提高蒸汽管網(wǎng)效率,降低管損的技術(shù)要點(diǎn)和實(shí)施方案(一)

1、提高蒸汽管網(wǎng)效率，降低管損，節(jié)約能源杭州瓦特節(jié)能工程有限公司 技術(shù)服務(wù)中心蒸汽技術(shù)工程師 李少鵬鍋 爐 產(chǎn) 生 的 蒸 汽 必 須 通 過(guò) 管 網(wǎng) 輸 送 到 使 用 熱 量 的 用 汽 點(diǎn)。 通 常 從 鍋 爐 有 一 根 或 多 根 蒸 汽 主 管 向 用 汽 車(chē) 間 方 向 輸 送 蒸 汽， 然 后 通 過(guò) 小 口 徑 的 分 支 管 道 將 蒸 汽 送 給 各 個(gè) 用 汽 設(shè) 備。蒸 汽 源 到 使 用 點(diǎn) 的 蒸 汽 輸 送 過(guò) 程。 蒸 汽 源 可 以 是 鍋 爐 房 或 者 熱 電 聯(lián) 產(chǎn) 的 供 給。 鍋 爐 可 以 是 燃 煤、 油 和 天 然 氣 的 鍋 爐， 也 可 以

2、是 余 熱 鍋 爐 使 用 高 溫 過(guò) 程 產(chǎn) 生 的 廢 氣。 無(wú) 論 汽 源 如 何， 為 了 在 用 汽 點(diǎn) 得 到 高 品 質(zhì) 的 蒸 汽 正 確 的 蒸 汽 量 和 壓 力， 高 效 的 蒸 汽 分 配 系 統(tǒng) 是 關(guān) 鍵 所 在。當(dāng) 鍋 爐 的 冠 狀 閥 打 開(kāi)( 緩 慢 打 開(kāi))， 蒸 汽 立 即 從 鍋 爐 進(jìn) 入 蒸 汽 主 管。 在 初 始 狀 態(tài)， 蒸 汽 管 道 是 冷 態(tài) 的， 因 此 熱 量 從 蒸 汽 傳 遞 給 管 道。 管 道 周 圍 的 空 氣 更 冷， 管 道 會(huì) 傳 熱 給 空 氣。 除 了 蒸 汽 加 熱 管 道 引 起 的 蒸 汽 冷 凝( 稱(chēng) 為

3、“ 起 動(dòng) 負(fù) 載”) 以 外， 管 道 傳 遞 給 空 氣 的 熱 量 使 蒸 汽 冷 凝 更 快( 稱(chēng) 為“ 運(yùn) 行 負(fù) 載”)。 這 樣 形 成 的 冷 凝 水 積 累 在 管 道 底 部， 被 蒸 汽 攜 帶 和 重 力 的 作 用( 通 常 蒸 汽 主 管 沿 蒸 汽 流 動(dòng) 方 向 有 一 向 下 的 梯 度) 沿 蒸 汽 流 動(dòng) 方 向 流 動(dòng)。 當(dāng) 用 汽 設(shè) 備 的 閥 門(mén) 打 開(kāi)， 蒸 汽 從 分 配 系 統(tǒng) 進(jìn) 入 用 汽 設(shè) 備 并 接 觸 冷 態(tài) 的 加 熱 面， 蒸 汽 釋 放 出 蒸 汽 焓 加 熱 設(shè) 備( 起 動(dòng) 負(fù) 載)， 并 連 續(xù) 不 斷 傳 遞 熱 量

4、 給 工 藝 制 程， 然 后 冷 凝 成 水。 現(xiàn) 在 有 一 連 續(xù) 的 蒸 汽 流 來(lái) 自 鍋 爐 以 滿(mǎn) 足 所 連 接 設(shè) 備 的 負(fù) 載 要 求， 為 了 維 持 該 蒸 汽 供 給， 鍋 爐 必 須 產(chǎn) 生 更 多 的 蒸 汽。 為 此， 更 多 的 燃 料 加 入 鍋 爐， 更 多 的 水 泵 入 鍋 爐 以 補(bǔ) 充 水 蒸 發(fā) 成 蒸 汽。 蒸汽產(chǎn)生、輸送、使用、冷凝水回收的一個(gè)典型循環(huán)選 擇 工 作 壓 力蒸 汽 分 配 系 統(tǒng) 是 汽 源 和 用 汽 設(shè) 備 之 間 的 重 要 連 接。 蒸 汽 分 配 系 統(tǒng) 必 須 在 最 小 散 熱 損 失 和 最 小 費(fèi) 用 的

5、情 況 下， 提 供 正 確 的 流 率 和 正 確 的 壓 力。 我 們 必 須 時(shí) 刻 記 住， 在 工 藝 制 程 和 加 熱 應(yīng) 用 中 使 用 的 是 干 飽 和 蒸 汽( 并 非 過(guò) 熱 蒸 汽)。 輸 送 蒸 汽 的 壓 力 取 決 于 用 汽 點(diǎn) 設(shè) 備 所 需 要 的 最 高 壓 力。 但 我 們 必 須 記 住， 由 于 蒸 汽 管 道 的 流 動(dòng) 阻 力 和 散 熱 損 失 引 起 的 蒸 汽 冷 凝， 使 蒸 汽 在 通 過(guò) 輸 送 系 統(tǒng) 后 壓 力 有 所 下 降。 因 此 在 決 定 輸 送 壓 力 時(shí) 必 須 考 慮 一 定 的 余 量。總 之，在 選 擇 工

6、作 壓 力 時(shí)， 我 們 必 須 考 慮 以 下 幾 點(diǎn)： 用 汽 設(shè) 備 需 要 的 壓 力 沿 管 道 的 流 動(dòng) 阻 力 引 起 的 壓 力 降( 摩 擦) 管 道 的 熱 損 失我 們 知 道， 高 壓 下 蒸 汽 比 容 較 小， 因 此 在 高 于 使 用 壓 力的 壓 力 下 輸 送 蒸 汽 時(shí)， 輸 送 同 樣 的 蒸 汽 量 需 要 的 管 道 口 徑 比 較 小。 高 壓 輸 送 蒸 汽高 壓 輸 送 蒸 汽， 則 需 要 在 各 用 汽 點(diǎn) 進(jìn) 行 減 壓， 以 滿(mǎn) 足 實(shí) 際 應(yīng) 用 過(guò) 程 的 壓 力 需 要。 瓦特節(jié)能認(rèn)為高 壓 輸 送 蒸 汽 具 有 以 下 優(yōu)

7、點(diǎn)：1. 更 小 的 蒸 汽 管 道。 管 道 表 面 積 小， 散 熱 損 失 少。 2. 蒸 汽 管 道 的 費(fèi) 用 減 少， 包 括 管 道 材 料、 法 蘭、 支 撐 件 和 勞 力。 3. 管 道 的 絕 熱 費(fèi) 用 減 少。4. 通 過(guò) 減 壓 在 使 用 點(diǎn) 可 以 獲 得 更 加 干 燥 的 蒸 汽。5. 鍋 爐 在 高 壓 下 運(yùn) 行 時(shí) 更 接 近 其 最 佳 運(yùn) 行 狀 況， 因 此 效 率 更 高。 鍋 爐 在 高 壓 下 運(yùn) 行 時(shí) 的 蓄 熱 能 力 大， 有 助 于 處 理 系 統(tǒng) 負(fù) 載 的 波 動(dòng)， 減 少 汽 水 共 沸 和 攜 帶 的 可 能 性。管 道

8、口 徑 選 型目 前 普 遍 存 在 的 問(wèn) 題 是 根 據(jù) 所 連 接 的 設(shè) 備 接 口 管 徑 來(lái) 選 擇 輸 送 蒸 汽 的 管 道。 而 輸 送 的 壓 力 以 及 輸 送 的 蒸 汽 質(zhì) 量 等 關(guān) 鍵 因 素 往 往 被 忽 略。 瓦特節(jié)能認(rèn)為如 果 管 道 選 型 過(guò) 大， 則： 管 道 費(fèi) 用 增 加 形 成 的 冷 凝 水 增 多 冷 凝 水 增 加， 引 起 蒸 汽 品 質(zhì) 下 降、 傳 熱 效 率 降 低 更 多 的 熱 損 失例 如， 使 用 50mm 的 蒸 汽 管 道 能 輸 送 足 夠 的 蒸 汽， 如 使 用80mm 的 管 道， 則 費(fèi) 用 會(huì) 增 加 44

9、%。80mm 絕 熱 管 的 熱 損 失 比 50 mm 絕 熱 管 的 損 失 多 21%。80mm 非 絕 熱 管 的 熱 損 失 比 50mm 非 絕 熱 管 的 熱 損 失 多 50。 瓦特節(jié)能經(jīng)驗(yàn)表明如 管 道 選 型 偏 小， 則： 高 的 蒸 汽 流 速 產(chǎn) 生 高 的 蒸 汽 壓 力 降， 到 達(dá) 用 汽 點(diǎn) 時(shí) 壓 力 不 足 用 汽 點(diǎn) 沒(méi) 有 足 夠 的 蒸 汽 量 蒸 汽 流 速 加 快， 容 易 產(chǎn) 生 沖 蝕 和 水 錘管 道 的 口 徑 選 擇 可 以 使 用 以 下 兩 種 方 法 中 的 任 一 種。: 流 速 法 壓 降 法 無(wú) 論 使 用 何 種 方 法

10、進(jìn) 行 選 型， 應(yīng) 該 用 另 一 種 方 法 進(jìn) 行 校 核 以 確 定 不 超 出 限 制。 流 速 選 型 是 基 于 管 道 的 流 通 體 積 等 于 管 道 的 截 面 積 和 流 速 的 乘 積( 記 住 比 容 隨 壓 力 變 化 而 變 化)。如 果 知 道 了 蒸 汽 的 質(zhì) 量 流 率 和 壓 力， 我 們 可 以 很 容 易 計(jì) 算 出 管 道 的 體 積 流 量 (m3/s)。 如 果 我 們 確 定 一 個(gè) 可 以 接 受 的 流 速 (m/s)， 知 道 了 所 輸 送 的 蒸 汽 體 積， 則 可 以 計(jì) 算 所 需 的 流 通 截 面 積(管 徑)。 特 定

11、 流 速 下 的 管 道 流 量隨 以 下 因 素 的 增 加 而 增 加： 流 速 ( 原 因 如 前 頁(yè) 所 述) 壓 力。 壓 力 增 加， 比 容 減 小蒸 汽 管 道 流 量 圖 表 是 根 據(jù) 蒸 汽 流 速 選 擇 管 道 的 可 靠 方 法。25 40 m/s 之 間 的 流 速 適 用 于 短 的 分 支 管 道， 而 較 低 的 流 速， 如15 m/s 左 右 可 用 于 主 蒸 汽 管。管 道 厚 度 和 標(biāo) 準(zhǔn) 管 徑通 常 使 用 的 管 道 厚 度 是 基 于 美 國(guó) 石 油 研 究 所(API) 的 管 道 表 號(hào)，實(shí) 際 的 厚 度 參 考 表 號(hào) 確 定。

12、這 些 表 號(hào) 根 據(jù) 管 道 的 壓 力 等 級(jí) 分 為 11 個(gè) 系 列。 從 最 低 的 NO. 5 至10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 和 NO.160。 對(duì) 公 稱(chēng) 口 徑 小 于 150 mm (6 英 寸) 的 管 道， 管 道 系 列 號(hào) 40 是 管 道 重 量 最 輕 的 表 號(hào)。 只 有 40 和 80 號(hào) 覆 蓋 了 從 15 mm (1/2 英 寸) 600 mm 的 所 有 公 稱(chēng) 口 徑。 最 常 用 的 蒸 汽 管 道 表 號(hào) 是40， 次 之 是 管 表 號(hào) 80。 管 道 表 號(hào) 表 在 BS 1560 和 BS 1

13、600 中 可 以 查 詢(xún)。 管 壁 厚 可 以 根 據(jù) 以 下 公 式 計(jì) 算：其 中：t=內(nèi) 部 壓 力 設(shè) 計(jì) 厚 度(mm)p=內(nèi) 部 設(shè) 計(jì) 壓 力 bar,(105N/mm2)D=管 道 外 徑(mm)S=設(shè) 計(jì) 應(yīng) 力 N/mm2,(MN/m2) 特 定 流 速 下 的 管 道 流 量最 常 用 的 材 料 為 低 碳 鋼 ( 等 級(jí) 620 )， 根 據(jù) 特 殊 需 要 可 以 使 用 其 它 的 等 級(jí)。 由 上 述 公 式， 為 了 計(jì) 算 管 道 厚 度， 需 要 知 道 材 料 的 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 力， 這 可 以 在 BS 806 中 找 到( 安 裝 和 連 接 至 鍋

14、 爐 的 鐵 素 體 管 道 的 設(shè) 計(jì) 和 結(jié) 構(gòu))。 應(yīng) 力 隨 溫 度 的 變 化 很 大， 因 此 在 選 擇 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 力 時(shí) 溫 度 是 一 個(gè) 重 要 的 變 量。 應(yīng) 力 在 管 道 的 兩 個(gè) 支 撐 點(diǎn) 之 間 也 會(huì) 積 聚。 如 果 安 裝 良 好， 則 該 應(yīng) 力 可 以 忽 略， 但 考 慮 安 全 性 和 計(jì) 算 誤 差， 選 擇 較 小 的 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 力 更 好。 管 道 也 應(yīng) 該 足 夠 的 厚 以 承 受 沖 擊 和 其 它 的 用 途 如 作 為 提 升 泵/ 設(shè) 備 等 的 連 接 點(diǎn)。 另 一 個(gè) 經(jīng) 常 用 于 管 道 厚 度 的 術(shù) 語(yǔ) 是

15、藍(lán) 色 和 紅 色 帶。 詳 細(xì) 參 見(jiàn) BS 1378 ( 鋼 管 和 其 它 用 于 BS21 管 螺 紋 標(biāo) 準(zhǔn) 的 管 材)， 應(yīng) 用 特 殊 的 管 道 等 級(jí)， 紅 色 帶 表 示 重 級(jí)， 藍(lán) 色 帶 表 示 中 級(jí)。 對(duì) 于 蒸 汽 管 道 應(yīng) 用 紅 色 帶 是 最 常 見(jiàn) 的， 而 藍(lán) 色 帶 通 常 用 于 空 氣 分 配 管 道。 短 于 4m 的 管 道 只 有 一 個(gè) 顏 色 帶 標(biāo) 記， 在 4m-7m 長(zhǎng) 之 間 的 管 道 在 兩 端 附 近 都 有 一 顏 色 標(biāo) 記。 標(biāo) 記 帶 大 約 50 mm 寬。帶 標(biāo) 記 的 管 道管 道 流 量 和 壓 力 降

16、我 們 需 要 考 慮 蒸 汽 管 道 內(nèi) 的 壓 力 降。 使 用12 頁(yè) 上 的 管 道 口 徑 選 型 圖 可 以 得 到 更 詳 細(xì) 和 全 面 的 信 息。 下 面， 我 們 將 討 論 兩 個(gè) 實(shí) 例， 一 個(gè) 理 論 性 較 強(qiáng)，另 一 個(gè) 更 實(shí) 際 些，通 過(guò) 這 兩 個(gè) 實(shí) 例 我 們 可 以 對(duì) 管 道 口 徑 選 擇 有 較 好 的 理 解。 舉例 如 果 初 始 壓 力 為 7 bar。 壓 力 因 子 (P1) 可 以 從 管 道 選 型 圖 的 壓 力 因 子 表 查 得 為 56.38， 并 且 如 果 最 終 壓 力 為 6.4 bar， 壓 力 因 子 (P

17、2) 為 48.48。管 道 壓 力 降假 定 管 道 長(zhǎng) 度 ( 包 括 彎 頭 和 接 頭) 為 263 米， 則：使 用 管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子， 我 們 找 到 左 邊 0.030 一 欄， 從 左 往 右 讀 取 數(shù) 值，65 mm 的 管 道 能 輸 送 919.4 kg (x) 的 蒸 汽， 此 時(shí) 速 度 因 子 (y) 為 80.64 m/s。速 度 因 子(y) 是 基 于 蒸 汽 的 比 容 為1 m3/kg， 因 此 可 以 方 便 地 轉(zhuǎn) 化 成 其 它 比 容 狀 態(tài) 下 實(shí) 際 的 蒸 汽 流 速：因 此 如 果 速 度 因 子 (y) = 80.

18、64 m/s， 蒸 汽 壓 力 為7 bar， 比 容 為 0.240 m3/kg (參 考 蒸 汽 表)， 我 們 可 以 得 到 實(shí) 際 的 速 度 為： 管 道 口 徑 (mm)1520253240506580100125150175200225250300F0.020 x9.830.1663.75114.7189411760.112262697490479931201417163235383138450508Y20.5129.5536.0739.62146.4158.366.775.014904107.5122.3135.6147.3160.0172.0193.30.025 x10.9

19、933.4870.73127.3209.8459.7834.613672970542288171329619332263573475056581y23.032.840.0243.9751.3965.0373.283.71021191351501661791912170.030 x12.036.077.213823050191914803624588497921448120917285953796762522y25.136.043.747.656.370.980.690.6112129150164180195207239管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子 (部 分) 壓 力Bar g 比 容

20、m3/kg 壓 力 因 子6.00.27243.546.10.26944.766.20.26545.986.30.26147.236.40.25848.486.50.25549.766.60.25251.056.70.24952.366.80.24653.686.90.24355.027.00.24056.387.10.23757.757.20.23559.137.30.23260.547.40.22961.967.50.22763.397.60.22464.847.70.22266.317.80.21967.797.90.21769.298.021570.80壓 力 因 子 表舉例 讓 我

21、們 進(jìn) 行 一 個(gè) 實(shí) 際 的 應(yīng) 用， 利 用 壓 力 降 計(jì) 算 下 圖 中 的 主 蒸 汽 管 道 口 徑。 長(zhǎng) 度從 鍋 爐 至 加 熱 組 的 長(zhǎng) 度 已 知， 但 我 們 必 須 考 慮 連 接 件 的 摩 擦 阻 力， 通 常 稱(chēng) 為 等 效 管 長(zhǎng) 度， 例 如 將 一 個(gè) 球 形 閥 等 效 于 多 少 米 長(zhǎng) 的 直 管 道。 如 果 已 知 管 道 的 尺 寸， 則 可 以 計(jì) 算 連 接 件 等 效 的 阻 力。 但 實(shí) 際 上 管 道 口 徑 不 知 道， 則 必 須 給 連 接 件 一 個(gè) 系 數(shù)。 簡(jiǎn) 而 言 之，100 m 長(zhǎng) 的 直 管 道， 可 以 考 慮

22、10% 的 連 接 件 等 效 長(zhǎng) 度。同 樣 是 直 管 道， 如 果 長(zhǎng) 度 較 短， 則 可 以 考 慮 更 多 的 連 接 件 等 效 長(zhǎng) 度， 例 如 20%。在 本 實(shí) 例 中， 屬 于 第 一 類(lèi)， 長(zhǎng)195 m， 增 加10% (19 m) 的 等 效 長(zhǎng) 度， 則 總 長(zhǎng) 度 為 = 214 m。蒸 汽 流 率我 們 必 須 考 慮 一 定 的 余 量， 即 由 于 蒸 汽 主 管 的 輻 射 散 熱 引 起 的 損 失。 加 熱 組 的 蒸 汽 用 量 為 270 kg/h， 主 管 必 須 輸 送 這 些 質(zhì) 量， 同 時(shí) 加 上 管 道 輻 射 損 失 引 起 的 蒸

23、汽 冷 凝 量。 因 為 蒸 汽 管 道 的 口 徑 尚 未 確 定， 因 此 無(wú) 法 精 確 計(jì) 算， 如 果 管 道 絕 熱， 則 假 定 每 30m 有1 的 輻 射 損 失。 在 本 例 中：則 鍋 爐 的 蒸 汽 流 率 = 270 + 7.1% = 289 kg/h根 據(jù) 壓 力 因 子 圖，7 bar 時(shí) P1 = 56.386.6 bar時(shí) P2 = 51.05并 且 等 效 長(zhǎng) 度 L = 214 m因 此：根 據(jù) 管 道 流 量 和 壓 力 降 因 子 表， 壓 力 降 因 子 F 為 0.025 時(shí)：40 mm 口 徑 的 管 道 容 量 為 209.8 kg/h50 m

24、m 口 徑 的 管 道 容 量 為 459.7 kg/h 因 此 管 道 必 須 選 擇 50 mm。 選 擇 蒸 汽 主 管 時(shí)， 如 果 剛 好 能 滿(mǎn) 足 額 定 的 容 量 要 求， 則 不 是 好 的 選 擇， 應(yīng) 該 留 用 一 定 的 余 量， 以 補(bǔ) 償 設(shè) 計(jì) 誤 差 和 以 后 設(shè) 備 擴(kuò) 容 的 需 要。 如 果 計(jì) 算 的 F 值 為 表 中 的 中 間 值， 雖 然 沒(méi) 有 完 全 的 線 性 關(guān) 系， 但 通 過(guò) 插 值 計(jì) 算 具 有 一 定 的 精 度。 表 中 顯 示 的 數(shù) 據(jù) 為 標(biāo) 準(zhǔn) 口 徑 的 容 量。 讓 我 們 再 進(jìn) 行 速 度 校 驗(yàn)。 我 們 已 經(jīng) 說(shuō) 明 圖 中 y 的 速 度 因 子 是 基 于 蒸 汽 比 容 為 1 m3/kg。對(duì) 于50 mm 的