化工廠動力島蒸汽管道設計要點與優化計算

張智超

摘 要：化工廠動力島主蒸汽管道由于其高溫高壓的特點在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道設計的好壞將直接影響整個動力島的設計質量及運行維護。同時蒸汽管道又是化工廠重要的公用工程管道，要全面考慮管徑、管材、管道溫降、壓降，筆者結合自己參與設計的實際工程，分析了蒸汽管道設計中的要點;并通過計算優化，實例分析蒸汽管道如何確定材質、管徑，并做了投資回報的對比，希望能對日后的設計工作中提供一些借鑒和幫助。

關鍵詞：蒸汽管道;設計要點;優化計算

化工廠動力島主蒸汽管道由于其高溫高壓的特點在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道設計的好壞將直接影響整個動力島的設計質量及運行維護。同時蒸汽管道又是化工廠重要的公用工程管道，要全面考慮管徑、管材、管道溫降、壓降，筆者結合自己參與設計的實際工程，分析了蒸汽管道設計中的要點;并通過計算優化，實例分析蒸汽管道如何確定材質、管徑，并做了投資回報的對比，希望能對日后的設計工作中提供一些借鑒和幫助。結合筆者參與設計的實際工程，某煤制烯烴項目。其動力島規模為4x240t/h高溫高壓煤粉鍋爐，向空分裝置和DMTO裝置提供高溫高壓蒸汽。主蒸汽管道采用母管制系統。主蒸汽管道從鍋爐匯汽集箱上引出送到集中母管中，分兩路送出界區供烯烴分離壓縮機透平和空壓機透平使用。為了保證系統安全可靠，母管上裝有兩臺串聯的分段閥，以便系統檢修或某段出現事故時另一區段正常運行。

1 蒸汽管道設計要點

在前期設計主蒸汽管道的過程中，要根據用戶對蒸汽的實際需求量，計算選取對應的管道直徑，當蒸汽管道的直徑過小時，蒸汽的流動速度非常快，則壓降增大會導致蒸汽使用點壓力不達標;如果設計的蒸汽管道直徑過大，就會增加資金投入，且流速過慢會提高管道的熱損失，冷凝水量也會有很大增加。所以，在設計蒸汽管道管徑時，要根據實際流速、流量和壓力進行選擇，確保管徑合理化，從而保證蒸汽管道工程項目經濟的最優化和技術合理化。

計算管徑，首先要確定蒸汽流量。在本項目，單臺鍋爐的額定蒸發量為240t/h，參數為9.8MPa、540 ℃，蒸汽密度為28.19kg/m3。蒸汽管道，其允許的流速范圍為40～60 m/s，為保證留有一定裕量，計算中考慮在鍋爐房內蒸汽管道流速取40m/s。在化工廠中通常需保證下游供汽的穩定，往往考慮設置備用鍋爐或者汽源，故本項目鍋爐為三開一備。考慮全負荷情況，在鍋爐房內集汽集箱至鍋爐母管蒸汽管道流量為240t/h，鍋爐房內母管最大流量為720t/h，送出界區外兩根母管最大流量為360t/h。

將以上數據分別代入公式（1）中進行計算，得出管道的計算管內徑范圍分別為：①集汽集箱至母管：225mm～275mm;②鍋爐房內母管：388mm～475mm;③蒸汽去外管：275mm～336mm。

鍋爐房內蒸汽管道流速選取為40m/s，界外管道由于本項目裝置規模大，外線長度長，為保證用戶蒸汽壓力，故蒸汽管道流速可適當降低（第三小節將對蒸汽管道進行詳細）。根據以上內徑的計算結果，粗估外徑后，初步確定各段管道外徑分別為：①：Φ325mm;②：Φ450mm;③：Φ450mm。

2 管徑優化的實例計算

上文提及的工程為例，本工程主蒸汽系統，管道材質為12Cr1MoVG。本項目空分界區要求進入蒸汽參數額定工況為9.0±0.49MPaG，溫度為533℃（+5℃，-10℃）。現假定進入空分界區的蒸汽參數為9.1MPaG，溫度為533℃。假設鍋爐集汽集箱出口蒸汽流量240t/h，壓力和溫度由用戶處經過計算反推。經過管道的水力學計算得出，從集汽集箱出口至鍋爐房出廠房外母管處壓力將為0.27MPa，溫降2℃;從鍋爐房界區至空分界區的蒸汽壓降0.15MPa，溫降2.5℃。故鍋爐集汽集箱出口蒸汽參數為9.52 MPaG，溫度為537.5℃。

目前高溫高壓蒸汽管道另外一種使用較多的材料A335-P91（簡稱P91）。P91剛才屬于改良型9Cr-1Mo高強度馬氏體耐熱鋼。目前，我國已研制出該鋼種并納入GB5310標準中。主要用于制造亞臨界鍋爐壁溫≤625℃高溫過熱器、壁溫≤650℃的高溫再熱器鋼管，以及壁溫≤600℃的高溫集箱和蒸汽管道。P91在540℃時的許用應力約為54MPa，遠遠大于12Cr1MoVG。在管道設計中，參見上文的管道壁厚計算公式，許用應力越高，在相同的蒸汽參數下，材質為P91的管道壁厚要薄于12Cr1MoVG，更有利于管道的加工運輸和施工。P91的線膨脹系數小于12Cr1MoVG，管道的熱應力及位移更小，補償彎曲半徑更小，對于設計管道布置及管機專業的應力計算也是有利的。

3 結論

（1）主蒸汽管道的設計中，有很多需要注意和進一步探討研究的問題，以上所述是筆者在工作中提煉出的幾點內容，也是個人設計工作的一個總結。要做好主蒸汽管道的設計配管，還需要掌握更多的標準規范，吸取更多的工程經驗，不斷地進行優化，確保生產裝置的安全運行。

（2）對于業主來說，當主蒸汽參數為9.8MPa，540℃時，鍋爐房（動力島）主蒸汽管道設計流速可以選取40m/s，材質12Cr1MoVG是經濟適用的。當化工廠自備熱電站，且熱電站規模較大時，管道材質選用P91是經濟適用的。

（3）當蒸汽量較大且用汽裝置較遠時，推薦主蒸汽流速30～35m/s左右，可以合理的控制壓降，保證下游蒸汽用戶的進汽參數。管徑計算和材質的選擇，需要綜合比較管道重量，土建造價，配管研究，施工費用等使得初投資和運行費用達到最優經濟比。

（4）本論文僅從工藝及管道角度結合某實際工程出發進行論述和計算，難免有局限性。

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