化工廠動(dòng)力島蒸汽管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)與優(yōu)化計(jì)算

張智超

摘 要：化工廠動(dòng)力島主蒸汽管道由于其高溫高壓的特點(diǎn)在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個(gè)動(dòng)力島的設(shè)計(jì)質(zhì)量及運(yùn)行維護(hù)。同時(shí)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(jié)合自己參與設(shè)計(jì)的實(shí)際工程，分析了蒸汽管道設(shè)計(jì)中的要點(diǎn);并通過計(jì)算優(yōu)化，實(shí)例分析蒸汽管道如何確定材質(zhì)、管徑，并做了投資回報(bào)的對(duì)比，希望能對(duì)日后的設(shè)計(jì)工作中提供一些借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：蒸汽管道;設(shè)計(jì)要點(diǎn);優(yōu)化計(jì)算

化工廠動(dòng)力島主蒸汽管道由于其高溫高壓的特點(diǎn)在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個(gè)動(dòng)力島的設(shè)計(jì)質(zhì)量及運(yùn)行維護(hù)。同時(shí)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(jié)合自己參與設(shè)計(jì)的實(shí)際工程，分析了蒸汽管道設(shè)計(jì)中的要點(diǎn);并通過計(jì)算優(yōu)化，實(shí)例分析蒸汽管道如何確定材質(zhì)、管徑，并做了投資回報(bào)的對(duì)比，希望能對(duì)日后的設(shè)計(jì)工作中提供一些借鑒和幫助。結(jié)合筆者參與設(shè)計(jì)的實(shí)際工程，某煤制烯烴項(xiàng)目。其動(dòng)力島規(guī)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(tǒng)。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(qū)供烯烴分離壓縮機(jī)透平和空壓機(jī)透平使用。為了保證系統(tǒng)安全可靠，母管上裝有兩臺(tái)串聯(lián)的分段閥，以便系統(tǒng)檢修或某段出現(xiàn)事故時(shí)另一區(qū)段正常運(yùn)行。

1 蒸汽管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在前期設(shè)計(jì)主蒸汽管道的過程中，要根據(jù)用戶對(duì)蒸汽的實(shí)際需求量，計(jì)算選取對(duì)應(yīng)的管道直徑，當(dāng)蒸汽管道的直徑過小時(shí)，蒸汽的流動(dòng)速度非?？?，則壓降增大會(huì)導(dǎo)致蒸汽使用點(diǎn)壓力不達(dá)標(biāo);如果設(shè)計(jì)的蒸汽管道直徑過大，就會(huì)增加資金投入，且流速過慢會(huì)提高管道的熱損失，冷凝水量也會(huì)有很大增加。所以，在設(shè)計(jì)蒸汽管道管徑時(shí)，要根據(jù)實(shí)際流速、流量和壓力進(jìn)行選擇，確保管徑合理化，從而保證蒸汽管道工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化和技術(shù)合理化。

計(jì)算管徑，首先要確定蒸汽流量。在本項(xiàng)目，單臺(tái)鍋爐的額定蒸發(fā)量為240t/h，參數(shù)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(jì)算中考慮在鍋爐房內(nèi)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(wěn)定，往往考慮設(shè)置備用鍋爐或者汽源，故本項(xiàng)目鍋爐為三開一備?？紤]全負(fù)荷情況，在鍋爐房內(nèi)集汽集箱至鍋爐母管蒸汽管道流量為240t/h，鍋爐房內(nèi)母管最大流量為720t/h，送出界區(qū)外兩根母管最大流量為360t/h。

將以上數(shù)據(jù)分別代入公式（1）中進(jìn)行計(jì)算，得出管道的計(jì)算管內(nèi)徑范圍分別為：①集汽集箱至母管：225mm～275mm;②鍋爐房內(nèi)母管：388mm～475mm;③蒸汽去外管：275mm～336mm。

鍋爐房內(nèi)蒸汽管道流速選取為40m/s，界外管道由于本項(xiàng)目裝置規(guī)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(dāng)降低（第三小節(jié)將對(duì)蒸汽管道進(jìn)行詳細(xì)）。根據(jù)以上內(nèi)徑的計(jì)算結(jié)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(yōu)化的實(shí)例計(jì)算

上文提及的工程為例，本工程主蒸汽系統(tǒng)，管道材質(zhì)為12Cr1MoVG。本項(xiàng)目空分界區(qū)要求進(jìn)入蒸汽參數(shù)額定工況為9.0±0.49MPaG，溫度為533℃（+5℃，-10℃）?，F(xiàn)假定進(jìn)入空分界區(qū)的蒸汽參數(shù)為9.1MPaG，溫度為533℃。假設(shè)鍋爐集汽集箱出口蒸汽流量240t/h，壓力和溫度由用戶處經(jīng)過計(jì)算反推。經(jīng)過管道的水力學(xué)計(jì)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(qū)至空分界區(qū)的蒸汽壓降0.15MPa，溫降2.5℃。故鍋爐集汽集箱出口蒸汽參數(shù)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(qiáng)度馬氏體耐熱鋼。目前，我國已研制出該鋼種并納入GB5310標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的許用應(yīng)力約為54MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12Cr1MoVG。在管道設(shè)計(jì)中，參見上文的管道壁厚計(jì)算公式，許用應(yīng)力越高，在相同的蒸汽參數(shù)下，材質(zhì)為P91的管道壁厚要薄于12Cr1MoVG，更有利于管道的加工運(yùn)輸和施工。P91的線膨脹系數(shù)小于12Cr1MoVG，管道的熱應(yīng)力及位移更小，補(bǔ)償彎曲半徑更小，對(duì)于設(shè)計(jì)管道布置及管機(jī)專業(yè)的應(yīng)力計(jì)算也是有利的。

3 結(jié)論

（1）主蒸汽管道的設(shè)計(jì)中，有很多需要注意和進(jìn)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(diǎn)內(nèi)容，也是個(gè)人設(shè)計(jì)工作的一個(gè)總結(jié)。要做好主蒸汽管道的設(shè)計(jì)配管，還需要掌握更多的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，吸取更多的工程經(jīng)驗(yàn)，不斷地進(jìn)行優(yōu)化，確保生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

（2）對(duì)于業(yè)主來說，當(dāng)主蒸汽參數(shù)為9.8MPa，540℃時(shí)，鍋爐房（動(dòng)力島）主蒸汽管道設(shè)計(jì)流速可以選取40m/s，材質(zhì)12Cr1MoVG是經(jīng)濟(jì)適用的。當(dāng)化工廠自備熱電站，且熱電站規(guī)模較大時(shí)，管道材質(zhì)選用P91是經(jīng)濟(jì)適用的。

（3）當(dāng)蒸汽量較大且用汽裝置較遠(yuǎn)時(shí)，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(jìn)汽參數(shù)。管徑計(jì)算和材質(zhì)的選擇，需要綜合比較管道重量，土建造價(jià)，配管研究，施工費(fèi)用等使得初投資和運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)比。

（4）本論文僅從工藝及管道角度結(jié)合某實(shí)際工程出發(fā)進(jìn)行論述和計(jì)算，難免有局限性。

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