大型化工園區(qū)蒸汽管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王英霞，黃旭東

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 華東分院，江蘇 南京 210000)

1 概述

隨著區(qū)域綠色集約發(fā)展以及安全環(huán)保集中供熱政策的推進(jìn)，企業(yè)自用燃煤供熱鍋爐正在被逐步替代。目前，關(guān)停低效率、高能耗、重污染的小型燃煤鍋爐房，集中利用熱電廠(chǎng)的優(yōu)質(zhì)汽源，逐步完善配套熱網(wǎng)成為必然趨勢(shì)。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)大型化工園區(qū)蒸汽管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。

2 工程概況

某大型化工園區(qū)內(nèi)熱電廠(chǎng)設(shè)置2臺(tái)額定發(fā)電功率200 MW的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，作為園區(qū)熱源。熱電廠(chǎng)供汽溫度為500 ℃，供汽壓力為5.3 MPa，質(zhì)量流量為200 t/h。目前，為4家化工企業(yè)供汽，蒸汽管網(wǎng)總長(zhǎng)為16.47 km，總投資約2.4×108元。

蒸汽管道平面布置(含各管段規(guī)格、長(zhǎng)度)見(jiàn)圖1。用戶(hù)1、2為預(yù)留端口，質(zhì)量流量分別為6、8 t/h。用戶(hù)3的用汽溫度不低于460 ℃，壓力為4.5 MPa，質(zhì)量流量為40 t/h。用戶(hù)4的用汽溫度不低于400 ℃，壓力為4.2 MPa，質(zhì)量流量范圍為70～86 t/h。

圖1 蒸汽管道平面布置

3 管道敷設(shè)方式與監(jiān)測(cè)

根據(jù)規(guī)劃要求、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等，蒸汽管道采取不同的敷設(shè)方式:架空敷設(shè)(支架敷設(shè)、桁架敷設(shè))、管溝敷設(shè)。對(duì)于管溝敷設(shè)段，在管溝上方設(shè)置了保溫蓋板，可使蒸汽管道外護(hù)管免受地面重物碾壓，又具有一定的保溫效果。管溝與蒸汽管道之間的空隙填充制作蒸汽管道保溫層的下腳料，提升了廢物再利用率。

為了監(jiān)測(cè)管道沿線(xiàn)溫度、壓力，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝了溫度、壓力檢測(cè)儀表，并采用太陽(yáng)能、風(fēng)能蓄電池供電，實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳。管溝敷設(shè)段安裝光纖感溫系統(tǒng)，對(duì)管溝內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)報(bào)警。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

① 管徑、壁厚

根據(jù)DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的相關(guān)要求，并考慮到供熱參數(shù)的波動(dòng)性，工作管設(shè)計(jì)溫度為510 ℃，設(shè)計(jì)壓力為5.83 MPa，直管及彎頭、三通、異徑管等管件選用12Gr1MoVG合金結(jié)構(gòu)鋼，設(shè)計(jì)溫度下鋼材彈性模量為16.3×104MPa。

結(jié)合計(jì)算管系設(shè)計(jì)質(zhì)量流量、蒸汽性質(zhì)、流速、輸送距離及允許壓降等參數(shù)，通過(guò)水力計(jì)算確定管徑。設(shè)計(jì)條件下的理論最小壁厚采取工作管外直徑控制原則[1]，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力取99 MPa，工作管許用應(yīng)力的修正系數(shù)η取1.0，修正系數(shù)Y取0.5，腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度附加厚度C取1.7 mm。由DL/T 5054—2016式5.2.1-1、5.2.2和5.2.3得到不同外直徑的工作管取用壁厚，見(jiàn)表1。

表1 不同外直徑的工作管壁厚

② 保溫層結(jié)構(gòu)

采用AFT Arrow流體動(dòng)態(tài)模擬分析軟件建立計(jì)算模型，模擬分析蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)傳熱，導(dǎo)出用戶(hù)端的蒸汽壓力與溫度，輔助管徑和保溫結(jié)構(gòu)(含保溫層厚度)的選擇。已知條件為蒸汽參數(shù)(溫度、質(zhì)量流量、壓力)、工作管參數(shù)(管材、管徑、壁厚)、保溫材料參數(shù)(熱導(dǎo)率、初始設(shè)定厚度)、室外空氣溫度等。保溫材料選取硅酸鎂纖維針刺毯、氣凝膠氈、玻璃棉。

硅酸鎂纖維針刺毯熱導(dǎo)率λm的擬合式為：

λm=4.526×10-7t2-2.741×10-6t+

3.974×10-2

氣凝膠氈熱導(dǎo)率λa的擬合式為：

λa=2.114×10-7t2-3.227×10-6t+

2.155×10-2

玻璃棉熱導(dǎo)率λg的擬合式為：

λg=7.652 29×10-10t3+

1.102 2×10-4t+2.907 1×10-2

式中λm——硅酸鎂纖維針刺毯熱導(dǎo)率，W/(m·K)

t——保溫材料使用溫度，℃

λa——?dú)饽z氈熱導(dǎo)率，W/(m·K)

λg——玻璃棉熱導(dǎo)率，W/(m·K)

采用AFT Arrow軟件，以最小質(zhì)量流量(用戶(hù)4質(zhì)量流量取70 t/h)下各用戶(hù)所需蒸汽溫度為前提，對(duì)蒸汽管道的保溫層厚度進(jìn)行驗(yàn)算，并計(jì)算蒸汽管道外護(hù)管外表面溫度進(jìn)行校核(校核條件為低于50 ℃)。對(duì)于DN 450、500 mm蒸汽管道：保溫層(由內(nèi)至外)為150 mm厚硅酸鎂纖維針刺毯、20 mm厚氣凝膠氈及200 mm玻璃棉。對(duì)于DN 250、200 mm蒸汽管道：保溫層(由內(nèi)至外)為150 mm厚硅酸鎂纖維針刺毯、20 mm厚氣凝膠氈及150 mm玻璃棉。經(jīng)AFT Arrow軟件計(jì)算，按以上保溫層設(shè)置，可滿(mǎn)足最小質(zhì)量流量下各用戶(hù)的所需蒸汽溫度。蒸汽管道外護(hù)管外表面溫度在18 ℃左右，滿(mǎn)足校核條件。

DN 500 mm蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。采用多層分段式復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，由于運(yùn)行過(guò)程中蒸汽管道上方保溫層易在重力作用下產(chǎn)生下墜，導(dǎo)致上部保溫層厚度變薄，因此在保溫層外層分別設(shè)置圓弧角分別為210°、150°的玻璃棉蓋板(厚度分別為40 mm)，以增強(qiáng)蒸汽管道頂部長(zhǎng)期的保溫效果。DN 450 mm蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)與DN 500 mm一致，DN 250、200 mm蒸汽管道保溫比DN 500 mm蒸汽管道少1層50 mm厚玻璃棉。雙層納米氣囊反射層的內(nèi)外表層均為鋁箔多層復(fù)合材料，中間層為PE聚乙烯氣囊，該種設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品具備很好的緩沖、隔熱保溫功效。

圖2 DN 500 mm蒸汽管道保溫結(jié)構(gòu)

目前，蒸汽管道外護(hù)管主要為彩鋼板(熱鍍鋅彩涂卷板)、玻璃鋼及無(wú)機(jī)鎂鋼。彩鋼板質(zhì)量輕，易成型，經(jīng)久耐用，適用范圍廣。玻璃鋼耐腐蝕性及熱性能好，但是彈性模量低，長(zhǎng)期耐溫性差，層間剪切強(qiáng)度低。無(wú)機(jī)鎂鋼適合現(xiàn)場(chǎng)施工，便于運(yùn)輸，但施工期長(zhǎng)。因此，本工程選用0.5 mm厚彩鋼板作為蒸汽管道的外護(hù)管，考慮與周邊的協(xié)調(diào)性，涂層顏色為乳白色。

采用AFT Arrow軟件對(duì)最小質(zhì)量流量(用戶(hù)4質(zhì)量流量取70 t/h)下的用戶(hù)蒸汽壓力、溫度以及最大質(zhì)量流量(用戶(hù)4質(zhì)量流量取86 t/h)下的用戶(hù)蒸汽壓力、溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2、3。由表2、3可知，保溫層厚度可滿(mǎn)足最小、最大質(zhì)量流量下各用戶(hù)的蒸汽參數(shù)需求。

表2 最小質(zhì)量流量下的參數(shù)

表3 最大質(zhì)量流量下的參數(shù)

③ 補(bǔ)償方式

本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，對(duì)蒸汽管道采取自然補(bǔ)償方式，典型的平面、空間自然補(bǔ)償方式見(jiàn)圖3、4。

圖3 典型的平面自然補(bǔ)償方式

圖4 典型的空間自然補(bǔ)償方式

④ 支座間距

依據(jù)DL/T 5054—2016第8.2節(jié)的相關(guān)規(guī)定，按照剛度、強(qiáng)度條件下支吊架最大間距的較小值作為支吊架支座允許間距。計(jì)算支吊架負(fù)荷時(shí)，硅酸鎂纖維針刺毯、氣凝膠氈及玻璃棉的密度分別取110、200、48 kg/m3。各規(guī)格蒸汽管道支吊架支座的允許間距見(jiàn)表4。

表4 各規(guī)格蒸汽管道支吊架支座的允許間距

為保證蒸汽管道、管托(分為固定、導(dǎo)向、滑動(dòng))、支座(鋼筋混凝土剛性基礎(chǔ))的安裝、運(yùn)行、維修安全及經(jīng)濟(jì)合理性，采用有限元軟件Start對(duì)管子、管件、固定支座受力進(jìn)行模擬計(jì)算。輸入管子、管件的材質(zhì)、壁厚、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等計(jì)算條件，由Start軟件完成立體幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分及有限元計(jì)算。根據(jù)支吊架支座的允許間距及模擬結(jié)果對(duì)支座間距、自然補(bǔ)償方式進(jìn)行調(diào)整，保證支座受力小于允許值。為杜絕熱橋和減小摩擦，導(dǎo)向和滑動(dòng)支架的管托底部和支架頂部分別采用4 mm厚聚四氟乙烯塊、2 mm厚不銹鋼鏡面板。

5 結(jié)語(yǔ)

園區(qū)企業(yè)用熱需求旺盛，集中熱網(wǎng)成為園區(qū)重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。該工程蒸汽參數(shù)高、沿途路由復(fù)雜、外界限制條件較多，成功竣工投產(chǎn)并安全運(yùn)行后，確保了用戶(hù)的用汽需求。