蒸汽管道評價指標及計算方法

張佳佳，沈陽

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

蒸汽管道評價指標及計算方法

張佳佳，沈陽

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

針對電廠供熱工程改造的實際情況，介紹了供熱蒸汽管道的一些常用熱力評價指標及計算方法，闡述了評價蒸汽管道的試驗方法及對蒸汽壓降及溫降的修正計算。

蒸汽管道；熱力性能指標；試驗修正

0 引言

城市集中供熱是城市基礎(chǔ)設(shè)施之一，具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量的優(yōu)點，有利工業(yè)生產(chǎn)和人民的生活，具有較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

許多電廠對機組進行改造，增加對外的供熱，以增加經(jīng)濟效益。結(jié)合電廠的位置及與用戶的距離，火電廠的供熱改造大都以供熱管道的形式，即從機組設(shè)定的抽汽口抽出蒸汽，經(jīng)過壓力、溫度調(diào)節(jié)后，通過一根蒸汽管道引至用戶。

供熱蒸汽管道投產(chǎn)后，需要對蒸汽管道進行施工驗收及評價。目前相關(guān)規(guī)范及資料對供熱管網(wǎng)的評價及驗收主要是管道的保溫厚度[1]或管道的支架等是否符合要求，對壓降、溫降、熱損失等一些熱力指標涉及較少，且無可參考的計算及修正方法，給蒸汽管道的熱力性能評價帶來難度。

以下主要介紹蒸汽管道的主要熱力指標及現(xiàn)場測試方法、計算及修正方法等，給蒸汽管道的施工驗收提供參考。

1 蒸汽管道主要熱力指標[2-3]

蒸汽管道的熱力指標主要是用于評價其熱損失。蒸汽管道的熱損失通常包括三部分[2]，第一部分是在輸送過程中，由于管道散熱導(dǎo)致的熱損失，有兩種形式，一是蒸汽焓值的降低，二是管道散熱導(dǎo)致在沿途出現(xiàn)凝結(jié)水，管網(wǎng)負荷大，蒸汽流量大，則產(chǎn)生的凝結(jié)水少，管網(wǎng)負荷小，蒸汽流量小，則產(chǎn)生的凝結(jié)水多；第二部分是沿途管道及附件跑冒造成的，這種熱損失隨機因素很多，跟管道的施工質(zhì)量、使用時間、管道附件的嚴密性等多種因素有關(guān)，無法定性的計算，只能根據(jù)管網(wǎng)漏損率來估算；第三部分是換熱站內(nèi)凝結(jié)水熱損失，對于單純的蒸汽供熱管網(wǎng)，不存在此項。蒸汽管網(wǎng)的熱力評價指標主要有以下幾個:管道溫降、管道壓降、管道泄漏率、管道熱損失率、管道保溫效果。另外，蒸汽用戶對蒸汽的壓力及溫度有要求，在汽源參數(shù)發(fā)生變化的情況下，需要保證用戶處的蒸汽壓力及溫度保持穩(wěn)定，因此，蒸汽管網(wǎng)的熱力指標還需包括供熱系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)性能。因管道保溫效果及供熱系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)性能試驗及評價方法較為簡單，參照相關(guān)規(guī)范即可，文中不做介紹。

（1）供熱管網(wǎng)溫降

式中Δt—蒸汽管網(wǎng)的單位溫降，℃/km；

t1—蒸汽管網(wǎng)的起點溫度，℃；

t2—蒸汽管網(wǎng)的終點溫度，℃；

L—蒸汽管道長度，km。

對于蒸汽管段j建立熱平衡方程組[4]:

根據(jù)以上方程組得到蒸汽管網(wǎng)的溫降:

式中Δtj—管段j的溫降，℃；

Qjs—管段j蒸汽熱量損失，kJ；

Qjys—管段j蒸汽散熱量損失，kJ；

β—局部散熱損失修正系數(shù)，根據(jù)具體情況取0.2-0.8；

Gj—管段j內(nèi)蒸汽流量，kg/s；tjm—管段j起始端溫度，℃；tjn—管段j終端溫度，℃；

qjcs—管段j單位長度散熱量，W/m。

式中t0—管道內(nèi)蒸汽溫度，℃；

ta—外界環(huán)境溫度，℃；

λ—保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

D0—保溫層外徑，m；

Di—保溫層內(nèi)徑，m；

aw—外保溫層對空氣的換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

其中v—風速，m/s；

Lj—管段j的長度，m；

Cjp—管段j內(nèi)蒸汽的平均定壓比熱，取

則修正至另一工況的溫降為:

式中α風速—與風速相關(guān)的修正系數(shù)；

α導(dǎo)熱—與保溫材料相關(guān)的修正系數(shù)。

（2）供熱管道壓降

管道的壓力降按下式計算:

式中ΔP—蒸汽管網(wǎng)的單位壓降，M Pa/km；

P1—蒸汽管網(wǎng)的起點壓力，M Pa；

P2—蒸汽管網(wǎng)的終點壓力，M Pa。

蒸汽管網(wǎng)壓降計算公式如下:

式中ω—介質(zhì)的平均計算流速，m/s；

ρ—介質(zhì)的平均密度，kg/m3；

λ—摩擦阻力系數(shù)；

d—管道內(nèi)徑，m m；

Σζ—局部阻力系數(shù)的總和；

H1、H2—起點、終點標高，m，對于蒸汽管道可不考慮；

1.15 —安全系數(shù)。

則修正到另一工況下的壓降為:

式中αλ—摩擦阻力系數(shù)修正系數(shù)。（3）供熱管網(wǎng)泄漏率

式中g(shù)—管網(wǎng)泄漏率；

Gi—管網(wǎng)起始流量，kg/h；

Gj—管網(wǎng)終點流量，kg/h。

（4）供熱管網(wǎng)熱損失率

式中q—供熱管網(wǎng)熱損失率；

hi—管網(wǎng)起始焓值，kJ/kg，由相應(yīng)壓力、溫度計算；

hi—管網(wǎng)終點焓值，kJ/kg，由相應(yīng)壓力、溫度計算。

修正到另一工況下的熱損失率為:

式中q修正—供熱管網(wǎng)熱損失率；

Gi修正—修正工況下管網(wǎng)起始流量，kg/h；

hi修正—修正工況下管網(wǎng)起始焓值，kJ/kg，由相應(yīng)壓力、溫度計算；

Gj修正—修正工況下管網(wǎng)終點流量，kg/h；

hj修正—修正工況下管網(wǎng)終點焓值，kJ/kg，由相應(yīng)壓力、溫度計算。

2 計算案例

2.1 電廠供熱管道基本情況

某火力發(fā)電廠對機組進行改造，外供一根蒸汽管道向城區(qū)供熱，主要參數(shù)見表1。

表1 蒸汽管道初始參數(shù)

2.2 主要試驗過程

蒸汽管網(wǎng)的起始點及終點壓力、溫度、流量采取符合要求的表計進行測量，蒸汽的性質(zhì)計算采用國際公式化委員會IFC97水蒸氣性質(zhì)公式進行計算。

2.3 試驗實測數(shù)據(jù)

見表2。

表2 試驗實測數(shù)據(jù)

2.4 計算結(jié)果

（1）α風速的計算

因風速的大小影響保溫層與外界的換熱系數(shù)，進而影響蒸汽管道的散熱及溫降，無法直接通過公式進行修正，此處采用數(shù)據(jù)擬合的方式進行計算，獲得的擬合公式為:

式中y—單位長度散熱量，W/m；

x—風速，m/s。

由此擬合公式計算實測風速及參考風速下的單位長度散熱量，兩者差別為0.05%，故不考慮風速對散熱的影響，α風速取1。

（2）α導(dǎo)熱的計算

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)境溫度相關(guān)，取多個環(huán)境溫度，分別進行計算，擬合公式如下:

式中x′—環(huán)境溫度，℃。

由擬合公式計算出實測環(huán)境溫度及參考環(huán)境溫度下的單位長度散熱量，兩者差別為4.3%，需考慮保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化對散熱的影響，經(jīng)計算，此處α導(dǎo)熱取1.045。

（3）αλ的計算

當管道參數(shù)不變時，摩擦阻力系數(shù)的計算與管道內(nèi)流體狀態(tài)相關(guān)，流動狀態(tài)不同時，計算方法也不同，結(jié)合相關(guān)參數(shù)，計算得到試驗工況下流體處于紊流粗糙管過渡區(qū)，相應(yīng)的計算公式為:

式中qv—質(zhì)量流量，kg/s；

v—介質(zhì)的比容，m3/kg；

?—管壁絕對粗糙度，m。設(shè)計工況下流體處于紊流粗糙管平方阻力區(qū)，相應(yīng)的計算公式為:

式中d—管道內(nèi)徑，m。

將以上數(shù)據(jù)代入相關(guān)計算公式中，得到試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗計算結(jié)果

3 結(jié)語

（1）由計算公式及修正結(jié)果可以得到，蒸汽管道的溫降與蒸汽溫度和外界環(huán)境的溫差成正比，與蒸汽流量及定壓比熱容成反比，風速變化對溫降的影響較小，可忽略不計，環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致保溫材料與外界的換熱系數(shù)發(fā)生變化，對溫降有一定的影響，需考慮該因素。

（2）蒸汽管道的壓降與蒸汽的密度成正比，與流量的平方成正比，且受流量的影響較大；管內(nèi)流體狀態(tài)的變化，對管道摩擦阻力系數(shù)影響較大，進而影響壓降，需根據(jù)實際情況進行計算。

（3）在評價蒸汽管道的熱力性能時，為了獲得更為準確的結(jié)果，應(yīng)調(diào)節(jié)供熱起點的壓力、溫度，盡可能接近設(shè)計值，以減少誤差的存在。

[1]CJJT185 2012，城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)規(guī)范[S].

[2]孫玉寶，等.濟南市集中供熱蒸汽管網(wǎng)熱損失的調(diào)查及分析[J].區(qū)域供熱，2006，（3）:29-37.

[3]張紅玉.天津空港加工區(qū)蒸汽管網(wǎng)仿真[D].天津:天津大學，2010.

[4]劉運雷.蒸汽管網(wǎng)散熱損失計算分析與負荷預(yù)測研究[D].天津:天津大學，2009.

[5]DLT 5054 2016，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范[S].

Evaluation Index and Calculation Method of Steam Pipeline

ZHANG Jia-jia，SHEN Yang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In the lightofthe actualsituation ofheatsupply engineering in powerplant，som e com m only used therm al evaluation index and calculation m ethod ofthe steam pipe is introduced.This paperexpounds the evaluation testm ethod of steam pipeline and the revised calculation ofsteam pressure drop and tem perature drop.

steam pipe；therm al perform ance indicators；test correction

TM 621.7

B

2095-3429（2017）02-0038-04

2017-03-13

修回日期:2017-03-30

張佳佳（1987-），男，安徽亳州人，碩士，工程師，主要從事發(fā)電技術(shù)研究；

沈陽（1982-），男，河南平頂山人，本科，主要從事發(fā)電技術(shù)研究。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.009