提高蒸汽管网效率降低管损的技术要点和实施方案一.docx
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提高蒸汽管网效率降低管损的技术要点和实施方案一
提高蒸汽管网效率，降低管损，节约能源
杭州瓦特节能工程有限公司技术服务中心
蒸汽技术工程师李少鹏
锅炉产生的蒸汽必须通过管网输送到使用热量的用汽点。
通常从锅炉有一根或多根蒸汽主管向用汽车间方向输送蒸汽，然后通过小口径的分支管道将蒸汽送给各个用汽设备。
蒸汽源到使用点的蒸汽输送过程。
蒸汽源可以是锅炉房或者热电联产的供给。
锅炉可以是燃煤、油和天然气的锅炉，也可以是余热锅炉－使用高温过程产生的废气。
无论汽源如何，为了在用汽点得到高品质的蒸汽－正确的蒸汽量和压力，高效的蒸汽分配系统是关键所在。
当锅炉的冠状阀打开（缓慢打开），蒸汽立即从锅炉进入蒸汽主管。
在初始状态，蒸汽管道是冷态的，因此热量从蒸汽传递给管道。
管道周围的空气更冷，管道会传热给空气。
除了蒸汽加热管道引起的蒸汽冷凝（称为“起动负载”）以外，管道传递给空气的热量使蒸汽冷凝更快（称为“运行负载”）。
这样形成的冷凝水积累在管道底部，被蒸汽携带和重力的作用（通常蒸汽主管沿蒸汽流动方向有一向下的梯度）沿蒸汽流动方向流动。
当用汽设备的阀门打开，蒸汽从分配系统进入用汽设备并接触冷态的加热面，蒸汽释放出蒸汽焓加热设备（起动负载），并连续不断传递热量给工艺制程，然后冷凝成水。
现在有一连续的蒸汽流来自锅炉以满足所连接设备的负载要求，为了维持该蒸汽供给，锅炉必须产生更多的蒸汽。
为此，更多的燃料加入锅炉，更多的水泵入锅炉以补充水蒸发成蒸汽。
蒸汽产生、输送、使用、冷凝水回收的一个典型循环
选择工作压力
蒸汽分配系统是汽源和用汽设备之间的重要连接。
蒸汽分配系统必须在最小散热损失和最小费用的情况下，提供正确的流率和正确的压力。
我们必须时刻记住，在工艺制程和加热应用中使用的是干饱和蒸汽（并非过热蒸汽）。
输送蒸汽的压力取决于用汽点设备所需要的最高压力。
但我们必须记住，由于蒸汽管道的流动阻力和散热损失引起的蒸汽冷凝，使蒸汽在通过输送系统后压力有所下降。
因此在决定输送压力时必须考虑一定的余量。
总之，在选择工作压力时，我们必须考虑以下几点：
∙用汽设备需要的压力
∙沿管道的流动阻力引起的压力降（摩擦）
∙管道的热损失
我们知道，高压下蒸汽比容较小，因此在高于使用压力的压力下输送蒸汽时，输送同样的蒸汽量需要的管道口径比较小。
高压输送蒸汽
高压输送蒸汽，则需要在各用汽点进行减压，以满足实际应用过程的压力需要。
瓦特节能认为高压输送蒸汽具有以下优点：
1.更小的蒸汽管道。
管道表面积小，散热损失少。
2.蒸汽管道的费用减少，包括管道材料、法兰、支撑件和劳力。
3.管道的绝热费用减少。
4.通过减压在使用点可以获得更加干燥的蒸汽。
5.锅炉在高压下运行时更接近其最佳运行状况，因此效率更高。
锅炉在高压下运行时的蓄热能力大，有助于处理系统负载的波动，减少汽水共沸和携带的可能性。
管道口径选型
目前普遍存在的问题是根据所连接的设备接口管径来选择输送蒸汽的管道。
而输送的压力以及输送的蒸汽质量等关键因素往往被忽略。
瓦特节能认为如果管道选型过大，则：
∙管道费用增加
∙形成的冷凝水增多
∙冷凝水增加，引起蒸汽品质下降、传热效率降低
∙更多的热损失
例如，使用50mm的蒸汽管道能输送足够的蒸汽，如使用80mm的管道，则费用会增加44%。
80mm绝热管的热损失比50mm绝热管的损失多21%。
80mm非绝热管的热损失比50mm非绝热管的热损失多50％。
瓦特节能经验表明如管道选型偏小，则：
∙高的蒸汽流速产生高的蒸汽压力降，到达用汽点时压力不足
∙用汽点没有足够的蒸汽量
∙蒸汽流速加快，容易产生冲蚀和水锤
管道的口径选择可以使用以下两种方法中的任一种。
:
∙流速法
∙压降法
无论使用何种方法进行选型，应该用另一种方法进行校核以确定不超出限制。
流速选型是基于管道的流通体积等于管道的截面积和流速的乘积（记住比容随压力变化而变化）。
如果知道了蒸汽的质量流率和压力，我们可以很容易计算出管道的体积流量（m3/s）。
如果我们确定一个可以接受的流速（m/s），知道了所输送的蒸汽体积，则可以计算所需的流通截面积（管径）。
特定流速下的管道流量随以下因素的增加而增加：
∙流速（原因如前页所述）
∙压力。
压力增加，比容减小
蒸汽管道流量图表是根据蒸汽流速选择管道的可靠方法。
25－40m/s之间的流速适用于短的分支管道，而较低的流速，如15m/s左右可用于主蒸汽管。
管道厚度和标准管径
通常使用的管道厚度是基于美国石油研究所（API）的管道表号，实际的厚度参考表号确定。
这些表号根据管道的压力等级分为11个系列。
从最低的NO.5至10,20,30,40,60,80,100,120,140和NO.160。
对公称口径小于150mm（6英寸）的管道，管道系列号40是管道重量最轻的表号。
只有40和80号覆盖了从15mm（1/2英寸）－600mm的所有公称口径。
最常用的蒸汽管道表号是40，次之是管表号80。
管道表号表在BS1560和BS1600中可以查询。
管壁厚可以根据以下公式计算：
其中：
t=内部压力设计厚度（mm）
p=内部设计压力bar,（105N/mm2）
D=管道外径（mm）
S=设计应力N/mm2,（MN/m2）
特定流速下的管道流量
最常用的材料为低碳钢（等级620），根据特殊需要可以使用其它的等级。
由上述公式，为了计算管道厚度，需要知道材料的设计应力，这可以在BS806中找到（安装和连接至锅炉的铁素体管道的设计和结构）。
应力随温度的变化很大，因此在选择设计应力时温度是一个重要的变量。
应力在管道的两个支撑点之间也会积聚。
如果安装良好，则该应力可以忽略，但考虑安全性和计算误差，选择较小的设计应力更好。
管道也应该足够的厚以承受冲击和其它的用途如作为提升泵/设备等的连接点。
另一个经常用于管道厚度的术语是蓝色和红色带。
详细参见BS1378（钢管和其它用于BS21管螺纹标准的管材），应用特殊的管道等级，红色带表示重级，蓝色带表示中级。
对于蒸汽管道应用红色带是最常见的，而蓝色带通常用于空气分配管道。
短于4m的管道只有一个颜色带标记，在4m-7m长之间的管道在两端附近都有一颜色标记。
标记带大约50mm宽。
带标记的管道
管道流量和压力降
我们需要考虑蒸汽管道内的压力降。
使用12页上的管道口径选型图可以得到更详细和全面的信息。
下面，我们将讨论两个实例，一个理论性较强，另一个更实际些，通过这两个实例我们可以对管道口径选择有较好的理解。
举例
如果初始压力为7bar。
压力因子（P1）可以从管道选型图的压力因子表查得为56.38，并且如果最终压力为6.4bar，压力因子（P2）为48.48。
管道压力降
假定管道长度（包括弯头和接头）为263米，则：
使用管道流量和压力降因子，我们找到左边0.030一栏，从左往右读取数值，65mm的管道能输送919.4kg（x）的蒸汽，此时速度因子（y）为80.64m/s。
速度因子（y）是基于蒸汽的比容为1m3/kg，因此可以方便地转化成其它比容状态下实际的蒸汽流速：
因此如果速度因子（y）=80.64m/s，蒸汽压力为7bar，比容为0.240m3/kg（参考蒸汽表），我们可以得到实际的速度为：
管道口径（mm）
15
20
25
32
40
50
65
80
100
125
150
175
200
225
250
300
F
0.020x
9.8
30.16
63.75
114.7
189
411
760.1
1226
2697
4904
7993
12014
17163
23538
31384
50508
Y
20.51
29.55
36.07
39.62
146.4
158.3
66.7
75.01
4904
107.5
122.3
135.6
147.3
160.0
172.0
193.3
0.025x
10.99
33.48
70.73
127.3
209.8
459.7
834.6
1367
2970
5422
8817
13296
19332
26357
34750
56581
y
23.0
32.8
40.02
43.97
51.39
65.03
73.2
83.7
102
119
135
150
166
179
191
217
0.030x
12.0
36.0
77.2
138
230
501
919
1480
3624
5884
9792
14481
20917
28595
37967
62522
y
25.1
36.0
43.7
47.6
56.3
70.9
80.6
90.6
112
129
150
164
180
195
207
239
管道流量和压力降因子（部分）
压力
Barg
比容
m3/kg
压力因子
6.0
0.272
43.54
6.1
0.269
44.76
6.2
0.265
45.98
6.3
0.261
47.23
6.4
0.258
48.48
6.5
0.255
49.76
6.6
0.252
51.05
6.7
0.249
52.36
6.8
0.246
53.68
6.9
0.243
55.02
7.0
0.240
56.38
7.1
0.237
57.75
7.2
0.235
59.13
7.3
0.232
60.54
7.4
0.229
61.96
7.5
0.227
63.39
7.6
0.224
64.84
7.7
0.222
66.31
7.8
0.219
67.79
7.9
0.217
69.29
8.0
215
70.80
压力因子表
举例
让我们进行一个实际的应用，利用压力降计算下图中的主蒸汽管道口径。
长度
从锅炉至加热组的长度已知，但我们必须考虑连接件的摩擦阻力，通常称为等效管长度，例如将一个球形阀等效于多少米长的直管道。
如果已知管道的尺寸，则可以计算连接件等效的阻力。
但实际上管道口径不知道，则必须给连接件一个系数。
简而言之，100m长的直管道，可以考虑10%的连接件等效长度。
同样是直管道，如果长度较短，则可以考虑更多的连接件等效长度，例如20%。
在本实例中，属于第一类，长195m，增加10%（19m）的等效长度，则总长度为=214m。
蒸汽流率
我们必须考虑一定的余量，即由于蒸汽主管的辐射散热引起的损失。
加热组的蒸汽用量为270kg/h，主管必须输送这些质量，同时加上管道辐射损失引起的蒸汽冷凝量。
因为蒸汽管道的口径尚未确定，因此无法精确计算，如果管道绝热，则假定每30m有1％的辐射损失。
在本例中：
则锅炉的蒸汽流率=270+7.1%=289kg/h
根据压力因子图，
7bar时P1=56.38
6.6bar时P2=51.05
并且
等效长度L=214m
因此：
根据管道流量和压力降因子表，压力降因子F为0.025时：
40mm口径的管道容量为209.8kg/h
50mm口径的管道容量为459.7kg/h
因此管道必须选择50mm。
∙选择蒸汽主管时，如果刚好能满足额定的容量要求，则不是好的选择，应该留用一定的余量，以补偿设计误差和以后设备扩容的需要。
∙如果计算的F值为表中的中间值，虽然没有完全的线性关系，但通过插值计算具有一定的精度。
表中显示的数据为标准口径的容量。
让我们再进行速度校验。
我们已经说明图中'y'的速度因子是基于蒸汽比容为1m3/kg。
对于50mm的管道，表中显示通过459.7kg/h的蒸汽流量时，速度因子’y’值为65.03。
而实际计算需要通过289kg的蒸汽，则速度因子‘y’值通过以下计算可得：
在7bar下蒸汽的比容为0.24m3/kg。
因此在本例中使用50mm的管道，实际流速为：
和最大允许的值相比，该速度值似乎显得过低。
但必须记住在本例中，蒸汽主管是根据允许的压力降来选型的，而高的流速则意味着高的压力降。
让我们来看一下在基于蒸汽流速21m/s选择蒸汽主管时会发生什么。
我们可以迅速的计算出压力和速度：
对于21m/s的流速，在7bar压力下比容为0.24m3/kg，则：
我们再使用管道流量和压力降因子图表去确定能满足289kg的蒸汽流量和87.5m/s的速度因子的管道。
这样，在F因子为0.08时40mm的管道能满足要求。
但是如果使用40mm的蒸汽主管会发生什么呢？
在本例中，我们知道了F=0.08，并且P1和L没有改变，因此根据以下公式：
所以
该值所对应的压力低于5.7bar。
因此如果设计蒸汽主管为40mm，而不是50mm，则加热组得到的压力将低于设计工况。
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