工艺热风管道设计计算.doc

第8章 工艺热风管道设计计算热风管道设计计算是水泥厂工艺设计必不可少的组成部分，涉及了水泥生产的各个工段。本章主要内容包括：工况下的热风管道管径计算，管道阻力计算，管网阻力计算，管道重量计算，膨胀节选型计算，管道支座受力计算，收尘设备的保温计算以及不同工况下管道风速，管道壁厚的选取等内容。8.1热风管道设计计算8.1.1热风管道管径计算1一般地区对于海拔高度25m/s时，阻力大，不经济；风速15m/s时，风管壁厚应适当加大。（3）为防止大型风管的刚度变形，在其长度方向每隔2.5m增加一道加固圈，加固圈可用宽5080mm，厚度为58mm的扁钢制作。（4）风管的法兰规格、螺栓孔径、数量等均应按表中给定尺寸确定。8.1.5管道阻力计算1阻力计算公式风管系统阻力应为管道的摩擦阻力与局部阻力之和： (8-3)式中：气体与管道间的摩擦阻力系数，清洁空气入值一般为0.020.04，对含尘气体管道，当含尘浓度50g/m3时，需校正：表8-4 校正系数含尘浓度（g/m3）5050100150校正系数1.01.011.021.03L风管长度，m；管件及变径点阻力系数，见附录12；v风管中气体流速，m/s；空气密度，kg/m3，20时=1.29；K0阻力附加系数，K0=1.151.20；Dn风管直径，m；非圆管道一般折算成等速当量直径de后，按圆形管道方式计算： (8-4)式中：de等速当量直径，m；a，b矩形风管的边长，m。2摩擦阻力系数计算管道内摩擦阻力系数值与介质流动状态、雷诺数Re及管壁粗糙度等因素有关，对于钢板焊接的管道其摩擦系数计算如下：（1） (8-5)式中：摩擦阻力系数，见表8-6，8-7；Q管内气体流量，m3/h；管内气体流速，m/s；管壁粗糙度，mm，一般取=0.1mm。值详见表8-5。表8-5 值管道类别绝对粗糙度（mm）新无缝或镀锌钢管0.010.05轻度腐蚀的无缝钢管0.20.3重度腐蚀的无缝钢管0.60.7（2） (8-6)式中：de当量直径，m；管壁粗糙度，m。表8-6 摩擦阻力系数值管壁粗糙度当量直径de（m）摩擦阻力系数值管壁粗糙度当量直径de（m）摩擦阻力系数值=0.00020.10.023=0.00040.60.0180.20.0200.7-0.80.0170.30.0180.9-1.00.0160.40.0171.50.0150.50.0162.00.014=0.00040.10.0282.5-3.00.0130.20.0233.5-4.00.0120.30.0214.50.01170.40.0205.00.01150.50.019表8-7 管道有内衬的值当量直径de(mm)焊接的钢烟气管焊接的钢煤粉管8000.0150.0173局部阻力系数值该系数指动压头单位的局部损失数，是由于气流经各种管件（三通、弯头、变异管、阀门等）流向变换、冲击或流速变化而引起的压力损失。清洁气体局部系数按附录12选取，但带粉尘的局部阻力系数应加以修正，修正公式如8-7。 (8-7)式中：0清洁气体局部阻力系数，见附录12；F带粉尘的气体局部阻力系数；J根据测试确定系数，取0.81.0；气体混合物浓度，kg/kg。4阻力平衡计算水泥厂除尘管道设计时，个别车间有多个收尘点（如包装车间），形成多个支管路，而这些支管与总干管交汇处压力必须达到平衡，以保证各点收尘效果。图8-1 管道结构平衡阻力一般有两种方法：一种是在管道设计时通过改变管径、弯头曲率半径或改变风量达到阻力平衡；另一种是投产前在现场进行逐点测试，以每支管阀门开度大小来求阻力平衡。此法比较繁琐，难以达到平衡，最好事先在设计中使阻力达到平衡，计算方法如下：当支管与总管交汇处压力差20%时，改变阻力大的管径，降低流速，以达到阻力平衡。例：总管长度L1=5.2m，如图8-1示，风量Q1=1045m3/h，风速v1=15m/s，局部阻力系数1=0.5，支管长度L2=4.5m，风量Q2=850m3/h，风速v2=18m/s，局部阻力系数2=0.55计算：由Q1、v1查附录12知：图8-1当量阻力系数1/d1=0.11，动压头2/2=135Pa，管径d1=160mm。总管阻力：图1 管路图支管阻力：由Q2、v2查附录12知：当量阻力系数2/d2=0.14，动压头v2/2=194.4Pa，管径d2=130mm。支管阻力：阻力差：（229.4144.7）/229.4=36%20%对支管管径d2进行调整取值为145mm重新查附录12计算：d2=145mm，Q2=850m3/h，2数为14.5m/s，2/d2=0.14，2/2=126.15Pa。阻力差：5% （达到平衡）当静压差20%时，管径不变，将阻力小的支管风量适当增加，加以修正，达到阻力平衡。两支管静压差5%，可以认为达到阻力平衡。阻力平衡计算是比较繁琐的工作，应该耐心，反复计算，并进行调整。8.2管道重量计算图8-2 外形图8.2.1圆形风管 （8-8）式中：G1风管重量，kg；D管径，m；L风管长度，m；风管壁厚，mm；1.2系数（考虑法兰加固圈等重量）；7.85厚1mm面积1m2钢板重量。8.2.2保温材料根据保温材料种类，密度及保温层厚度，计算保温层重量。 （8-9）式中：G2保温层重量，kg；保温材料密度，kg/m3；V保温材料体积，m3；D1保温后管径，m；D2保温前管径，m；L风管实际长度，m。8.2.3风管内积灰风管内积灰重量，可按风管布置形状及倾斜度来考虑，按经验计算时按下列情况确定：一般，水平管道，按其管道容积1/3计；倾斜管道70，积灰可以不予考虑。8.2.4事故荷载系数生产中为安全起见，应增加安全系数。一般，安全系数取1.21.3。8.3膨胀节选型计算8.3.1膨胀节的作用热风管道在正常生产时，受管内热风的影响而产生膨胀，而与其相连接的设备、风管支座，一般都固定在常温状态下的土建基础上，当受高温影响时，风管热膨胀产生的巨大应力传递到设备和支座上，轻则导致设备动作不灵，支座变形，重责损坏设备和土建基础。为了保证生产正常进行，在热风管道的适当位置通常都安装有膨胀节，以吸收热膨胀量。1金属膨胀节构造及用途金属膨胀节种类较多，水泥厂常用的是U型波纹管膨胀节。该膨胀节由厚度0.81.0mm的不锈钢板（1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni19Ti）压制而成，一般为U形断面，波纹管两端与短管焊接，内外筒间隙吸收轴向膨胀时的自由运动，波纹内填充耐高温的保温层，以防波纹管磨损及热量散失。不同的金属膨胀节有高低温之分，适用不同的压力范围。U型波纹管膨胀节耐高温、高压、使用寿命长，但价格高，单个使用只能吸收轴向膨胀量，若需要吸收径向膨胀量，只能用两个膨胀节加中间节来吸收，但增加了费用。此种膨胀节多用于窑尾预热器系统、三次风管以及生料粉磨管道系统等位置。2非金属膨胀节构造及用途此种膨胀节是由合成纤维或是玻纤布外层涂以橡胶制成的，可以吸收轴向和径向移位量，具有吸收、隔绝震动传递、无力传递等特点，因此常用在锅炉、风机进出口、磨机出气罩等处，可耐温度为200500。用以补偿烟气因温度变化引起的移位，以及机械振动、基础下沉等不同情况引起的移位。为简化设计，节省投资，目前大量选用非金属膨胀节。3膨胀节技术参数（1）金属波纹管轴向型膨胀节技术参数表8-8 金属波纹管轴向型膨胀节技术参数低温轴向型 TG系列高温轴向型SY系列通径DN（mm）40030004003000温度t（）400400（C）600（L）800（B）压力（MPa）0.10.1补偿量（mm）以管径及波数而定工作介质热风、烟气热风、烟气例：低温型：TG-2000-4（代号通径波数）高温型：SYB-2000-4（代号800通径波数）（2）非金属膨胀节参数此种膨胀节只适用于热膨胀引起的轴向、径向位移，其位移指受压缩时的位移，不能承受拉伸位移。表8-9 非金属膨胀节技术参数系列号圆型SFYY SFYE SFYS温度代号100(Y)200(E)300(S)工作压力kPa10例：SFYY-2020-550(圆形100接管外径轴向长度)8.3.2膨胀节选型计算1膨胀量计算 （8-10）式中：L管道热膨胀量，mm；L两个相邻固定支座间风管长度，mm；t管道内介质与外界温度差，；管材线膨胀系数，mm/mm，常用管材Q235A的线膨胀系数值见表8-10。表8-10 管材线膨胀系数温度（）（mm/mm）温度（）（mm/mm）温度（）（mm/mm）10012.2010-627013.3210-635013.6710-615012.6010-628013.3610-640013.9010-620013.0010-629013.4510-650022013.0910-630013.4510-660014.3010-623013.1410-631013.4910-670015.0010-624013.1810-632013.5410-625013.2310-633013.5810-626013.2710-634013.6310-62膨胀节自振频率计算膨胀节只适合在高频低振幅的振动场合使用，不适用于低频高振幅的场合。当波纹膨胀节在高频低振幅系统中使用时，应注意膨胀节的自振频率不能与系统的振动频率一致，以免产生共振，其自振频率计算如下：（1）轴向振动： （8-11）式中：f自振频率，Hz；G膨胀节重量，kg；Kn整个波纹管轴向刚度，N/mm；C自振频率系数，取值如表8-11。表8-11 各阶数值C阶数C波数C1C2C3C4C5114.23215.3128.5037.19315.7030.2742.6652.3558.28415.7030.7544.9656.9966.97515.7931.0745.7259.2471.16（2）径向振动 （8-12）式中：Dm波纹管平均直径，；d波纹管直筒直径，mm；h波纹管高度，mm；Ln波纹管长度，mm；N波数，个；q波距，mm；Kn整个波纹管的轴向刚度，N/mm；C自振频率系数，各阶系数如表8-12。表8-12 各阶系数C阶数C1C2C3C4C5系数39.93109.80214.12355.79531.27（3）膨胀节推力计算 （8-13）式中：F压力推力，N；PN管道最大压力，N/mm2；A波纹管膨胀节有效面积，mm2。（4）膨胀节预拉伸计算 当安装地区的环境温度与设计时的安装温度相差较大时，应满足预压缩与拉伸的要求，计算公式如下： （8-14）式中：X预拉伸量，mm；x最大轴向膨胀量，mm；t安装时环境温度，；tG管道气体最高温度，；tD管道气体最低温度，。对于拉伸的膨胀节，应该在拉伸变形后其拉杆安装后再拆除。8.3.3膨胀节安装位置及注意事项1安装位置为防止热风管道膨胀和设备振动，及减少设备噪音，一般应在下列各处设置膨胀节（金属，非金属）：（1）在两个固定支架间安装膨胀节，以抵消土建基础下沉对设备的损坏；（2）在振动设备的进出口安装膨胀节，如立磨、球磨机出口、振动筛等；（3）减少设备的传递载荷，如电收尘器进出口；（4）减少噪音（高压风机进出口连接处）。2安装注意事项（1）膨胀节有方向性，不可装反，否则粉尘随气流进入内外筒间隙，灰尘积满无法伸缩，造成失效；（2）在倾斜及垂直管道上安装膨胀节，为防止粉尘从内、外筒的间隙进入保温层内，导致膨胀节损坏，应在间隙处装设不锈钢的弹簧片；（3）不允许利用膨胀节的变形来强行调整管道的安装误差（压缩、拉伸、偏移、偏转），否则，会引起膨胀节的损坏。8.4管道支座及支架管道的固定位置借助固定点将复杂的管系划分为简单的管段，以使支座基础沉降时，各支座的载荷变化不大，避免设备损坏，故热风管道应合理地分段加以支撑。图8-4图8-6图8-5图8-38.4.1管道支座形式（1）固定支座：支座与管道焊接后不能动移。（2）滑动支座：支座与管道结合面不焊死，可以自由活动。（3）导向支座：支座与管道不焊接，但只允许向一定方向移动。8.4.2支座设置位置（1）热风管道上膨胀节附近，一端应加设固定支座，另一端应设置滑动支座，如图8-3。（2）管道上设有两个异径膨胀节时，在两个膨胀节之间应加设固定支座。（3）管道较复杂时，只允许设置一个固定支座，其余均应设置滑动支座。（4）大型热风管道弯头处应设置滑动支座或导向支座。（5）为便于应用标准支座，倾斜管道倾斜角度宜为30，35，45，55。（6）固定支座与管道结合面，应注明“焊接”，滑动支座活动面应注明“不焊”。（7）各种阀门不宜设在两个支座之间，应设在管道端部或管道悬臂端膨胀节附近。8.4.3管道支架形式支架主要与支座配合，支撑于土建基础上，工艺提供载荷，土建专业据此进行支架及基础设计。（1）普通钢支架过去多采用槽钢或角钢焊制而成，如图8-3，8-5，近年来多用圆形钢管焊接，受力好，重量轻。（2）铰杆支架 如图8-4，8-6所示，近年来不少水泥厂采用了此种支架，主要是因为受力清晰，计算简单，节省了设置膨胀节所需费用。（3）支架的位置当管道较长时，设有多个不同支架，固定支座设在膨胀节一端，其余皆为导向支架，设置位置为： 图8-7L1=4D，L2=14D，Lmax以公式计算，如图8-7 L1=4D（管径），L2=14D（管径），Lmax按下列公式计算。 （8-15）式中：E管道材料的弹性模量，N/mm2；I管道材料断面惯性矩，mm4；P管道的工作压力，MPa；A膨胀节的有效面积，cm2；K=NKnN膨胀节波纹管波数；Kn膨胀节的总刚度，N/mm；e膨胀节的单波伸缩量，mm；号膨胀受压时取“+”，受拉时取“-”。8.4.4管道支座受力计算1计算步骤（1）首先确定固定支座、活动支座位置，将水平长度、垂直高度、倾斜角度注在图上；（2）计算管道全长总重量及荷重（自重、保温层重、灰重、事故重）；（3）求风管重心点位置；（4）求活动支座反力及三个轴向分力（X、Y、Z轴）；（5）求管道摩擦力及三个轴向分力；（6）求管道合力并乘以1.2的安全系数后，再求三个轴向分力；（7）最后求出管道弯矩，并注在工艺布置图上。2同一平面内单一风管支座计算热风管道布置如图8-8所示：图8-8管道直径2000mm，壁厚=6mm，A为固定支座，B为活动支座，支座水平间距L2=3000，L3=2000mm，风管倾斜角=55，风管两端C，D各一个重1000kg的膨胀节，C点一个阀门重G3=2000kg。（1）重量及长度计算单位长度风管重：单位长度保温层重：单位长度总重（风管加保温层）：风管实长：AB段风管实长：风管两端C、D点各承受半个膨胀节重量为：CD管段加膨胀节重：风管重心至A支座投影距离：（2）支座受力计算对A点取力矩后求B支座反力PB1：B支座X、Z轴的支反力：B支座由于热膨胀引起的摩擦力（摩擦系数按0.2考虑）：B支座热膨胀的X、Z轴摩擦力分力：考虑安全系数1.2后，B支座的X、Z轴受力为：考虑安全系数1.2后，A支座的X、Z轴受力：（3）计算结果为：A支座受力B支座受力3空间走向的分叉风管支座受力计算 设风管直径2000mm，壁厚=6mm，单个阀门重2000kg，膨胀节重1000kg。风管如图8-911所示解：（1）确定工艺参数。AB需在A点设置固定支座，B点为活动支座。根据工艺布置需要：AI=12000mm，HI=5000mm图8-9 风管平面图图8-10 风管立面图根据管道不积灰的要求：。（3）计算：在AHI中：，ABH中：图8-11 风管支座关系A、B两支座间风管实长：在AIJ中：由此可得：IAJ=37.18AB两支座间风管实长与图中（a）投影长度的比例系数：（3）长度及重量计算EF风管实长：L11=(4000+12000+2000）=1.322518000=23805mmEF风管总重：G1=gL11=45423.805=10807kgE及F两端各加半个膨胀节的重量共1000kgEF风管加膨胀节重：G1=G1+1000kg=11807kgEF风管重心至支座A在立面b图的距离为：CD风管近似实长：L10=（5000-2000）=1.32253000=3968mmCD风管重：G2=qL10=4543.968=1801kgCD风管重心至支座A投影距离为：D点阀门及膨胀节重量的一半G3=2500kg，阀门及膨胀节A支座的投影距离为L3=5000mm（4）求支反力PB1L4PB1+G2L2+G3L3=G1L1垂直分力：PBZ1=cosPB1=cos3532.9=26.9kN水平分力：PBXY1=sin1PB1=sin3532.9=18.9kNX轴向分力：PBX1=cos2PBXY1=cos22.6218.9=17.4kN Y轴向分力：PBY1=sin2PBXY1=sin22.6218.9=7.27kN（5）求正压力PB1在风管胀、缩时引起的摩擦力PB2：PB2=0.2PB1=0.232.9=0.69kN摩擦力的垂直分力：PBZ2=sin1PB2=sin350.69=0.40kN摩擦力的水平分力：PBXY2=cos1PB2=cos350.69=0.57kN摩擦力的X轴向分力：PBX2=cos2PBXY2=cos22.620.57=0.53kN摩擦力的Y轴向分力：PBY2=sin2PBXY2=sin22.620.57=0.22kN（6）按B点受力最不利情况，考虑安全系数为1.2，求B支座反力垂直载荷：PBZ=1.2(PBZ1+ PBZ2)=1.2(26.9+0.4)=32.76kNX轴载荷：PBX=1.2（PBX1+ PBX2）=1.2(17.4+0.53)=21.5kNY轴载荷：PBY=1.2（PBY1+ PBY2）=1.2(7.27+0.22)=8.9kN（7）求A支座反力，考虑安全系数为1.2垂直载荷：X轴载荷PAX=PBX=21.5kNY轴载荷PAY=PBY=8.9kN（8）求A支点承受的弯矩。由于G2和G3在风管平面图中偏离EF，风管L8和L9产生弯矩。考虑安全系数1.2后转矩分解到X、Y轴：MAX=1.2cos2MAXY=1.2cos22.62151.6=167.9kNmMAY=1.2sin2MAXY=1.2sin22.62151.6=69.9kNm（9）计算结果 A支座受力：PAZ=131.4kN；PAX=21.5kN；PAY=8.9kN分解到X、Y轴的力矩为：图8-12 倾斜管道垂直于地面的横截面MAX=167.9kNm，MAY=69.9kNmB支座受力：PBZ=32.76kN，PBX=21.5kN，PBY=8.9kN4支座间允许最大跨度计算（1）支座间允许最大跨度的计算在热风管道设计中，根据工艺布置需要，有时支座间距较大，到底允许最大跨度是多少？这里介绍一种计算方法，可以用来验算，见图8-12。在不考虑支座以外悬壁部分管道影响时，支座间允许最大跨度的计算公式如下： （8-16）式中：Lmax管道最大允许跨度，m；q管道均布载荷，N/m（管材重+保温重+附加重）；W管道断面抗弯模数，cm3；管道横向焊缝系数，对于热风管道（手工无垫环焊缝），=0.7；t管道热态许用应力，N/mm2，对于一般风管采用的热轧Q235-A钢板，不同温度下的许用应力见下表8-13。Q235-A钢板许用应力t见表8-13。表8-13 Q235-A钢板许用应力t温度（）20100150200250300350许用应力（Nmm-2）113113113105948677 水泥厂设计的热风管大多数为倾斜布置，管道垂直地平面的横断面为椭圆形，见图8-12。椭圆外表面，短轴长等于风管外径D，内表面短轴要减去风管壁厚既d=2(R-)。长轴外表面为：D/cos=2R/cos 长轴内表面为：d/cos=2(R-)/cos 由此推导出： （8-17）计算举例：已知一热风管道外径D=2m，壁厚=6mm，带保温层，风管与地面倾斜角45，最高工作温度350，计算允许最大跨度。如图8-13。风管均布载荷图8-13 (8-18)式中：q1风管单位长度自重，q1=1.2D7.856=355kg/m；q2保温层重，q2=1.2D7.852=99kg/m；q3风载，按75kg/m2计，q3=75D=150kg/m；K1地震载荷影响系数，取K1=1.3；K2管内积灰影响系数，取K2=1.5； 风管断面抗弯模数W350时需用应力，查表8-13得：t=77N/mm2；最大跨度：8.5管道及收尘设备保温计算8.5.1热风管道保温层厚度 （8-19）式中：管道保温厚度，m；保温材料导热系数，w/(m)； t1热气体温度，；tb要求保温层的表面温度，；ta环境温度，；保温层向环境综合散热系数，W /(m2)，见表8-14。表8-14 综合散热系数温度差()4050100150200250备 注环境状况室 内室 外风速V5m/sts=0150时，a2近似值平 壁圆 壁4.1868(kJ/m2h)(W/m2)V5m/s7.8V0.78有保温的设备及管道外壁散热系数8.5.2收尘设备保温层厚度 （8-20）式中：收尘器保温层厚度，m；保温材料导热系数，W/(m)；t1收尘器内壁温度（烟气温度），；ta环境温度，防结露时取当地最低气温值；综合散热系数，W/(m2)，一般取21.5W/(m2)；q收尘器平壁单位热损失，W/m2，其值见表8-15。表8-15 收尘器平壁单位热损失q值(W/m2) 烟气温度（）环境温度ta ()处理的烟气温度50751001251501602002252503003504004505586379889910412213114216318320422725586776859397110119127144160178195表8-16 电收尘器保温层厚度(mm)环境年均温度（）烟气温度（）510152025300时(W/m)使用温度下热导率1规 格(mm)耐压温度(MPa)最高使用长宽厚岩棉及矿渣棉制品厚棉1506506000.0441=0+0.00018(tp-70)100010005000矿渣棉1000500600500900750208040703050毡60804004000.0491001206004000.049板804003500.0441001206003500.0461501606003500.048管2006003500.044泡沫石棉304050普通型5000.0460.0530.0591=0+0.00014(tp-70)10003050抗拉0.050.10防水型50500硅酸钙制品1702202406505500.0550.0620.0641=0+0.00011(tp-70)6003070抗折0.2膨胀珍珠岩701001501502002005000.0470.05