大型化工園區蒸汽管道的設計要點

王英霞，黃旭東

(中機國際工程設計研究院有限責任公司 華東分院，江蘇 南京 210000)

1 概述

隨著區域綠色集約發展以及安全環保集中供熱政策的推進，企業自用燃煤供熱鍋爐正在被逐步替代。目前，關停低效率、高能耗、重污染的小型燃煤鍋爐房，集中利用熱電廠的優質汽源，逐步完善配套熱網成為必然趨勢。本文結合工程實例，對大型化工園區蒸汽管道的設計要點進行探討。

2 工程概況

某大型化工園區內熱電廠設置2臺額定發電功率200 MW的燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組，作為園區熱源。熱電廠供汽溫度為500 ℃，供汽壓力為5.3 MPa，質量流量為200 t/h。目前，為4家化工企業供汽，蒸汽管網總長為16.47 km，總投資約2.4×108元。

蒸汽管道平面布置(含各管段規格、長度)見圖1。用戶1、2為預留端口，質量流量分別為6、8 t/h。用戶3的用汽溫度不低于460 ℃，壓力為4.5 MPa，質量流量為40 t/h。用戶4的用汽溫度不低于400 ℃，壓力為4.2 MPa，質量流量范圍為70～86 t/h。

圖1 蒸汽管道平面布置

3 管道敷設方式與監測

根據規劃要求、周邊環境、地質條件等，蒸汽管道采取不同的敷設方式:架空敷設(支架敷設、桁架敷設)、管溝敷設。對于管溝敷設段，在管溝上方設置了保溫蓋板，可使蒸汽管道外護管免受地面重物碾壓，又具有一定的保溫效果。管溝與蒸汽管道之間的空隙填充制作蒸汽管道保溫層的下腳料，提升了廢物再利用率。

為了監測管道沿線溫度、壓力，在關鍵節點安裝了溫度、壓力檢測儀表，并采用太陽能、風能蓄電池供電，實現信號無線遠傳。管溝敷設段安裝光纖感溫系統，對管溝內溫度進行實時監控，發現異常情況及時報警。

4 設計要點

① 管徑、壁厚

根據DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規范》、GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的相關要求，并考慮到供熱參數的波動性，工作管設計溫度為510 ℃，設計壓力為5.83 MPa，直管及彎頭、三通、異徑管等管件選用12Gr1MoVG合金結構鋼，設計溫度下鋼材彈性模量為16.3×104MPa。

結合計算管系設計質量流量、蒸汽性質、流速、輸送距離及允許壓降等參數，通過水力計算確定管徑。設計條件下的理論最小壁厚采取工作管外直徑控制原則[1]，設計溫度下的許用應力取99 MPa，工作管許用應力的修正系數η取1.0，修正系數Y取0.5，腐蝕、磨損和機械強度附加厚度C取1.7 mm。由DL/T 5054—2016式5.2.1-1、5.2.2和5.2.3得到不同外直徑的工作管取用壁厚，見表1。

表1 不同外直徑的工作管壁厚

② 保溫層結構

采用AFT Arrow流體動態模擬分析軟件建立計算模型，模擬分析蒸汽管道保溫結構傳熱，導出用戶端的蒸汽壓力與溫度，輔助管徑和保溫結構(含保溫層厚度)的選擇。已知條件為蒸汽參數(溫度、質量流量、壓力)、工作管參數(管材、管徑、壁厚)、保溫材料參數(熱導率、初始設定厚度)、室外空氣溫度等。保溫材料選取硅酸鎂纖維針刺毯、氣凝膠氈、玻璃棉。

硅酸鎂纖維針刺毯熱導率λm的擬合式為：

λm=4.526×10-7t2-2.741×10-6t+

3.974×10-2

氣凝膠氈熱導率λa的擬合式為：

λa=2.114×10-7t2-3.227×10-6t+

2.155×10-2

玻璃棉熱導率λg的擬合式為：

λg=7.652 29×10-10t3+

1.102 2×10-4t+2.907 1×10-2

式中λm——硅酸鎂纖維針刺毯熱導率，W/(m·K)

t——保溫材料使用溫度，℃

λa——氣凝膠氈熱導率，W/(m·K)

λg——玻璃棉熱導率，W/(m·K)

采用AFT Arrow軟件，以最小質量流量(用戶4質量流量取70 t/h)下各用戶所需蒸汽溫度為前提，對蒸汽管道的保溫層厚度進行驗算，并計算蒸汽管道外護管外表面溫度進行校核(校核條件為低于50 ℃)。對于DN 450、500 mm蒸汽管道：保溫層(由內至外)為150 mm厚硅酸鎂纖維針刺毯、20 mm厚氣凝膠氈及200 mm玻璃棉。對于DN 250、200 mm蒸汽管道：保溫層(由內至外)為150 mm厚硅酸鎂纖維針刺毯、20 mm厚氣凝膠氈及150 mm玻璃棉。經AFT Arrow軟件計算，按以上保溫層設置，可滿足最小質量流量下各用戶的所需蒸汽溫度。蒸汽管道外護管外表面溫度在18 ℃左右，滿足校核條件。

DN 500 mm蒸汽管道保溫結構見圖2。采用多層分段式復合保溫結構，由于運行過程中蒸汽管道上方保溫層易在重力作用下產生下墜，導致上部保溫層厚度變薄，因此在保溫層外層分別設置圓弧角分別為210°、150°的玻璃棉蓋板(厚度分別為40 mm)，以增強蒸汽管道頂部長期的保溫效果。DN 450 mm蒸汽管道保溫結構與DN 500 mm一致，DN 250、200 mm蒸汽管道保溫比DN 500 mm蒸汽管道少1層50 mm厚玻璃棉。雙層納米氣囊反射層的內外表層均為鋁箔多層復合材料，中間層為PE聚乙烯氣囊，該種設計使得產品具備很好的緩沖、隔熱保溫功效。

圖2 DN 500 mm蒸汽管道保溫結構

目前，蒸汽管道外護管主要為彩鋼板(熱鍍鋅彩涂卷板)、玻璃鋼及無機鎂鋼。彩鋼板質量輕，易成型，經久耐用，適用范圍廣。玻璃鋼耐腐蝕性及熱性能好，但是彈性模量低，長期耐溫性差，層間剪切強度低。無機鎂鋼適合現場施工，便于運輸，但施工期長。因此，本工程選用0.5 mm厚彩鋼板作為蒸汽管道的外護管，考慮與周邊的協調性，涂層顏色為乳白色。

采用AFT Arrow軟件對最小質量流量(用戶4質量流量取70 t/h)下的用戶蒸汽壓力、溫度以及最大質量流量(用戶4質量流量取86 t/h)下的用戶蒸汽壓力、溫度進行計算，計算結果分別見表2、3。由表2、3可知，保溫層厚度可滿足最小、最大質量流量下各用戶的蒸汽參數需求。

表2 最小質量流量下的參數

表3 最大質量流量下的參數

③ 補償方式

本工程結合現場安裝條件，對蒸汽管道采取自然補償方式，典型的平面、空間自然補償方式見圖3、4。

圖3 典型的平面自然補償方式

圖4 典型的空間自然補償方式

④ 支座間距

依據DL/T 5054—2016第8.2節的相關規定，按照剛度、強度條件下支吊架最大間距的較小值作為支吊架支座允許間距。計算支吊架負荷時，硅酸鎂纖維針刺毯、氣凝膠氈及玻璃棉的密度分別取110、200、48 kg/m3。各規格蒸汽管道支吊架支座的允許間距見表4。

表4 各規格蒸汽管道支吊架支座的允許間距

為保證蒸汽管道、管托(分為固定、導向、滑動)、支座(鋼筋混凝土剛性基礎)的安裝、運行、維修安全及經濟合理性，采用有限元軟件Start對管子、管件、固定支座受力進行模擬計算。輸入管子、管件的材質、壁厚、設計溫度、設計壓力等計算條件，由Start軟件完成立體幾何模型的建立、網格劃分及有限元計算。根據支吊架支座的允許間距及模擬結果對支座間距、自然補償方式進行調整，保證支座受力小于允許值。為杜絕熱橋和減小摩擦，導向和滑動支架的管托底部和支架頂部分別采用4 mm厚聚四氟乙烯塊、2 mm厚不銹鋼鏡面板。

5 結語

園區企業用熱需求旺盛，集中熱網成為園區重要基礎設施之一。該工程蒸汽參數高、沿途路由復雜、外界限制條件較多，成功竣工投產并安全運行后，確保了用戶的用汽需求。