供熱管網中蒸汽過熱度對管損的影響

王　娟

(南京工程學院 能源與動力工程學院,江蘇 南京 211167)

0　引言

蒸汽溫度高于對應壓力下飽和溫度的數值稱為過熱度。蒸汽過熱度過低，蒸汽在管內流動過程中發生凝結。一般發電廠供熱工質不回收，蒸汽凝結將造成供熱管內工質的質量損失。蒸汽過熱度降低對蒸汽流量計量的準確性也產生很大影響。聯產供熱作為低能耗且仍有較大降耗空間的供熱系統，應優先重點發展[1]。供熱管網的質量損失是考核供熱機組熱網經濟性的重要指標[2]，分析蒸汽過熱對降低管損、管網規劃、制定合理營銷策略有重要意義。

1　蒸汽在管內流動的特點

蒸汽在管道內流動，流動阻力造成壓力下降,散熱損失致使溫度降低。由于蒸汽溫度、壓力的下降并不是同步的，一般溫度下降較快，而壓力相對慢些，蒸汽過熱度隨流程減小[3]。為了保證蒸汽高效傳輸，減少質量損失，管線短,蒸汽流速要適當加大；管線長，蒸汽流速要適當減小，蒸汽應在最佳流速范圍內流動[4]。

蒸汽管內同一截面上各點溫度并不相同，測點溫度要高于管道內壁溫度。當測點過熱度不高的情況下，近壁處的蒸汽溫度可能已低于對應壓力下的飽和溫度，凝結已產生。由于管內流動的復雜性，管內其它部位蒸汽也可能出現凝結。保持較大的過熱度是減少蒸汽凝結質量損失的必要條件。

2　蒸汽過熱度與供熱管道質量損失

2.1　管網概況

某廠兩臺180 MW的燃氣蒸汽聯合循環發電供熱機組，每臺蒸汽輪機在8、9級之間有一抽汽口，單臺抽汽供熱額定流量為100 t/h，最大為120 t/h，供熱抽汽壓力1.1 MPa、溫度 320 ℃。近期由于用汽量不足，總用汽量只有65 t/h左右，采用旋轉隔板調整抽汽，抽汽壓力0.8 MPa,溫度320 ℃，供熱管損達20%。

該廠廠內供熱線路如圖1所示。

圖1　廠內供熱線路圖

廠外供熱線路(南線)如圖2所示。

圖2　廠外管線南線布置圖

供熱管損率一般指供熱管道內工質的質量損失率。管損率=(供熱總表流量-各熱用戶分表流量和)/供熱總表流量×100%。管損率這一經濟指標，直接反映了供熱蒸汽在輸送過程中有效利用程度，同時也反映了熱網經營管理水平[5]。

2.2　管網試驗及管損分析

為分析管損大的原因，根據該廠管網布置情況進行現場調研，選取該廠供熱南線上的部分用戶A、B、C、D作為代表，并進行針對性試驗，運行參數如表1所示。

根據管內蒸汽壓力可查得對應壓力下的飽和溫度、管內蒸汽溫度與飽和溫度相減可得過熱度，計算結果見表1。

由表1可以看出，用戶B、用戶D末端蒸汽過熱度低，分別為28.1 ℃和8.2 ℃。現場調研證實，用戶B、用戶D的管內存在凝結水過多現象，特別是用戶D，疏水閥動作過于頻繁，凝結損失大。用戶A和用戶C，過熱度較大，自動疏水閥在試驗期間無動作。試驗說明熱度低，凝結損失大；蒸汽過熱度高，凝結損失小。過熱度直接影響供熱管網凝結質量損失。

表1　管網南線部分熱用戶試驗運行數據

由表1還可以看出，在管長基本相同情況下，由于用戶A比用戶B的用汽量大，其蒸汽過熱度遠大于用戶B?，F場手動用戶A末端的疏水閥，發現凝結水量較少。說明蒸汽流量大，過熱度高，管道質量損失小。對比用戶C和用戶B，可以發現，雖然用戶C比用戶B路線長，但由于其用汽量大，其蒸汽過熱度遠高于用戶B。說明，用汽量比管長對過熱度影響更具決定作用。

為進一步分析管損，在保障供熱母管流量、壓力不變情況下，試驗測得另外一組數據，如表2所示。

表2　管網南線部分熱用戶試驗運行數據

根據表2，用戶B和用戶D用汽量基本相當，分別為2.50 t/h和2.25 t/h。由于用戶D路線長(5.6 km)，用戶D的過熱度為僅15 ℃，低于用戶B過熱度(31.7 ℃)。說明，隨著蒸汽輸送管路的增長，蒸汽過熱度下降。

將表2中用戶的流量、過熱度與表1中對應的流量、過熱度相減，可得流量和過熱度的變化量,見表3。將過熱度變化量與流量變化量相比，得單位流量增量對應的過熱度增量，即過熱度增量變化率，如表3所示。

表3說明，隨著用汽量的上升，蒸汽的過熱度增加，用汽量下降，過熱度下降。而且，在小用汽量下，若增加流量，過熱度增加明顯(由于用戶B用汽量變化太小，考慮測量誤差因素，過熱度變化沒有實際意義)。

表3　流量變化量對過熱度變化的影響

3　蒸汽過熱度與流量的計量

該廠管網用戶末端使用渦街流量計。測量時，流量計首先測得體積流量，同時將過熱蒸汽的溫度、壓力輸送到智能儀表進行補償，求出過熱蒸汽密度，從而算出瞬時質量流量與累積質量流量。低過熱度下，實際管網中的蒸汽是過熱蒸汽、飽和蒸汽和水滴的混合物，存在蒸汽帶水現象。

對于管網中的蒸汽，若暫不考慮其過熱蒸汽成分，僅討論其中的飽和蒸汽和水滴，其密度計算式為：

(1)

式中：ρ為濕蒸汽密度；ρ′為飽和水密度；ρ″為飽和蒸汽密度；χ為飽和蒸汽含量，即干度。

可見，當干度為1時，濕蒸汽密度為飽和蒸汽密度，此時密度小；干度為0時，濕蒸汽密度為飽和水的密度，此時密度大。在低過熱度情況下，蒸汽帶水,干度小于1。由于渦街流量計不能識別水滴[6]，仍按干度為1的較小的蒸汽密度來計算質量流量，造成測量結果偏低。蒸汽含濕量越大，誤差越大。

該廠管網末端用戶含濕量嚴重，流量計量偏小；即使是非末端用戶，也存在個別用戶蒸汽含濕較大現象。質量流量計量偏小，這是造成供熱管網管損大的又一原因。

當然，該廠也存在管道連接處、閥門、附件等密封不嚴現象，這也會造成一定蒸汽泄漏增大管損，但問題不嚴重，不是主要原因。

4　結論

蒸汽過熱度是影響供熱管網質量損失的主要原因。過熱度降低，蒸汽凝結，管內質量損失增加；蒸汽攜帶凝結水，造成質量流量計計量偏小，管損進一步加大。根據熱用戶的分布情況，合理的規劃管網，減小供熱半徑，縮短供熱管長，這是減小供熱管損首要條件。對于已建設成的管網，用汽量是決定蒸汽過熱度的主要因素。因此，積極擴展熱用戶，增加用汽量，使管網在設計工況下工作，是降低管損的重要措施。對于供熱路線較長，用汽量較小的末端用戶，可以采用階梯汽價或根據具體協議進行協商采取一定的經濟補償。若管網系統長期低于設計流量下工作，可對現有管網進行改造，以避免較多的凝結損失。為避免凝結水影響蒸汽的正常流動，建議在管道的非末端處也適當設置自動疏水閥，以及時排放凝結水。蒸汽過熱度影響蒸汽質量流量的計量。應根據不同的用戶需求，采用不同精度的流量計；對于管網末端蒸汽過熱度低，流量計量偏小情況，可經雙方協商予以修正或補償。

參考文獻：

[1]李沛峰,楊勇平,戈志華,等.300MW熱電聯產供熱系統分析與能耗計算[J].中國電機工程學報，2012,32(23):15-20.

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[3]楊力.供熱管網蒸汽輸送中質量損失原因的分析及改進措施[J].區域供熱,2015(6)：30-35.

[4]魏明浩.大型、長距離輸送供熱管網的技術探討[J].區域供熱,2017(3): 100-103.

[5]高魯鋒,田貫三,丁國玉,等.蒸汽供熱管網凝結水損失的影響因素及其分析[J].能源工程,2008(1)：50-54.

[6]黃鶴,賈志卿.渦街流量計用于蒸汽流量檢測中溫度和壓力補償[J].銅業工程,2017(1):96-98.