環狀低壓蒸汽管網凝液產生的分析與研究

秦志英 格蘭富水泵(上海)有限公司 上海 200120

蒸汽作為一種熱能載體, 被廣泛應用于石油、化工、造紙、橡膠、電力等工業領域中。由于環境溫度較低，蒸汽管網會有熱量損失。裝置中，由蒸汽源輸送至蒸汽管網的蒸汽通常為過熱蒸汽，如果管道損失的熱量超過設計值，則會有部分過熱蒸汽冷凝成近乎同溫同壓下的飽和凝結水，所損失的熱量可達蒸汽全熱量的20%～30%[1]。為滿足節能減排的需要，同時，為避免蒸汽管線底部的凝結水引起水擊，必須對全廠管線的凝液進行回收以避免管道內凝結水的積存?；厥蘸蟮哪和ㄟ^專設的凝液回收總管送至相關區域的回收裝置，在進行凈化處理后作為給水送至鍋爐，以實現節水、節能的清潔生產。

過熱蒸汽在輸送過程中隨著管道外側與周圍環境不斷散熱，沿管道長度方向過熱蒸汽溫度逐漸降低。而過熱蒸汽在管道中是否發生相變冷凝，取決于管道內壁面溫度是否低于過熱蒸汽壓力下的飽和溫度。當過熱蒸汽溫度降低至其飽和溫度時，管道產生冷凝液。對于環狀蒸汽管線，由于過熱蒸汽沿管長方向的溫度變化計算比較復雜，所以判斷蒸汽管線是否會產生凝液比較困難。本文將介紹一種比較簡便的方法來判斷環狀蒸汽管線是否會產生凝液。

1 計算方法

通過計算整個環狀管網各管線的最大熱損失量和分析各管線中正常蒸汽流量以及最小蒸汽流量，引入管線熱損失率的概念來評估凝液產生的可能性。本文采用各管線沿程熱損失量累計的方式來表征蒸汽沿程過熱度的降低。管線熱損失率是管線的最大熱損失量與入口過熱蒸汽和飽和蒸汽之間的焓差的比值。若該比值小于1，說明管線內蒸汽仍具有一定的過熱度，從而判斷出管線內的蒸汽溫度高于蒸汽壓力下的飽和溫度，不會有凝液產生。

1.1 管線最大熱損失量的計算

每段管線在空氣中的熱損失采用以下公式進行計算[2]。

(1)

q=πD1Q

(2)

式中，Q為以每平方米絕熱層外表面積表示的熱損失量W/m2;q為以每米管道長度表示的熱損失量W/m;T0-為管道或設備的外表面溫度℃；Ta為環境溫度℃；αs為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數W/(m2·K);λ為絕熱材料在平均溫度下的導熱系數W/(m·K);D0為管道或設備外徑);D1為絕熱層外徑m。

1.2 管線熱損失率的計算

引入熱損失率的概念來評估低壓蒸汽的過熱度余量。

(3)

Q′=qXL

(4)

式中，l為各管線熱損失率;Q′為各管線熱損失量，kW;L為各管線長度， m;F為各管線流率，kg/s;Ein為各管線輸入的蒸汽焓值，kJ/kg;Esat為各管線輸入的蒸汽在飽和狀態下的焓值(忽略管線壓力降)，kJ/kg。

若計算所得熱損失率小于100%，說明該蒸汽管線的蒸汽在熱損失后仍處在過熱狀態，不會有凝液產生。熱損失率越小，則凝液產生的幾率就越小。

對于環狀管網，其優點是具有很高的供蒸汽的后備能力。當管網中的某處出現故障時，可以通過關閉切斷閥切出故障段后，通過環狀管網由另一方提供蒸汽，確保不會發生大面積的停蒸汽工況。所以，在設計過程中，包括管線的定尺、冷凝液回收方案設計等，都需要考慮環狀管網某處出現故障需要斷環的工況。所以，分別計算正常不斷環工況和斷環工況下的各管線的熱損失率是必要的。

2 計算舉例

以某項目為例，通過計算來評估此項目中環狀的過熱低壓蒸汽管網是否會產生凝液。低壓蒸汽的操作條件及過熱度見表1。

表1 低壓過熱蒸汽操作條件表

其中蒸汽地焓值來自于PRO/II 9.3, 采用的物性方法是NRTL。

2.1 管線最大熱損失量的計算

環形低壓蒸汽管網的流程簡圖及管線號見圖1。蒸汽用戶分布在環形管網周圍。L01～L02是管線編號。以L01為例，N: 40t/h，是指在正常不斷環的工況下，流經L01管線的流量是40t/h。M：25t/h, 是指在斷環工況下(僅考慮一條管線故障或失效，不考慮多重失效)，即在L02、L03、L04、L05、L06、L07、L08分別故障或失效的工況下，計算在上述7種工況下，流經L01的流量，并取最小值。所有流量均為采用AFT Fathom 11軟件計算所得。

圖1 環形低壓蒸汽管網的流程簡圖

各管線熱損失量計算結果見表2。

表2 各管線熱損失量表

2.2 管線熱損失率的計算

首先，分析不斷環正常工況。此工況下各管線流量見圖1。隨著蒸汽由蒸汽發生器(鍋爐或廢熱鍋爐)送入環形管網，由于沿程的熱量損失，蒸汽在管網內的過熱度會因與蒸汽源的距離不同而發生變化，離蒸汽發生器越遠的管道，管線內蒸汽的過熱度越低，越容易產生凝液。采用各管線沿程熱損量失累計的方式表征蒸汽沿程過熱度的降低。各管線沿程累計的熱損失量計算結果見表3。

表3 正常工況下各管線熱損失量表

其次，分析斷環工況。根據圖1，蒸汽發生裝置輸送蒸汽至L05管線，蒸汽經由L05管線輸送至全網，實現給全廠蒸汽用戶輸送蒸汽的目的。根據初步分析，當C1或C2被切斷時，環狀管網被切成支狀管網且管網總長達到最長，意味著末端管段的管線熱量損失達到最大，最易產生蒸汽凝液。各管線最大熱量損失量及對應工況見表4。

表4 各管線最大熱量損失量及對應工況表

根據管線熱損失率計算公式，各管段流量F值越小，l值就越大，蒸汽管網產生冷凝液的可能性就越大。基于保守考慮，需要計算各管線流量最小時的管線最大熱損失率。通過對斷環以及用戶間歇或連續操作的分析，得出各管線上的最小管線流量見圖1。

基于以上分析，分別計算兩種工況下的各管線熱損失率l，結果見圖2、圖3。

圖2 不斷環正常工況下各管線熱損失率

圖3 斷環工況下各管線最大熱損失率

3 結語

對于低壓蒸汽的環狀管網，引入管線熱損失率l的概念來計算評估管線產生凝液的可能性的方法是可行的。l值越小，凝液產生的幾率就越小。在示例項目中，不斷環的正常工況下，不會有冷凝液產生。但考慮到事故工況，對斷環工況進行分析計算，結果表明有62.5%的管線有可能產生凝液。本評估方法對蒸汽管網是否設置凝液回收系統具有一定的指導意義。