长距离蒸汽管道压力损失和温降的温压耦合分段计算策略_刘宣池.pdf

52燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesMar.2023Vol.54 No.2长距离蒸汽管道压力损失和温降的温压耦合分段计算策略刘宣池1，2梁峰1，2王鹏1，2张翔宇1，2（1.中冶焦耐（大连）工程技术有限公司，大连116085；2.辽宁省低碳焦化专业技术创新中心，大连116085）摘要：将长距离蒸汽管道作为整体，采用经典的摩擦理论计算压力损失，考虑绝热层散热和等焓压降法计算温降，得到的计算值均小于实测值。针对该问题，提出温压耦合分段计算策略，压力损失计算方法仍采用经典的摩擦理论，温降计算方法考虑绝热层散热、等焓压降和支座散热 3 个因素，温压耦合的解耦方式为先计算压力损失后计算温降。经过这些改进，计算得到的压力损失和温降与测量值基本吻合，精度可以满足工程需要。关键词：余热回收产汽；长距离蒸汽管道；压力损失；温降；温压耦合中图分类号：X784文献标识码：文章编号：1001-3709（2023）02-0052-04Temperature-pressure coupling segmental calculation strategy for calculation of pressure loss and temperature drop in long-distance steam pipelinesLiu Xuanchi1，2Liang Feng1，2Wang Peng1，2Zhang Xiangyu1，2 （1.ACRE Coking&Refractory Engineering Consulting Corporation（Dalian），MCC，Dalian 116085，China；2.Low Carbon Coking&Chemical Professional Technology Innovation Center，Liaoning Province，Dalian 116085，China）Abstract:A long distance steam pipeline is considered as a whole.The pressure loss of the pipeline is calculated by friction theory and the temperature drop is calculated by heat dissipation from insulation layer and a method of equal enthalpy pressure drop.As a result，the calculated value is smaller than the measured value.To solve the problem，a temperature-pressure coupling segmentation calculation strategy is proposed.The pressure loss calculation method still uses friction theory，while the temperature drop calculation method takes into account three factors:heat dissipation from insulation layer，equal enthalpy pressure drop and heat dissipation from supports.The way of decoupling is to calculate the pressure loss first，and then the temperature drop is calculated.After these improvements，the calculated pressure loss and temperature drop basically match with the measured values，which satisfies the required accuracy of the project.Key words:Steam production from waste heat recovery；Long-distance steam pipeline；Pressure loss；Temperature drop；Temperature-pressure coupling1概述随着国家节能减排和环境保护法律法规的出台以及产业政策的引导，工厂中越来越多的余热得到收稿日期：2022-01-23作者简介：刘宣池（1989-），男，工程师了重视并通过相关技术进行了回收。高品位余热回收用于生产中温中压或高温高压蒸汽，这些蒸汽一般通过汽轮发电机组生产电能。对于改扩建性质的余热回收项目，受场地所环境保护与节能减排DOI:10.16044/ki.rlyhg.2023.02.01253燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 3 月第 54 卷第 2 期限，余热锅炉通常距离汽轮发电机组较远，在输送过程中会产生较大的压力损失和温降，需要校核是否满足汽轮发电机组的进汽参数要求。如不满足，需要提高余热锅炉的蒸汽压力和温度。常用的计算策略是管道作为整体进行计算，压力损失计算方法采用经典的摩擦理论，温降计算方法考虑绝热层散热和等焓压降2个因素，计算得到的压力损失略小于实测值，温降大幅度小于实测值，这在工程上不能适用。工程上只能根据经验留有较大的压力损失和温降余量，前者会导致锅炉蒸汽压力升高，增加管道的壁厚，进而增加投资；后者会导致锅炉蒸汽温度升高，某些部位的材料需选用耐热性能更好的钢材，进而大幅度增加投资。如果可以找到精确计算压力损失和温降的方法，就可以避免上述问题。图 1压力损失计算方法2计算方法2.1 压力损失计算方法压力损失计算方法是经典的摩擦理论，在火力发电厂汽水管道设计规范DL/T 50542016中有详细的介绍。根据蒸汽压力和温度求得密度、比焓、黏度，根据蒸汽流量、密度和管道内径求得流速，根据流速、管道内径和黏度求得雷诺数，根据雷诺数和管道粗糙度求得管道摩擦系数，根据管道长度、管道摩擦系数和管道内径求得管道阻力系数，根据弯头、三通、各种管件和阀门等阻力系数和数量求得总局部阻力系数，进而求得总阻力系数，根据密度和速度求得动压力，根据总阻力系数和动压力求得阻力损失，详见图1。2.2 温降计算方法动力管道设计手册介绍的计算方法是管道绝热层表面散热引起的温降。该方法只考虑1个因素，计算结果偏小且误差较大，甚至超过50%，这在工程上难以适用。电站锅炉 蒸汽参数系列GB/T 7532012介绍的温降计算方法考虑了管道绝热层表面散热和等焓压降。等焓压降是指在蒸汽管道输送过程中，假设没有热量损失时，压力损失导致的温度降。该方法根据管道内介质温度、管道外径、绝热层厚度和绝热材料导热系数等计算出绝热层外表面温度和单位表面积散热损失，保证两者均小于规定值。而后根据管道外径、绝热层厚度和管道长度求得散热量，再根据介质流量求得介质单位质量的焓降，即比焓降，进而求得管道终端比焓。再配合计算得出的管道终端压力，求得终端温度以及始端和终端的温降。该方法虽然考虑了2个因素，但计算结果与实测值仍有20%50%的误差，工程上仍很难适用。通过分析可以发现，架空敷设的蒸汽管道上的支座散热会导致温降。常用支座有固定支座、滑动支座、导向支座和限位支座，详见图2。前3种支座类型，散热量近似相同，第四种支座形式上相当于2个前3种支座，其散热量近似为前3种支座的2倍。图 2 常用支座蒸汽压力蒸汽温度蒸汽流量蒸汽密度蒸汽比焓蒸汽黏度蒸汽流速管道内径管道粗糙度管道长度管件阻力系数管件数量总局部阻力系数动压力阻力损失总阻力系数管道阻力系数管道摩擦系数雷诺数固定支座（a）导向支座（c）滑动支座（b）限位支座（d）54燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesMar.2023Vol.54 No.2支座与管道不同，没有被安全包裹在绝热层内，有部分直接裸露在空气中，所以支座的散热量较大，而且支座的数量较多。以D21925 mm管道为例，采用典型型布置，需设置1个固定支座(2端各半个固定支座算作1个固定支座)、2个导向支座和1个滑动支座，详见图3。所以不能忽略支座散热引起的温降。根据工程实测数据的统计结果，支座的散热量可以按如下方法计算。（1）将支座的竖直支撑部件假定为空心圆柱，直径与管径相同，圆柱内表面温度假定为管道内介质工作温度的0.75倍。（2）根据支座的竖直支撑部件的外径、壁厚、钢材导热系数、对流换热系数计算出单位面积散热量。（3）根据支座外径、支座裸露高度、垫铁平均高度计算出单个支座的散热面积，再根据每种类型的支座数量求得总散热面积。（4）求出总散热量。（5）求出单位介质质量的散热量，即比焓降。（6）将支座散热导致比焓降与绝热层散热导致比焓降加和后进行后续计算。（7）求出管道单位长度中介质的比焓降，用于温压耦合分段计算策略中每个计算段温降的计算。3计算策略3.1温压耦合计算过程中要考虑压力和温度耦合的影响，在计算压力损失过程中要使用密度，而密度的求取过程中需要使用温度，且只能使用始端温度。在计算终端温度过程中，要使用终端的压力，此时的压力是误差较大的压力，因此计算得到的终端温度亦有较大误差。3.2温压耦合整体计算策略目前常用的计算策略是温压耦合整体计算，即把整根管道作为一个整体进行计算。根据始端的压力和温度求得密度，再求得压力损失，进而求得比焓降，最后求得终端温度和温降。图 3D21925 mm 管道支座蒸汽输送过程中，压力和温度不断降低，沿着流向的每一点的密度均是不同的。通常沿着流向密度逐渐变小，这会使得流速加快，压力损失变大，使得压力损失的计算值和实际值产生偏差。随着输送距离的增大，偏差会越来越大，而且这种偏差并不是偏于保守的，这在工程上不能接受。3.3温压耦合分段计算策略温压耦合分段计算策略是把管道按照特定长度分成数个计算段，根据第一段始端的压力和温度求得密度，再求得第一段压力损失，进而求得第一段比焓降，最后求得第一段终端温度和温降。第一段的终端作为第二段的始端，即第一段终端的压力和温度即为第二段始端的压力和温度，以此类推。因每一个计算段的长度足够短，使得每个计算段的始端和终端的密度差异足够小，则认为始端的密度可以代表整个计算段每一点的密度。这样消除了密度变化导致的压力损失的误差，也消除了使用终端压力求出的终端温度的误差。4计算实例本文分别采用温压耦合整体计算策略和温压耦合分段计算策略进行计算，并进行计算值和实测值的对比分析。4.1基本情况及计算条件以鞍山、北台和武汉焦化厂的3根蒸汽管道（分别记为管道、管道和管道）为例，计算压力损失和温降。基本情况和计算条件详见表1。管道标识管道管道管道所处位置鞍山北台武汉蒸汽压力/MPa9.819.819.81蒸汽温度/540540540蒸汽流量/（th-1）1055866管道规格/mmD21925D19422D21925输送距离/m1452601 300绝热层材料复合氧化铝板复合氧化铝板复合氧化铝板绝热层厚度/mm160140160始端密度/（kgm-3）28.21728.21728.217始端流速/（ms-1）46.0532.2931.21表 1基本情况和计算条件4.2压力损失和温降的计算结果及分析3根管道使用温压耦合整体计算策略和温压耦合分段计算策略得到的压力损失实测值和计算值见表2。3根管道使用温压耦合整体计算策略和温压耦合分滑动支座固定支座固定支座导向支座导向支座55燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 3 月第 54 卷第 2 期段计算策略得到的温降实测值和计算值的比较见表3。计算方法管道管道管道实测值0.520.522.30温压耦合整体计算策略0.5570.5672.127温压耦合分段计算策略0.5680.5782.388计算方法管道管道管道实测值5.29.834.0温压耦合整体计算策略4.6910.5036.57温压耦合分段计算策略4.2910.0435.95表 2压力损失实测值和计算值 MPa表 3温降实测值和计算值 虽然管道和管道的距离相差几乎1倍，但是距离近的管道中蒸汽流速快，压力损失得快，所以两者的压力损失相近。4.3温降各因素的计算结果及分析温降由绝热层散热温降、等焓温降和支座散热温降构成，温压耦合整体计算策略中3个因素导致的温降见表4，3个因素的占比见图4。从图 4（a）中可以看出，等焓温降的份额较大，这是因为该管道内蒸汽流速快，压力损失大，所有由该因素引起的温降所占份额大。从图4（b）中可以看出，绝热层散热引起温降的份额较大，这是因为该管道绝热层厚度为140 mm，其他2根管道厚度为160 mm，绝热层散热较多。从图4（c）中可以看出，支座散热引起温降的份额较大，这是因为该管道距离较长，所以支座较多，支座散热较多。4.42种计算策略的选用应根据输送距离的远近选用不同计算策略。根据工程实践经验，距离小于150 m的情况采用温压耦合整体计算策略，距离大于150 m的情况采用温压耦合分段计算策略。4.5温压耦合分段计算策略中分段长度的选取分段长度过大会导致计算结果精度降低，过小会增加计算时间，耗费计算机资源。因此分段长度表 4温压耦合整体计算策略中 3 个因素温降 管道标识管道管道管道温降4.6910.5036.57绝热层散热温降0.624.219.03等焓温降2.792.8411.30支座散热温降1.283.4516.24（c）管道图 4温压耦合整体计算策略中 3 个因素温降占比支座散热引起温降绝热层散热引起温降等焓温降（a）管道（b）管道绝热层散热引起温降59.49%27.05%30.9%27.29%32.86%44.41%13.22%40.1%24.69%等焓温降支座散热引起温降绝热层散热引起温降等焓温降支座散热引起温降的选取原则是随着分段长度的缩小，计算结果几乎不再变化，对计算结果的影响可以忽略不计。根据多根管道的计算经验，分段长度小于50 m的计算结果与分段长度50 m的计算结果的误差小于0.5%，因此，认为分段长度50 m是经济有效的。5结论为了精确计算出长距离蒸汽管道压力损失和温降，本文提出温压耦合分段计算策略，压力损失计算方法仍采用经典的摩擦理论，温降计算方法考虑绝热层散热、等焓压降和支座散热3个因素，温压耦合的解耦方式为先计算压力损失后计算温降。并结合3根管道的工程实例中实测值与计算结果的比较分析，说明了温压耦合分段计算策略的有效性，其精度可以满足工程需要。同时，说明了考虑支座散热导致温降的必要性。王思怡编辑