蒸汽管道计算实例

前言
本设计目的是为一区VOD-40t钢包精练炉提供蒸汽动力。

设计参数是由动力一车间和向阳喷射技术提供的。

主要参数：蒸汽管道始端温度250℃，压力1.0MP；蒸汽管道终端温度240℃，压力0.7MP（设定）；
VOD用户端温度180℃，压力0.5MP；
耗量主泵11.5t/h 辅泵9.0t/h
一、蒸汽管道的布置
本管道依据一区总体平面布置图所描述的地形进行的设计，在布置管道时本设计较周详地考虑到了多方面的容：
1、蒸汽管道布置时力求短、直，主干线通过用户密集区，并靠近负荷大的主要用户；
2、蒸汽管线布置时尽量减少了与公路、铁路的交叉。

3、在布置蒸汽管线时尽量利用了自然弯角作为自然补偿。

并在自然补偿达不到要求时使用方型补偿器。

4、在蒸汽管道相对位置最低处设置了输水阀。

5、蒸汽管道通过厂房部时尽量使用厂房柱作为支架布置固定、滑动支座。

6、管道与其它建、构筑物之间的间距满足规要求。

二、蒸汽管道的水力计算
已知：蒸汽管道的管径为Dg200，长度为505m。

蒸汽管道的始端压力为1.0MP，温度为250℃查《动力管道设计手册》第一册热力管道（以下简称《管道设计》）1—3得蒸汽在该状态下的密度ρ1为4.21kg/m3。

假设：蒸汽管道的终端压力为0.7Mp，温度为240℃查《管道设计》表1—3得蒸汽在该状态下的密度ρ2为2.98kg/m3。

（一）管道压力损失：
1、管道的局部阻力当量长度表（一）
2、压力损失
2—1
式中Δp—介质沿管道流动的总阻力之和，Pa；
Wp—介质的平均计算流速，m/s；查《管道设计》表5-2取Wp=40m/s ；
g—重力加速度，一般取9.8m/s2；
υp—介质的平均比容，m3/kg；
λ—摩擦系数，查《动力管道手册》（以下简称《管道》）表4—9得管道的摩擦阻力系数λ=0.0196 ；
d—管道直径，已知d=200mm ；
L—管道直径段总长度，已知L=505m ；
Σξ—局部阻力系数的总和，由表（一）得Σξ=36；
H1、H2—管道起点和终点的标高，m；
1/Vp=ρp—平均密度，kg/m3；
1.15—安全系数。

在蒸汽管道中，静压头(H2-H1)10/Vp很小，可以忽略不计所以式2—1变为
2—2
在上式中：5·Wp2/gυp=5·Wp2ρp /g表示速度头（动压头）
λ103L/d为每根管子摩擦阻力系数。

把上述数值代入2—2中得
Δp=1.15×5×402×3.595 (0.0196×103×505/200+36)/9.8
=0.316 Mp
计算出的压力降为0.447Mp，所以蒸汽管道的终端压力
P2=P1-Δp=1.0-0.316=0.684 Mp。

相对误差为：（0.7-0.684）/0.7=2.3% 。

所以假设压力合理（二）管道的温度降：
1、蒸汽在管道中输送时，由于对周围环境的散热损失，过热蒸汽温降按下式计算：
Δt=Q·10-3/（G·C P）℃
式中Q—所计算蒸汽管段对周围环境的散热损失（千卡/时）；
G—管段计算蒸汽流量（吨/时）；
Cp—在管段平均蒸汽参数时，过热蒸汽的定压比热（千卡/千克·℃）。

总散热损失：Ｑ＝1.2·q·Ｌ＝1.2·148.5·505=89991 千卡／小时
蒸汽流量：Ｇ＝11.5+9.0=20.5 吨／小时
定压比热：Cp查《管道设计》图５－５得Cp＝0.515 千卡/千克·℃。

Δt=89.991/（20.5·0.515）=8.524 ℃
2、蒸汽管道的出口温度为t2=t1-Δt=250-8.524=241.48 ℃。

3、相对误差：8.524/250=3.4% 。

蒸汽管道终端的出口参数为：压力0.684MP 温度241.48℃，其计算结果和假设相一致。

三、管道伸长量和补偿计算
（以管段3-4为例）
（一）伸长量：
公式：ΔL=а·L(t2-t1) ㎝
式中L—计算管长，m，3-4管段的长度为46.57m；
а—管道的线膨胀系数，㎝/（m·℃），查表5-1得α=12.25㎝/（m·℃）；
t2—管介质温度，℃，已知t2=220；
t1—管道安装温度，℃，已知t1=20。

ΔL=12·46.57(245-20)=12.57㎝
所以，管段3—4的热膨胀量为125.7mm小于补偿器的补偿量150mm，及本段管道在受热时不会因线性膨胀而损坏。

（二）补偿器选型及校核计算：
采用的补偿方式为人工补偿，选取的补偿器为矩型补偿器，其型号为：150-2型，其补偿能力为150mm，所以3-4管段的伸长125.7mm<150mm补偿器能满足要求。

其它管段的伸长及补偿情况见下表：
表（二）
由上表可以看出整个VOD管道能在等于或低于设计参数的工况下正常运行。

四、管道的保温防腐设计
为了节约能源，提高经济效益，减少散热损失，满足工艺要求，改善工作环境，防止烫伤，一般设备、管道，管件、阀门等（以下对管道、管件、阀门等统称为管道）必须保温。

（一）保温材料的选择：
由于超细玻璃棉的纤维细而柔，呈白色棉状物，其单纤维直径4微米，对人的皮肤无刺痒感。

超细玻璃棉优点很多，其容重小，导热系数底，燃点高、不腐蚀是良好的保温、吸声材料。

同时有良好的吸附过滤性能，用途十分广泛。

因此在本次设计中保温我材料的是选择超细玻璃棉。

保护层采用玻璃布。

（二）保温层厚度的确定：
根据国标保温层厚度表（动力设施标准图集R410-2）超细玻璃棉制品保温层的厚度为70mm。

（三）保温层单位散热量计算：
公式：千卡/米·时
q—管道单位长度热损失（千卡/米·时）；
t—介质温度（℃）；
t0—周围环境温度（℃）；
λ—保温材料在平均温度下的导热系数（千卡/米·时·℃）查《管道与设备保温》表2-45得λ=0.028+0.0002t p（t p—保温层平均温度查《管道与设备保温》表3—8得t p=145℃）λ=0.057 千卡/米·时·℃；
—保温结构外表面向周围空气的放热系数（千卡/米2时）
千卡/米2时
千卡/米·时
所以，每米长管道在每小时的散热量为148千卡。

（四）保温结构：
保温层用包扎保温结构，用一层超细玻璃棉毡包扎在管道上，再用铁丝绑扎起来。

保护层采用油毡玻璃布，第一层，用石油沥青毡（GB325—73）、粉毡350号。

在用18#镀锌铁丝直接捆扎在超细玻璃棉毡层外面。

油毡纵横搭接50毫米，纵向接缝应在管子侧面，缝口朝下。

第二层，把供管道包扎用的玻璃布螺旋式地缠卷在石油沥青毡外面，连后用18#镀锌铁丝或宽16毫米、厚0.41毫米的钢带捆扎住。

五、管道及附件的设计和选择
（一）管道选型：
本设计所选择的管道为GB8163-87φ219×6DN200无缝钢管。

其许用应力：
由于本设计蒸汽的最高压力为1.0MP远低于92MP，所以所选管道安全可行。

（二）减压阀选型：
因为本设计蒸汽管道的出口压力为0.684MP而VOD正常工作压力为0.5MP所以在蒸汽管道的出口处应设一减压阀。

1、已知减压阀前压力为0.684MP，阀后压力为0.5MP根据《管道设计》图6-75查得每平方厘米阀座面积的理论流量q=300kg/㎝2·h；
2、已知蒸汽流量为20.5t/h，求得所需减压阀阀座面积为
㎝2
3、根据需减压阀阀座面积，查《管道》表9-11直径和减压阀的公称直径DN=200mm。

（三）支架及方型补偿器的选择：
为了保证管道在热状况下的稳定和安全，减少管道受热膨胀时所产生的应力，管道每隔一定距离应该设固定支架及热膨胀的补偿器。

支架的选择根据动力设施国家标准图籍R402《室热力管道支吊架》
和R403《室外热力管网支吊架》为依据进行的，在两固定支架之间设置一方型补偿器，其型号根据所在管段的热伸长量选择。