蒸汽和冷凝水系统手册(蒸汽分配系统)-10

10.1.1蒸汽分配系统介绍章节10.1第10章蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册10.1蒸汽分配系统介绍699基本蒸汽流程蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水制程容器空间加热系统冷凝水冷凝水补水给水泵给水箱煮锅煮锅蒸汽分配系统介绍蒸汽分配系统是蒸汽源和用汽设备之间必不可缺的连接部分。本章我们将讨论从蒸汽源到使用点的蒸汽分配过程。蒸汽源可以来自于锅炉房或者热电联产。锅炉可以是燃煤、燃油和燃气的锅炉，也可以是余热锅炉(使用高温过程产生的废气，或者发动机甚至是焚化炉)。无论汽源如何，为了在用汽点得到高品质的蒸汽(正确的蒸汽量和压力)，高效的蒸汽分配系统是关键所在。蒸汽系统的安装和维护也是非常重要的问题，这些必须在设计阶段就给予充分的考虑。蒸汽系统的基础首先，有必要了解基本的蒸汽循环流程或“蒸汽和冷凝水回路”，见图10.1.1。随着蒸汽冷凝，及其在供汽管道中引起流动。同蒸汽相比，冷凝水的体积非常小，这导致了压力的下降，该压力的下降使蒸汽在管道中流动。锅炉产生的蒸汽必须通过管网输送到使用热量的用汽点。通常从锅炉出来，有一根或多根蒸汽主管向用汽设备方向输送蒸汽。然后通过小口径的分支管道将蒸汽送给各个用汽设备。当锅炉的主汽阀（常称为冠状阀）缓慢打开，蒸汽立即从锅炉进入蒸汽主管，并沿着蒸汽管道到达压力较低的用汽点。在初始状态，蒸汽管道是冷态的，因此热量从蒸汽传递给管道。管道周围的空气更冷，管道也会传热给空气。接触到冷管道的蒸汽立即冷凝。在系统起机阶段，蒸汽的冷凝率最大，这是因为此时蒸汽和管道之间的温差最大。这种冷凝率一般称之为“起动负载”。一旦暖管结束，蒸汽和管道之间的温差将会最小，但此时由于管道继续向周围的空气散热，蒸气还会出现冷凝。这种冷凝率一般称之为“运行负载”。这样形成的冷凝水积累在管道底部。由于蒸汽主管沿蒸汽流动方向通常布置有一个向下的坡度，冷凝水在蒸汽携带和重力的作用下将沿蒸汽流动的方向流动，因此冷凝水必须在蒸汽主管的某些关键点处进行排放。当用汽设备的蒸汽阀门打开，蒸汽从分配系统进入用汽设备并再次接触冷态的加热面。然后蒸汽释放出蒸汽焓加热设备和产品（起动负载），并且到达温度后，继续传递热量给工艺制程（运行负载）。现在来自锅炉的蒸汽可以连续的供给以满足所连接设备的负载要求，同时为了维持该蒸汽供给，锅炉必须产生更多的蒸汽。因此，需要更多的补水（还有更多的燃料加热水）供给锅炉，以补充先前蒸发为蒸汽的水。700干饱和蒸汽的压力/比容曲线不管是在蒸汽输送管道中形成的冷凝水，还是在制程设备中产生的冷凝水，都是便利的、包含有效热量的锅炉给水。尽管冷凝水应尽快地从蒸汽空间排除，但冷凝水是很有价值的，不允许随便排放浪费。把全部的冷凝水回收至锅炉给水箱形成完整的蒸汽回路，这应在尽可能应用的情况下采用。冷凝水回收至锅炉的方法将在第13章“冷凝水回收”和第14章“冷凝水的管理”中详尽讨论。工作压力蒸汽输送压力受很多因素的影响，但受限于：锅炉的最大安全工作压力。设备所需的最小压力。随着蒸汽在输送管道中的流动，由于以下因素不可避免的压力降低：管道中的摩擦阻力（详述见10.2节）。由于管道向周围环境散热而引起的蒸汽冷凝。因此在决定最初的输送压力时必须考虑一定的余量。每千克蒸汽在高压时要比低压时的体积小。鉴于此，如果锅炉是在较高的压力下产生蒸汽，并在这个较高压力下输送蒸汽时，相同热负载输送同样的蒸汽量需要的管道口径比低压系统时小。图10.1.2说明了这一点。在高压下产生并输送蒸汽具有以下三个好处：锅炉的蓄热能力增强，有助于更有效的处理系统负载的波动，减少汽水共腾和产生潮湿及较脏蒸汽的危害性。蒸汽管道的口径更小，从而蒸汽管道的投资费用减少，包括管道、法兰、支撑件、保温等材料的费用和劳务费用。小口径蒸汽管道的保温费用少。高压下输送蒸汽，为了能满足应用的最大压力要求，有必要在系统的每个用汽区或用汽点降低蒸汽的压力。就地的减压站即可满足单独的用汽设备，也能在用汽点产生更加干燥的蒸汽（第2.3节给出了这方面的解释）。注：有时人们认为锅炉在低压下运行比在其额定压力下工作要节省燃料。这种逻辑是根据高压下需要更多的燃料来提高蒸汽的温度。当然，这种逻辑有一些真实性，但我们应该记住，是锅炉产生蒸汽所提供的负载，而不是锅炉本身的出力，决定着能量的消耗程度。不管锅炉是在4barg、10barg还是100barg下产生蒸汽，只要负载一样，所需要的能量就是一样的。锅炉工作在更高压力下的停机损失、燃料损失和运行损失确实有所增加，但这些损失可以通过良好的保温以及正确的冷凝水回收而降低。与高压下输送蒸汽的好处相比，这些损失不是很重要。减压站在用汽点降低蒸汽压力常用的方法就是使用减压阀，与图10.1.3减压站中显示的减压阀相似。压力(barg)比容(m3/kg)701标准减压站蒸汽汽水分离器过滤器减压阀安全阀蒸汽冷凝水疏水阀组汽水分离器安装在减压阀的上游，去除悬浮于湿蒸汽中的水分，以确保高品质的蒸汽经过减压阀。这将在第12.5节中详尽讨论。减压阀的下游设备受安全阀的保护。如果减压阀失效，下游压力可能会超过用汽设备的最大允许工作压力。这将永久性损坏下游设备，况且更重要的是对人体造成危害。安装了安全阀，任何超过的压力将通过安全阀排出，防止这种情况的发生（安全阀的描述见第9章）。减压站中其它的部件：上游截止阀-维护时关闭系统。上游压力表-检测供汽压力的正确性。过滤器-保持系统干净。下游压力表-设定和监测下游压力。下游截止阀-下游无负载时有助于设定下游压力。702红色标记带，重级，小于4m的管道图10.2.2蓝色标记带，中级，长度4~7m之间的管道不管管标号大小，一旦管道口径确定，它们的外径都相同（不含制造公差）。随着管标号的增加，管道壁厚也随之增大，而实际的内径减小。例如：管标号40公称口径100mm管道的外径为114.30mm，管道壁厚是6.02mm，因此内径102.26mm。管标号80公称口径100mm管道的外径为114.30mm，管道壁厚是8.56mm，因此内径97.18mm。只有40和80管标号覆盖了从15mm（1/2in）到600mm的所有公称口径，也是蒸汽系统中最常用的管道管标号。在欧洲大陆，管道是按照DIN标准制造的，DIN2448标准见表10.2.1。管道公称通径(mm)1520253240506580100150管标号4015.821.026.635.140.952.562.777.9102.3154.1内径(mm)管标号8013.818.924.332.538.149.259.073.797.2146.4目前世界上有很多的管道标准，但全球接受的标准来源于美国石油研究所(API)，管道按表示管壁厚度系列的号码来分类。这些表示管壁厚度系列的号码与管道的压力等级有关。这些管标号根据管道的压力等级分为11个系列，从最低的5至10、20、30、40、60、80、100、120、140和160。对公称口径小于150mm(6in)的管道，管标号40(有时也称为”标准重量”)是管道重量最轻的管标号，常用于蒸汽系统。表10.2.1管道标准和实际内径的比较准的管材）。通常以“蓝色带”和“红色带”作为参考，这也是管道等级确认标志。不同的颜色代表了特定的管道等级。红色带，表示重级，常用于蒸汽管道。蓝色带，表示中级，通常用于空气分配管道，有时也用于低压蒸气系统。标准和管道壁厚管道和管道选型管道材质道，尽管在有些行业也会使用铜管。对于高温的过热蒸汽主管，为了增强管道在高温下的应力和柔性强度，会包含某些合金成分，如铬和钼。本章节考虑的是BS1600标准中管标号为40的管道。BS1600标准给出了表示管壁厚度系列的管标号表，其中公称口径和壁厚的单位是毫米。表10.2.1比较了不同管标号下不同公称口径管道的实际内径。在英国，如果不是法兰连接而是螺纹连接的管道按照BS1387标准（钢管和其它用于BS21管螺纹标颜色标记带大约50mm宽，在管道上的位置也可表明管道的长度。短于4m的管道只有一个在管道末端的颜色带标记，4~7m长的管道在两端附近都有—颜色标记。蒸汽系统的管道通常采用符合ANSIB16.9A106标准的碳钢管。冷凝水管道也可使用相同材质的管一般，每段管道的长度为6m。704长度(L)h2流速(u)点1点2hf管道直径(D)此处我们引进了流体机械能损失中最重要的一点，即总的机械能损失是由于稳定流体在均匀管道内流动时管壁上摩擦造成的。管道内流动流体的总能量损失取决于：L=管道长度(m)；D=管道口径(m)；u=流体的平均流速(m/s)；μ=流体的动力黏性系数(kg/(m·s)=Pas)；ρ=流体密度(kg/m3)；ks=管壁的粗糙度*(m)。将这些变量代入DArcy-Weisbach公式（通常指DArcy公式），得到公式10.2.1。公式中还有一个无量纲参数，为摩擦系数，它和管道绝对粗糙度、流体的密度、速度和粘度以及管道口径有关。他在1883年首先给出了计算流体中能量损失的科学方法。DArcy公式(公式10.2.1):管道选型任何流体输送系统的目的都是在正确的压力下把流体输送至使用点。因此随之而来的一个重要的因素就是经过输送系统的压力降。液体第4章流量计中讨论了伯努利定理（DanielBernoulli1700-1782）。在此基础上，DArcy（DArcyThompson1860-1948）指出流体要产生流动，在点1的能量必须比点2的能量多（见图10.2.3）。能量之差用来克服管道和流动流体之间的摩擦阻力。公式10.2.14fLuh2gDf²=式中：hf=由于摩擦阻力引起的压头损失（m）；f=摩擦系数（无量纲）；L=长度（m）；u=流速（m/s）；伯努利定理阐述了流体中总能量的变化与能量消耗的关系，用压头损失hf（m）或比能损失hf（J/kg）来表示。但这无法预测在特定情况下压力的损失，因此用处不是很大。描述与流体密度、速度和黏度以及管道口径有关的参数叫做雷诺数，以雷诺（1842－1912）命名，*因为能量损失与管壁侧的剪切应力有关，管壁的特性具有很大的影响。相对较光滑的管壁与粗糙的管壁对流体的相互作用是完全不同的。705式中：f=摩擦系数（与国际制单位Moody表有关）；ks=管道绝对粗糙度(m)；D=管道口径(m)；Re=雷诺数（无量纲）。但公式10.2.3很难使用，这是因为摩擦系数同时出现在等式的两边。基于此通常查Moody表进行手工计算得出摩擦系数。在国际单位制形式的Moody表上，摩擦系数的范围通常在0.002至0.02，而在英制形式的Moody表上，量程范围在0.008至0.08。公式10.2.4公式10.2.5“国际单位制”摩擦系数“英制”摩擦系数组合。许多参考文献并没有说明定义了何种摩擦系数，有时必须根据数量级进行判断。同样的雷诺数和相对粗糙度，“英制摩擦系数”是“国际单位制摩擦系数”的四倍。摩擦系数可从Moody表查出，湍流的摩擦系数也可根据从Colebrook-White公式发展而来的公式10.2.3计算出。所使用的摩擦系数将决定是采用DArcy公