大型隔壓站設計要點

于洪浩, 劉雪冬, 李 飛, 許國春, 李舒婷, 張雯雯

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司第一設計研究院，天津300381)

1 概述

隨著我國城市的發展，城市供熱規模不斷擴大，太原、銀川、石家莊、鄭州等多座城市選擇遠郊(甚至相鄰城鎮)熱電廠向市區長距離輸送熱量，作為城市熱源的解決方案。長輸熱網的路由一般比較復雜，高差變化大，水力坡度線長，水力工況復雜，多采用2.5 MPa設計壓力等級。市區熱網設計壓力通常為1.6 MPa，為保證市區供熱系統安全運行，降低長輸熱網對市區熱網的影響，宜采用隔壓站連接。

與小型隔壓站相比，長輸熱網隔壓站的規模比較大(換熱規模1 000 MW以上)，而且板式換熱器設置數量多，管道口徑大，換熱端差小[1]。本文結合工程實例，對長輸熱網隔壓站的設計要點進行探討。

2 工程概況

① 工程概況

鄭州某長輸熱網隔壓站設計換熱能力為1 200 MW，長輸熱網設計壓力為2.5 MPa，設計供、回水溫度為130、55 ℃，設計質量流量為17 200 t/h，管道規格為DN 1 600 mm。市區熱網設計壓力為1.6 MPa，設計供、回水溫度115、50 ℃，設計質量流量為17 200 t/h，管道規格為DN 1 600 mm。隔壓站允許占地尺寸為63 m×31 m。

② 隔壓站工藝流程

隔壓站工藝流程見圖1。長輸熱網供水依次經過旋流除污器、螺旋除污器、快速除污器后進入板式換熱器一級側，與市區熱網回水換熱降溫后返回熱源。市區熱網回水經旋流除污器、螺旋除污器、循環泵、快速除污器后進入板式換熱器二級側，與長輸熱網供水換熱升溫后作為市區熱網供水。

圖1 隔壓站工藝流程1、8.旋流除污器 2、7.螺旋除污器 3、5.快速除污器4.板式換熱器 6.循環泵

③ 設備選型

換熱機組采用多臺換熱器串并聯方案。由2臺換熱器串聯，組成一個換熱組。每4個換熱組并聯為1個換熱陣列，站內共有4個換熱陣列，共計32臺換熱器。單臺換熱器額定換熱量為40 MW。

循環泵設置在換熱器二級側回水管道，5臺循環泵并聯運行，單臺循環泵質量流量為4 200 t/h，單臺循環泵電機功率為2 000 kW，設計揚程為130 m。

3 設備及管道布置

由于用地限制，隔壓站占地面積僅為63 m×31 m，采用單層布置是不可能完成的，須采用多層布置。經過方案比較，隔壓站采用3層布置，一層布置旋流除污器、螺旋除污器、循環泵及附屬功能用房，二層布置管道，三層布置板式換熱器、快速除污器等。

一層平面布置見圖2，圖中(1 600)表示DN 1 600 mm，以此類推。一層設計層高為12.8 m，附屬功能用房布置于北側，層高6.4 m。市區熱網回水主管(DN 1 600 mm)在南側站外直埋敷設，分為5根DN 800 mm支干管進入隔壓站，分別經過旋流除污器、螺旋除污器后連接循環泵，加壓后匯集為DN 1 600 mm母管，布置在附屬功能用房頂部(夾層)。然后分為4根DN 800 mm支干管上升至二樓，分配為DN 350 mm支管進入三樓與換熱器二級側進水接口連接。換熱器二級側出水支管(DN 350 mm)下返至二層，匯集成DN 800 mm支干管，并在二層進一步匯集成DN 1 600 mm市區熱網供水主管。市區熱網供水主管由二層下返至一層后，由西側外墻出隔壓站。隔壓站內的長輸熱網供水管道、回水管道的布置方式與市區熱網回水管道、供水管道主管基本一致。循環泵旁通管規格為DN 1 200 mm。

二層設計層高為12.8 m，主要是為了解決DN 1 600、800、350 mm管道的布置問題。管道設計為上下層，下層管道沿南北方向設計，上層管道沿東西方向設計。三層設計層高為19.6 m，主要布置板式換熱器，布置方式見圖3，連接管道全部由二層接入。

圖2 一層平面布置1.旋流除污器 2.螺旋除污器 3.循環泵

圖3 三層換熱器布置方式

4 應力計算

4.1 應力計算軟件

為了保證管道安裝、運行及維修安全，采用有限元軟件Start對管子、管件的應力、換熱器接口受力、力矩進行驗算，對管道支吊架的受力進行計算。

先進行全局設置，埋地管道以CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》相關規定作為應力判別條件，架空管道以DL/T 5366—2014《發電廠汽水管道應力計算技術規程》相關規定作為應力判別條件。然后輸入管子、管件的材質、壁厚等作為計算條件，建立幾何模型，并輸入溫度、壓力等邊界條件。最后由Start軟件完成立體幾何模型建立、網格劃分及有限元計算。隔壓站市區熱網回水管道系統、市區熱網供水管道系統、長輸熱網回水管道系統、長輸熱網供水管道系統的立體幾何模型分別見圖4～7。

圖4 隔壓站市區熱網回水管道系統立體幾何模型

圖5 隔壓站市區熱網供水管道系統立體幾何模型

圖6 隔壓站長輸熱網回水管道系統立體幾何模型

圖7 隔壓站長輸熱網供水管道系統立體幾何模型

4.2 應力判別條件及壁厚

① 直埋管道

直埋管道的應力判別條件根據CJJ 81—2013第5.1.1條的相關規定執行：一次應力的當量應力不應大于鋼材的許用應力；一次應力和二次應力的當量應力變化范圍不應大于3倍鋼材的許用應力；局部應力集中部位的一次應力、二次應力和峰值應力的當量應力變化幅度不應大于3倍鋼材的許用應力。

② 架空管道

a.架空管道在工作狀態下，由內壓、自重和其他持續外載產生的軸向應力之和應符合DL/T 5366—2014式(7.3.3)給出的判別條件。

b.管系熱脹應力范圍應符合DL/T 5366—2014式(7.3.5-1)的判別條件。

③ 直管及管件的壁厚

隔壓站內DN 600 mm及以上管道材質同長輸熱網管道(材質為L360m)，130 ℃下鋼材許用應力取153 MPa。隔壓站內DN 600 mm以下管道采用Q235B材質，130 ℃下鋼材許用應力取110 MPa。管子采用螺旋縫焊接鋼管。在確定直管及管件壁厚時，隔壓站內所有管道系統的設計壓力均按2.5 MPa考慮。

根據DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計技術規定》式(5.2.1-1)、(5.2.2)、(5.2.3)按管子外徑確定管子最小壁厚，進而確定直管的計算壁厚。式(5.2.1-1)中的修正系數Y取0.4，許用應力的修正系數η取0.9。在按式(5.2.3)計算管子壁厚負偏差附加值時，壁厚允許負偏差取20%。在確定直管計算壁厚后，確定直管設計壁厚(將計算壁厚向上圓整至市場上在售的螺旋縫焊接鋼管壁厚)。對于DN 350 mm直管，在確定設計壁厚時，出于保險起見，向上圓整兩個壁厚等級。4種規格直管的外直徑、計算壁厚及設計壁厚見表1。

表1 4種規格直管的外直徑、計算壁厚及設計壁厚

彎頭采用熱壓彎頭，彎頭壁厚最薄處不小于同規格直管設計壁厚。三通采用熱壓三通成品件，壁厚按DL/T 5054—2016第5.4節補強計算方法進行核算計算，各規格三通最薄處壁厚見表2。表2中1 600-800-1 600表示主管規格為DN 1 600 mm，支管規格為DN 800 mm，以此類推。

表2 各規格三通最薄處壁厚

④ 應力判別結果

經計算發現，直管和彎頭的應力水平基本滿足判定標準，但個別三通存在不符合應力判別條件的情況。對于不符合判別條件的三通，通過披肩補強加大應力集中區域壁厚，從而滿足應力判別條件。

4.3 換熱器接口受力、力矩

從各地已運行隔壓站發生的事故來看，板式換熱器與管子接口位置容易出現撕裂，因此板式換熱器的接管設計非常重要[2]。根據NB/T 47004.1—2017《熱交換器 第1部分：可拆卸板式熱交換器》表5，該隔壓站板式換熱器接口受力、力矩在耐壓5.0 MPa等級(苛刻工況)下選取為：14 119 N、20 539 N·m。

板式換熱器接口受力、力矩應同時滿足上述要求，對于不滿足判別條件的接口，應結合管道的空間構型，通過管道柔性設計降低接口受力及力矩。該隔壓站的DN 350 mm支管連接板式換熱部位采用方形、Z形設計，所有接口受力均滿足判定要求，個別接口力矩不能滿足的，在水平管道上設置大拉桿補償器予以解決。

4.4 支吊架受力

隔壓站支架數量逾300個，采用傳統手工計算方法不僅費時，還不能保證計算精度。使用有限元計算軟件可以分別計算支吊架冷態、熱態受力，便于管道冷熱態分析。但有限元計算軟件嚴格按照模型進行計算，計算結果往往與現場實際情況存在差別。因此，宜先采用有限元軟件對模型進行計算，分別計算支吊架冷態、熱態受力。再根據現場情況，進行手工計算。比較有限元軟件與手工計算結果，取較大值作為依據。

5 結語

結合實際工程，分析大型隔壓站的設計要點，主要包括隔壓站工藝流程、設備及管道布置、應力計算等。大型隔壓站設備體型大，管道管徑大，采取三層布置雖然減小了占地面積，但是對設計、施工、檢修等提出了更高要求。