2021年蒸汽管道计算实例

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前言

欧阳光明(2021.03.07)

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西安向阳喷射技术有限公司提供的。

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内容:

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、蒸汽管道通过厂房内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范要求。

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—介质沿管道内流动的总阻力之和,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·CP)℃

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—管内介质温度,℃,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+0.0002tp(tp—保温层平均温度

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