基于蒸汽密度變化的長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)探索

李廣儒

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在生產(chǎn)中使用到加熱工藝的情況越來(lái)越多。部分加工車間為了滿足整條流水線的作業(yè)需求，將加熱蒸汽管道修建的很長(zhǎng)，這樣一來(lái)，高溫蒸汽由于流速的提升，管道內(nèi)的蒸汽密度就會(huì)降低，難以起到較好的加熱效果，不利于生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。文章從石油化工企業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，探討了長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，充分考慮到了模型的散熱性、經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，并結(jié)合實(shí)例對(duì)長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的可行性進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在最佳的蒸汽流動(dòng)速度，且速度值與蒸汽壓力值、密度值呈反比。希望能以此為石油化工企業(yè)節(jié)省資金、獲得最佳供熱效果提供必要的幫助與啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：蒸汽密度變化；長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道；優(yōu)化設(shè)計(jì)

提供加熱蒸汽是過(guò)程工業(yè)企業(yè)中蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的主要任務(wù)，因此企業(yè)的蒸汽管道一般都比較長(zhǎng)。在長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)手冊(cè)中，公稱直徑在0.1米到0.2米之間的管道，其過(guò)熱蒸汽的流速一般在30米/秒到50米/秒范圍內(nèi)。當(dāng)蒸汽管道的公稱直徑超過(guò)0.2米時(shí)，過(guò)熱蒸汽的流速則在40米/秒到60米/秒范圍內(nèi)。在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，加熱不僅會(huì)導(dǎo)致蒸汽管道散熱損失的增加，同時(shí)也可能導(dǎo)致蒸汽飽和溫度的下降。此外，如果蒸汽管道比較長(zhǎng)，壓降與密度的變化量也會(huì)隨之增加，在優(yōu)化時(shí)需要予以重視。

1 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先需要建立以管道年度總花費(fèi)為目標(biāo)函數(shù)的模型，并以蒸汽的最佳流速以及保溫層厚度為基礎(chǔ)。模型一共可以分為四個(gè)組成部分，分別是摩擦壓降損失所造成的費(fèi)用C？駐P、散熱時(shí)溫度的降低所造成的費(fèi)用C？駐t、管道材料的年維修費(fèi)用Ceq1以及管道保溫材料的年維修費(fèi)用Ceq2。之所以使用、以上數(shù)據(jù)是因?yàn)樗麄兌伎梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得到，因此目標(biāo)函數(shù)變得更加簡(jiǎn)潔。

如果實(shí)際的生產(chǎn)工藝是通過(guò)將工藝裝置中所產(chǎn)生的蒸汽送到汽輪機(jī)組用以發(fā)電，那么以上公式中的G就是定值，只需要對(duì)上式中的管道內(nèi)經(jīng)以及保溫層厚度進(jìn)行優(yōu)化即可；如果實(shí)際的生產(chǎn)工藝是將蒸汽送至工藝用的汽輪機(jī)中，那么驅(qū)動(dòng)功率就是定值，汽輪機(jī)的發(fā)電功率Pt與蒸汽流量之間呈線性關(guān)系：Pt=At+Bt·G

上式中，At以及Bt均為已知系數(shù)。

2 該優(yōu)化模型的實(shí)際應(yīng)用效果分析

有一煉油廠，主要以余熱鍋爐來(lái)生產(chǎn)蒸汽并將其輸送到2千米遠(yuǎn)的汽輪機(jī)中用來(lái)發(fā)電。

由于該煉油廠蒸汽輸送所使用的管道之間為非連續(xù)性變化，因此本次選定五種管徑進(jìn)行計(jì)算，得到五種不同的工況，分別計(jì)算每種不同工況所需要的蒸汽流量G。優(yōu)化過(guò)程中所取微元段內(nèi)的蒸汽物性假設(shè)不發(fā)生變化，需要從起始段開始計(jì)算水蒸氣的物性參數(shù)，具體可以參照工業(yè)計(jì)算模型所提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。得到水蒸氣的物性參數(shù)之后，計(jì)算所取微元段內(nèi)的溫降以及壓降，以得到下一微元段的起始溫度和壓力，這樣重復(fù)計(jì)算直到最后一段。本次優(yōu)化將蒸汽管不到共劃分為40個(gè)微元段，只需要較短的時(shí)間就可以初步確定最佳的保溫層厚度以及最佳管徑的范圍，然后通過(guò)增加微元段數(shù)量的方式逐漸縮小范圍。利用該方法得到確切的最佳保溫層厚度以及最佳管徑之后再進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果不會(huì)發(fā)生變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離供熱蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行進(jìn)一步探討分析可知，蒸汽管道的直徑大小與低壓蒸汽在通過(guò)管道時(shí)的流速具有直接關(guān)聯(lián)。若管道直徑過(guò)小，則蒸汽流速減緩；若蒸汽管道的公稱直徑處于10cm-20cm之間時(shí)，過(guò)熱蒸汽的流動(dòng)速度可以提升到20m/s左右；當(dāng)蒸汽管道的公稱直徑超過(guò)20cm時(shí)，過(guò)熱蒸汽的流動(dòng)速度甚至可以達(dá)到35m/s。技術(shù)人員在參與設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到管道內(nèi)蒸汽密度的變化情況與生產(chǎn)裝置的彈性值，從實(shí)際出發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出建設(shè)性意見，發(fā)現(xiàn)不足之處后應(yīng)該及時(shí)做出調(diào)整，以獲得最佳設(shè)計(jì)模型，最大程度上滿足生產(chǎn)過(guò)程中的供熱需求，將其進(jìn)一步推廣使用。

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