沿著東圍墻向北敷設至鍋爐房附近。

蒸汽管道總長度約2 600 m，其中，1 110 m為直徑DN600的利舊管道，其余為新增管道，新舊管道的分界點位于玉龍化工西圍墻的中部，分界點以南至玉龍飛熱力有限公司是利舊管道，分界點以北至管道終點是新增管道。本次設計的范圍是新增蒸汽管道。

3.2 管路計算

蒸汽流量為82.225 t/h；各用汽企業需要的蒸汽壓力為0.7 MPa。

現有蒸汽管網：管道直徑為DN600(Φ630 mm×9.0 mm)，由《蒸汽流速計算》軟件可得出：管道流速：17 m/s，比摩阻：16.56 Pa/m。根據管道走向圖現有管道長度為1 110 m，因此，現有管道末端蒸汽壓力為0.963 MPa。

現有DN600管網末端蒸汽參數為：壓力：0.963 MPa(G)，溫度：230 ℃(忽略溫度損失)。

由《水和水蒸汽熱力性質的計算程序》軟件可得出：此溫度壓力下的蒸汽為過熱蒸汽，密度為4.796 9 kg/m3，比容為0.20 847 m3/kg，焓值為2 894 kJ/kg。

新建蒸汽管網：選取管道直徑為DN450(Φ480 mm×9.0 mm)，由《蒸汽流速計算》軟件可得出：

管道流速：28 m/s，比摩阻：66.45 Pa/m。根據管道走向初步計算管道長度為1 490 m。

因此，末端用汽壓力為0.864 MPa。

4 管道布置及支撐

4.1 管道敷設

本次設計的蒸汽管線管徑選用DN450(Φ480 mm×9.0 mm)，連接現有DN600管道繼續向北敷設。管道沿地面架空敷設，敷設高度1 m，管道補償采用Π型補償器，本著有效利用空間的原則，Π型補償器與地面垂直放置。管道坡度依就地勢，約為0.1%～0.5%。

管道材質選用20#鋼(GB3087-2008)，管道支撐點設置管托，管道溫度100 ℃

蒸汽主管在接口處配有切斷閥，并設置流量計及閥組，為各用汽企業預留接口并配有切斷閥門及計量裝置。蒸汽主管切斷閥選用PN16 DN450閘閥，型號：Z41H-16C，閥門材質：WCB/13Cr。

蒸汽管道應高點放空，低點排凈，放空閥和排凈閥均采用雙閥門設計，在操作閥門時，操作人員應做好防燙保護措施，切勿靠近蒸汽出口，以免燙傷。

4.2 Π型補償器的設置

蒸汽管道固定點距離約為36 m～38 m，固定點之間設置Π型補償器，Π型補償器H=7 m，l3=5.3 m，R=4D。Π型補償器采用獨立式管架支撐，并根據管道應力分析結果，設置適當的彈簧支架。

Π型補償器形式見圖1。

圖1 Π型補償器示意圖

4.3 球形補償器的設置

此蒸汽管線途中需跨越一處廠區大門(寬約17.9 m)，緊接著需要跨越一條馬路，馬路包括兩側綠化帶、人行道和中間的機動車道，設計時采用廠區大門和馬路聯合跨越的方案，4個桁架串聯，其管道長度約150 m，熱伸長量約450 mm，從安全和美觀的角度考慮，宜使用球形補償器，分別在兩側的豎管上各設置一組(2臺)DN450的球形補償器，并根據管道應力計算結果，設置彈簧支架、導向支架、滑動支架(見圖2)。

圖2 球形補償器安裝管段

4.4 管架

本次設計管架采用鋼結構，管架形式采用獨立式管架、縱梁式管架、桁架式管架三種，其中以獨立式管架為主，管架寬度1.5 m，高度包含1 m和8 m兩種情況，共計111個獨立式管架；跨越馬路、廠區大門時，根據跨越距離，采用縱梁式管架或桁架，管架跨度9 m

蒸汽管線在跨越一個路口時與現有的10 kV架空電纜交叉，電纜高度約9.5 m，根據《城鎮供熱管網設計規范》(CJJ 34-2010)規定，蒸汽管道與電纜垂直距離不小于2 m，再根據《工業企業總平面設計規范》(GB 50187-2012)規定，管架跨越道路的最小凈距不小于5.0 m，因此，此處管架高度為6.5 m，與路面凈距約6 m。

管架基礎采用現澆鋼筋混凝土基礎，鋼柱腳為剛性固定。

5 結語

蒸汽管道的設計首先根據蒸汽的溫度、壓力、流量等確定管徑，再根據管道走向布置管架并設置固定點，根據固定點設置Π型補償器和球形補償器，最后進行管道應力計算，并根據計算結果設置彈簧支架、導向支架和滑動支架。