蒸汽管网输送过程的热力学特征及凝水量计算分析.pdf

蒸汽管网输送过程的热力学特征及凝水量计算分析张颖1,张建中2(1.上海第二工业大学,上海 201209;2.西北电力设计院有限公司,陕西 西安 710075)摘要:现有文献中,对蒸汽管网输送过程凝结水量计算及降凝措施的研究多局限于传热学层面,缺乏热力学层面的探讨。运用水蒸汽焓熵图来研究蒸汽管网输送过程的热力学特征,可以形象地反映管道热损与压损对凝结水生成与降凝的过程和机理:热损是产生凝结水的源头;压损降低了蒸汽冷凝的起点,有利于实施降凝;凝结水量的计算应该全面考虑这两项因素。在理论实用价值角度,对基于质能平衡原理推导的凝结水量公式进行了验证和完善;对基于压降过程产生的蒸汽冷凝起点焓值变化进行了定量分析,并提出了饱和焓值与管道压损之间的精准拟合方程。分析表明,管网压损所引起的降凝效应主要反映在低压饱和蒸汽区间;据此论证了低压饱和蒸汽无凝输送的可行性和条件。所得研究结果可供蒸汽管网设计和运行参考。关键词:热损;压损;热力学特征;焓熵图;蒸汽凝结起点;无凝输送DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.004T h e r m o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n d e n s a t e c a l c u l a t i o n a n a l y s i s o f s t e a m p i p e l i n e n e t w o r k t r a n s p o r t a t i o n p r o c e s sZHANG Ying1,ZHANG Jianzhong2(1.Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,China;2.Northwest Electric Power Design Institute Co.Ltd.,Xi an 710075,China)A b s t r a c t:In existing literature,the research on the calculation of condensation quantity and decondensing measures for the transmission process of the steam pipe network is mostly limited to the level of heat transfer,and the lack of to study at the thermodynamic level.Use the water steam enthalpy-entropy diagram to study the thermodynamic characteristics of the steam pipe network transportation process,which can reflect the process and mechanism on the generation and reduction of pipeline thermal loss and pressure loss:The thermal loss is the source of the producer water,the pressure loss reduces the starting point of the steam condensation,which is conducive to the implementation of the reduction,the calculation of the quantity of condensation should be comprehensively considering these two factors.From the perspective of theoretical practical value,it is verified and improved for the coagulative water quantity formula derived from the principle of 81区域供热 2023.4 期quality balance.A quantitative analysis is performed for the specific enthalpy changes in the steam condensation point generated by the pressure loss processing process.And proposed a precise fitting equation between the saturated specific enthalpy values and pipeline pressure loss.The analysis shows that the lowering effect caused by the pipeline pressure loss is mainly reflected in the low pressure saturated steam interval;it is based on the feasibility and conditions of low pressure saturated steam non-condensation transport.The results of the obtained research can be used for the design and operation of the steam pipe network.K e y w o r d s:heat loss;pressure loss;thermodynamic features;enthalpy-entropy diagram;steam condensation starting point;no coagulation conveyor0 引言在城镇供热蒸汽管网运行中,管网中凝结水的生成对于管道热损、质损指标评估,以及安全运行和疏水点设置都有直接影响。研究凝结水的生成规律及降凝措施在供热蒸汽管网设计和运行中很有必要。以往主流文献中主要从传热学层面研究管网中凝结水的生成及降凝措施问题。孙玉宝、田贯三、高鲁锋等 1,2及王凤华 3对蒸汽供热管网输送中的凝结水热量损失进行了调研,这些文献中均将凝结水损失与管网热损失捆绑在一起。在计算理论上,徐文忠等 4曾以过热蒸汽无冷凝输送为题进行研究,然其出发点是以输送终点时的管道内壁温度不低于相应压力下的蒸汽饱和温度为核算准则,与输送过程缺乏关联;姚胭脂 5基于传热学理论推导提出了与蒸汽输送过程温降相关的过热蒸汽凝结水量计算方法。这些研究的深度均局限于传热学层面。新近文献中,研究领域扩展到流体力学层面。高鲁峰等 6运用热力水力耦合计算方法理念,开发了新的计算蒸汽管网凝结水量的方法。冯宏等 7基于质能平衡研究提出了过热蒸汽管网凝结水量质量损失的计算方法,并结合实际工程项目加以验证,具有较好的实用价值。高建强等 8分析了管网凝结水量与其影响因素之间的关系,着重做了凝结水量动态变化的仿真研究,指出压力等参数对凝结水量有较大敏感性。王近邻 9探讨了饱和蒸汽输送中的疏水量与管道散热损失及压损之间的关系,就蒸汽参数和管道压降对于凝结水生成的影响进行了分析,认为有可能实现无冷凝地输送饱和蒸汽。以上研究成果均值得业界关注。但综观现有文献,对于蒸汽管道输送过程基本上缺乏热力学特点的分析,在凝结水生成及变化的计算上存在进一步完善提升的空间。本文以水蒸气焓熵图为依托,进一步探讨蒸汽管网输送过程的热力学特点,以及凝结水生成量和无冷凝输送条件,以期为完善凝结水生成量计算方法和制定降凝措施提供新的依据。1 对现有文献中管网凝结水生成量及降凝量计算方法的述评 方法一:主流文献中对饱和水蒸气管道的疏水量计算方法Ww i=Qs ihs i-hw i f(1)式中:Wwi计算段凝结水生成量,kg/s;Qsi计算段蒸汽与管道内壁换热量,W;hsi计算段平均蒸汽焓,kJ/kg;hwif计算段内平均饱和水焓,kJ/kg。该方法是经典的传热学计算方法,简单直观,但具有一定粗放性,主要适用于输送饱和蒸汽,而且散热冷凝量占比很小的核电机组 8。方法二:文献 5 基于传热学理论,推导提出过热蒸汽冷凝水量的计算方法91区域供热 2023.4 期先计算出现冷凝的临界输送距离lc r i t:lc r i t=l n(tb-ta)-l n(to-ta)(12 l nD1D0+1D1)cm(2)若输送距离llc r i t,将不出现冷凝。若输送距离llc r i t,则按下式计算凝结水量:ms i=3 600qb(l-lc r i t)(3)式中:t0管道初始点的外壁温度,;ta环境温度,;tb介质初始点压力下的饱和温度,;c介质比热容,kJ/kgK;保温材料热导率,W/mK;D0管道外径,m;D1保温后外径,m;保温结构外表面传热系数,W/m2K;m蒸汽流量,kg/s;qb饱和点温度下的单位热损,W/m;水的汽化潜热,kJ/kg。上述公式计算了输送过程中蒸汽过热度的变化,提高了计算精度。但该方法只适用于单管,对管网来说是难于操作的。方法三:文献 7 基于质能平衡原理就宏观层面推导提出的计算公式Ms i=Qe-(Ho-Hb q)Mo+(Hi-Hb q i)Mi(4)式中:Ms i凝结水生成量,kg;Qe管网散热损失,kJ;Ho管网入口平均蒸汽焓值,kJ;Hb q管网入口压力下干度 100%平均饱和蒸汽焓值,kJ;Hi管网用户节点的蒸汽热量,kJ;Hb q i用户节点压力下干度 100%平均饱和蒸汽焓值,kJ;Mi u管网用户节点的蒸汽质量,kg。该方法适用于输送过热蒸汽、最终达到湿蒸汽状态或部分分支管道仍然具有过热度的供热管网。所推导的公式符合热平衡-质量平衡原理,而且可用于有分支的管网,但缺少热力学方面的描述,未能反映输送过程压降所引起终端过热度变化的热力学现象。方法四:文献 9 基于热损-压损平衡原理推导提出的计算关系ms i=qL(5)式中:ms i饱和蒸汽管道单位冷凝水量,kg/m;qL单位管段散热损失,W/m。4m R Td2ppq0.049=ms i0.049(6)式中:m蒸汽质量流量,kg/s;p单位长度蒸汽压降,kPa/m;R气体常数;T蒸汽温度,K;d管道内径,m;0.049蒸汽状态在 0.61.1 MPa 范围时的蒸汽压力和蒸汽比焓关系,kJ/kPa。当式(6)的不等式成立时,饱和蒸汽处于过热状态,理论上不生成凝结水。该方法建立了蒸汽压降与饱和蒸汽水量之间的联系,对研究饱和蒸汽无冷凝输送的可行性提出了新的见解。虽然该论文的研究偏于理想化,例如推导中所采用气体状态方程 pv=RT 系等温过程,这与蒸汽管道输送所遵循的有摩阻绝热流动、产生等焓温降的过程并不等同(如 1.1 MPa 的饱和蒸汽降压到0.5 MPa 时的等焓温降达 18.26,占比10%);案例分析中取用的蒸汽压力和蒸汽比焓关系 0.049 对于不同压力饱和蒸汽的通用性有待验证;对于过热蒸汽更不能够直接适用等。但该文在理论上具有很好的参考价值。综上所述,现有文献在供热蒸汽输送过程的理论和实践上均已取得不少新的进展,惟其缺乏热力学特征分析或分析不很到位,是其不足之处。本文以上述方法为基础,运02区域供热 2023.4 期用热力学中的焓熵图表述方法来寻求更加完善的凝结水生成/降凝计算方法。2 蒸汽输送过程中同步发生的“热损”与“压损”计算及其对于凝结水生成的影响2.1 输送过程的热损计算热网管道的热损,即保温热力管道的散热损失均按经典传热学方法确定,以架空管道单层保温为例,公式如下:Qe=qLL=2(t0-ta)L1l nD1D0+2 D1(7)Qe=qSD1L=(qLD1)D1L(8)qS qS(9)hh=Qe1 000Gs=4 Qev1 000d2iw=D1 qSGL10-3(10)式中:Qe计算管线的总热损,W;qL单位长度热损,W/m;qS保温外表面散热损失,W/m2;qS 保温外表面允许最大散热损失(可按表 1 查取),W/m2;hh散热损失引起的蒸汽比焓降幅,kJ/kg;L管道长度,m;Gs蒸汽流量,kg/s;v蒸汽比容,m3/kg;w蒸汽流速,m/s;di管道内径,m。由式(7)式(10)得知散热过程具有下列特点:基于 qS qS,因此影响散热焓降的主要因素是输送距离L及蒸汽流量G的大小(亦即负荷率的高低);质量流速一定时,管道压损过程不影响散热过程。表1 G B/T 4 2 7 2-2 0 0 8 设备及管道绝热技术通则中规定的保温外表面允许最大散热损失 qS介质温度/50 100 150 200 250 300 350 400 qS/Wm-2常年运行工况 5284 104 126 147 167 188 204季节运行工况 104 147 183 220 251 272/2.2 输送过程的压损计算对于距离不长的管道,按经典流体力学计算方法,参见下式:p=(LPDi+)w22(11)输送终端的压力为:pe=po-p(12)式中:p管线压降,MPa;Di管道内径,m;P沿程摩阻系数;w管内流速,m/s;局部阻力系数;为蒸汽密度,kg/m3。式(10)、式(11)表明,一旦沿管线长度dL形成流动,就将会同步出现热损d(qL)及压损d(p)。对于长距离输送管道,起点与终点的蒸汽密度或比容将有较大变化,此时需要用迭代法计算用户端压力p2与阻力系数之间的匹配,用水蒸汽图表确定终端比焓h2,计算比较繁琐1 0。在G B 5 0 7 6 4-2 0 1 2 电厂动力管道设计规范1 1中提出的大比容比蒸汽管道流动“虚拟计算方法”系以气体动力学理论为依据,更加合理和方便,宜作为首选。上述压降过程的热力学特征是:伴随流动过程将产生一定温降和焓降;焓降集中于管道的“热力学”末端即降压到临界压力、流速急剧提高到数百米/秒声速的区域。对于蒸汽输送管道,由于其质量流量(m=G/f)甚低,即使长距离输送压降幅度高达 80%以上,最终的压力仍远高于理论上的临界压力(例如为0.040.1 MPa),所计算输送管段的焓降相当微小,因此工程上均按等焓过程处理。以饱和蒸汽为例的典型计算数据参见表 2。表2 蒸汽输送管道过程焓降计算示例终端压力/MPa0.60.50.40.20.150.1 0.045*焓降/kJkg-1 0.5 2.036.651.5 *0.045 MPa 为该管道“热力学”末端的临界压力计算值。12区域供热 2023.4 期表 2 指出,对于 1.1 MPa 的饱和蒸汽输送,当用户端压力不低于 0.2 MPa,也就是降幅不超过 80%时,压损引起的焓降低于 0.51 kJ/kg,工程上完全可以按等焓过程来处理。2.3 对凝结水生成的影响以往文献中仅考虑了散热这项影响因素。新近有些研究者基于热力水力耦合计算方法,主要考虑介质密度随温度及压力变化对压损的修正,而这对凝结水生成并未产生实质性影响。但实际上,长距离输送管道的压损导致终端蒸汽湿度或过热度的变化,也会对凝结水的生成产生直接影响,因此需要借助热力学的分析。3 蒸汽管网输送中的热力学特征分析3.1 管网输送过程的焓熵图表述在蒸汽管网输送过程中会同步产生热损和压损,利用焓熵图表述输送过程见图 1,图中设供热端初参数点为 o,用热端终参数点为e,沿过程线 o-e1及 o-e2进行散热及降压。为便于分析,在焓熵图上将过程线按“等压”及“等焓”进行分解,可以方便地求得终点参数的热力学特征。3.2 过热蒸汽的焓熵图表述具体参见图 1(a)。(1)等压散热过程:沿 o-a-b-c 进行散热,形成管网的“热损”,此时蒸汽发生焓降 hh=(ho-hc),当散热量超过蒸汽过热度,进入饱和线的 b 点继续散热时,进入湿蒸汽区域并开始生成凝结水。(2)等焓降压过程:沿 o-d 进行等焓降压,形成管网的“压损”。在焓熵图上,该过程线可以向下平移成 c-e 等焓过程线。由图得知,管道压降虽然并不提升焓值,却导致蒸汽冷凝起点的降低,从而有利于减少凝结水生成。(3)设定管道压损强度为 p=p0-p2,按两种散热强度进行分析:散热强度中等,沿等压线po=c o n s t的焓降终点为湿蒸汽区域的C1。但在等焓降压后的终点为e1,已经处于过热区。散热强度更高,沿等压线po=c o n s t的焓降终点为湿蒸汽区域的C2,此时沿等焓降压后的终点为e2,仍处于湿蒸汽区域,但蒸汽干度从 Xc2提升至 Xe2。这两种现象均提示:降压过程将减少凝结水量的生成,计算凝结水量时应该考虑这项修正。3.3 饱和蒸汽的焓熵图表述具体参见图 1(b)。设定等压散热焓降幅度为 hh=ho-hc,按两种压损强度进行分析:中等降压幅度,等焓降压至p1后的终点为e1,仍处于湿蒸汽区域,此时将产生凝结水。更高降压幅度,等焓降压至p2后的终点为e2,已经处于过热区域,此时可避免产生凝结。3.4 讨论比较图 1(a)、图 1(b)可以判断,压力高低对凝结水量影响甚大,用汽压力越低,凝结水量越少,这与仿真试验结果 8是一致的。4 管网凝结水生成量及降凝量计算方法的改进和完善4.1 基本方程式已知管网由主管线及分支管线组成,供热端流量Mo,焓值Ho,根据管网整体能量平衡原理分析如下。管网向用户输送的热量可分为两部分:用户端蒸汽仍为过热状态的管线I,流量为Mi,焓值从Ho变到Hi。用户端蒸汽已经 进 入 湿 蒸 汽 区 域 的 管 线O,流 量 为(Mo-Mi-Mq i-Ms i),焓值从Ho变到Hc,其中Hi、Hc分别为管线I、管线O的用户端焓值。管网损失包含下列部分:散热损失Qe;蒸汽泄漏损失Mq iHq i;凝结水损失Ms iHs i,w。其中Hq i为泄漏蒸汽焓值,可近似取为Ho;Hs i,w为管网压力下饱和水焓值。能量平衡方程如下:MoHo=MiHi+(Mo-Mi-Mq i-Ms i)Hc+Qe+Mq iHq i+Ms iHs i,w(13)22区域供热 2023.4 期图1 在水蒸汽焓熵图上的管网输送过程 求解上式可得凝结水质量损失计算式为:Ms i=1Qe-Mo(Ho-Hb)+Mi(Hi-Hb,i)-1(Mo-Mi-Mq i)(Hb-Hc)-Mq i(Hq i-Hb)(14)可以指出,当忽略上式右端数值较小的第二项时,式(14)就基本等同于文献 7 中的公式 本文中的式(4)。4.2 管网压损降压后,因水蒸汽冷凝起点降低对凝结水量计算的修正由焓熵图及3,管网压损降压后水蒸汽冷凝起点的变化可以用饱和蒸汽比焓变化来表述:hb=hb,o-hb=d hbd p p(15)低、中压区间压力变化时饱和蒸汽比焓变化的拟合方程,低压(1.20.4 MPa)区间:hb=2783.77-55.81(1.2-p)1.255(16)中压(3.11.2 MPa)区间:hb=2803.28-4(3.1-p)2.22(17)式中:hb压力为 p(MPa)时的饱和蒸汽比焓,kJ/kg。所推导公式的精准度达 99.99%。应用示例:比较式(16)、式(17)可知,低压区间的比焓变化率d hb/d p要大得多,预计降压所产生的过热效应明显较大。压力 0.61.1 MPa 范围时,按式(16)得到的比焓变化率d hb/d p平均值为 0.053 kJ/kPa;佐证文献 9取用的 0.049 kJ/kPa 具有一定可信度。管网压损降压后对凝结水量计算的修正:Qp=Mo hb=Mod hbd p p(18)Ms i=Ms i-1(Qp)(19)式中:Ms i对未计及压损影响凝结水量Ms i修正后的计算值;Qp管网压损降压所引起用于蒸汽冷凝热量的减少;计算时间段。由图 1(b)得知,若管网压损降压所引起用于蒸汽冷凝热量的减少 hb超过散热损失hh,无冷凝输送条件成立,其极限输送距离为Lm a x。Lm a xGD2 qShb103(20)示例:已知饱和蒸汽参数po=1.1MPa,32区域供热 2023.4 期用户端允许压力p2=0.5MPa,供汽量G=49 t/h=13.6 kg/s,管径Di=0.35m,保温后外径D2=0.65m,保温结构设计散热损失 qS=55 W/m2,由式(16)计算的 hb=d hbd p p=55.81(0.11.255-0.71.255)=32.568,则按式(20)计算的无凝输送距离为 3 943.7 m。这与设定的阻力系数LPDi+=240 之间基本上是精准对接的。由 GB 50764-2012 还可计算得到相应的管道流速为:始端w1=25.2 m/s,终端w2=55.16 m/s。示例表明,对低压饱和蒸汽实施无凝输送有其可行性,但在保温质量、输送距离、最小流量等方面均有较为苛刻的要求,并需核算不同季节等变工况的可行性。5 结论(1)现有文献中有关蒸汽管网凝结水量计算及降凝措施的研究,在热力学层面上缺乏应有的深度,有必要填补空白。(2)推荐运用水蒸汽焓熵图来研究蒸汽管网输送过程的热力学特征,来形象反映管道热损与压损对凝结水生成与降凝的机理。(3)管网散热过程主导蒸汽管网输送中凝结水的生成。影响凝结水量的主要因素有保温质量、流量大小和输送距离。基于质能平衡原理推导出来的凝结水量公式可用于计算因管道热损所生成的凝结水量。本文对计算公式进行了验证和完善。(4)管网压降过程主导蒸汽管网输送中生成凝结水的温度(焓)起点。压损越大,终压越低,凝结温度(焓)起点越低,越有利于降低凝结水的生成。对长距离输送压降计算应该按相应规范计算热力参数及焓值。本文提出了饱和焓值与管道压损之间的精准拟合方程。(5)管网压损所引起的降凝效应主要反映在低压饱和蒸汽领域。本文论证了低压饱和蒸汽实施无凝输送的可行性,提出了评估无凝输送的计算公式和示例,可供业界参考。参考文献 1孙玉宝,田贯三,王东,等.济南市集中供热蒸汽管网热损失的调查及分析 J.区域供热,2006(3):29-33.2高鲁峰,田贯三,丁国玉,等.蒸汽供热管网凝结水损失的影响因素及其分析 J.能源工程,2008(1):50-54.3王凤华.蒸汽供热管网运行现状分析 J.区域供热,2014(1):50-54.4徐文忠,冯永华.过热蒸汽无冷凝输送技术研究 C/山东省制冷学会.2007 年山东省制冷空调学术年会论文集,2007:277-278.5姚胭脂.浅析过热蒸汽管道冷凝水量的理论计算 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