蒸汽管道工程若干設計問題探討

李鵬圣

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

“2030 年碳達峰”和“2060 年碳中和”，是黨中央作出的一項重大決策。在此背景下，熱電廠所產生的蒸汽的利用顯得尤為重要。蒸汽管道的“跑冒滴漏”現象的針對措施，是設計、施工、運營環節的重中之重。

1 設計參數的選取

1.1 壓力管道參數選擇

根據相關設計規范可以知道，城鎮范圍內蒸汽管道參數為：介質設計壓力小于或等于2.5 MPa，設計溫度小于或等于350 ℃。高于此溫度范圍內的管道應劃分為GC 類管道。但仍需注意：工業用戶范圍內部（以廠界劃分），管道屬于GC 類管道。但末端為汽水換熱站等形式的熱力站時，應仍舊按照GB2 類管道進行劃分。市政供蒸汽管道接入單體民用建筑時，應當以建筑入口進行劃分。單體民用建筑內部蒸汽管道應劃分為GB2 類[1]。

當劃分為GB2 類管道時，主要遵循標準為《城鎮供熱管網設計規范》CJJ34 和《壓力管道規范公用管道》GB/T38942。當劃分為GC 類管道時，主要遵循的標準為：《壓力管道規范工業管道》GB/T20801.1～5。民用單體建筑內部的蒸汽管道還應符合《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736 的相關要求。

1.2 蒸汽管道的設計壓力/溫度的選擇

蒸汽管道一旦確認為GB2 類或GC 類時，應當按照相應規范進行確認計算。應當注意的是：直埋蒸汽管道采用“鋼套鋼”管道，其中外護鋼管設計壓力為0.2 MPa，設計溫度應取95 ℃，且為壓力管道，應當按照相應標準進行監督管理。電廠出圍墻處的接口的最高工作壓力由電廠進行確認，并根據《壓力管道規范動力管道》GB/T32270 進行設計壓力的選擇，或可按照電廠內管道的設計壓力取相同數值。蒸汽鍋爐房出口蒸汽為過熱蒸汽時，應當考慮鍋爐正常那個工作時的工作偏差，鍋爐制造商未提供時，應當取+5 ℃[2-3]。

2 設計工況及目標的明確

對于蒸汽管道而言有很多不同存在的工況：管道建設完成后，水壓試驗工況；管道按照部分負荷運行；管道按照設計負荷運行；管道支線處于關斷狀態；管道停止運行后的冷卻狀態。針對不同工況分析闡述主要設計方法或設計參數的影響及需要考慮的問題。

2.1 設計跨距

管道跨距的計算分為：強度條件和剛度條件。雖然GC 類管道和GB2 類管道的跨距計算公式不盡相同，但其從其選擇的參數可以知道：A 工況單位管長重量最大，材料許用應力大。E 工況與A 工況跨距的計算結果相同。C 工況單位管長重量最小，材料許用應力最小。所以對于某一蒸汽管道，應該分別計算A工況和C 工況的跨距，分別校核，取最小的跨距計算結果，如表1 所示。

表1 某蒸汽管道跨距計算結果

根據以上計算可以看出，并不是設計工況的條件是最嚴苛的要求。因此需要分別計算，保障管道在任意時刻的安全可靠。

2.2 設計溫度降

隨著長距離蒸汽管道的工程建設，某些工程中，建設單位主要對單位長度溫度降有技術性要求。但往往由于給定的條件模糊不清，造成設計人員的困擾。下面就B 工況和C 工況進行實例計算，如下頁表2 所示。

管道長度L=10 km，架空敷設，室外環境溫度取-5 ℃，平均風速1 m/s，設計流量120 m/h，其余參數同上例。使用AFT Arrow軟件進行計算（不考慮局部熱橋效應的理論計算）。

通過表2 可以看出：部分負荷工況下，溫度降明顯高于100%負荷的溫度降。在此類蒸汽管道設計時，必須要明確設計工況，否則每公里溫度降的數值計算將沒有可對比性。因此最好建議在以每公里溫度降為控制參數的絕熱計算過程中，應當按照常用負荷工況比率考慮。根據實際工程經驗，建議按照70%負荷工況校核計算每公里溫度降，達到能量節約和工程投資相匹配的結果。

表2 100%負荷和50%負荷計算結果

2.3 設計位移

蒸汽管道在運行過程中存在著支線閥門，若支線閥門處于關斷狀態，則和主線不能同步發生熱位移。在閥門正產開啟的工況下，T 與E1 產生同步熱位移。當閥門關閉時，E1 與E2 之間處于常溫狀態，T 處產生水平熱位移。應當注意的是，在平面布置時，此類問題并不算很嚴重。當管道豎直布置時，支線處的位移無法與主線同步產生熱位移，會導致支架脫空，破壞管系受力。因此在支線設計時，應當采用應力分析軟件，分工況建立模型，計算E1 及E2 處產生的熱位移，從而選擇合適的管托，防止管道脫空。

3 汽水換熱與疏水設計

3.1 汽水換熱器選型計算

若蒸汽為飽和蒸汽，進入換熱器后會變為凝結水。過熱蒸汽進入換熱器亦會變為凝結水，但過熱蒸汽所經歷的過程如下：過熱蒸汽→等壓飽和蒸汽→飽和水→疏水閥。明確以上過程后，在對換熱器進行選型計算時應當注意下列內容：

1）飽和蒸汽換熱器選型時，平均對數溫差的計算：蒸汽側進口飽和溫度和凝結水出口溫度相同；

2）過熱蒸汽換熱器選型時，平均對數溫差的計算：蒸汽進口側的溫度取蒸汽入口溫度，凝結水出口溫度為其對應壓力下的飽和溫度。

3.2 汽水換熱流程

汽水換熱采用2 段換熱，汽水換熱+水水換熱，然而一些廠家在進行設計時采用兩段換熱直接連接。此系統隨著負荷的調節能力不足，冷側流體溫度控制穩定度不高，蒸汽凝結水出口溫度不穩定。具體原因如下：

1）當冷側流體負荷由大突然變小后，一段換熱器，蒸汽出口有可能仍然是過熱狀態，換熱位差加大，一段蒸汽入口控制閥“來不及”調節，指示冷側流體溫度增加。

2）一段換熱器出口蒸汽溫度若為過熱狀態，那么在二段換熱階段出口為飽和溫度狀態。此時無法達到充分利用凝結水顯熱的目的，造成蒸汽浪費。

如圖1 所示：一段換熱后設置疏水閥，進行汽水分離，凝結水進入二段換熱器實現其顯熱的換熱。

3.3 疏水閥的選型

3.3.1 疏水閥的分類

不同類型疏水閥其排放方式有不同。不同類型疏水閥應當根據廠家技術手冊或《蒸汽凝結水回收及疏水裝置的選用與安裝》05R407 規定執行。

3.3.2 疏水閥選型的注意事項

應當根據產品樣冊明確疏水閥的工作范圍，見圖2。

在排量選型時，應當根據管路布置，確定疏水閥進出口的壓差，然后根據產品樣冊對應的排量曲線（如圖3 所示）進行選型。

4 結論

本文僅針對GB2 類蒸汽管道做了詳細論述，GC類蒸汽管道其設計體系與GB2 類截然不同，管道壁厚、管道跨距等計算公式均有較大差異，其中部分公式內系數的取值也不盡相同，因此，蒸汽管道的分類劃分非常之關鍵。