蒸汽和冷凝水系统手册(蒸汽分配系统)-10

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。
10.1.2
蒸汽和冷凝水系统手册
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。
m 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
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。
m 蒸汽 .co 蒸汽
煮锅
煮锅
蒸汽 冷凝水
制程 容器
空间 加热 系统
冷凝水 冷凝水
造成不同的原因是摩擦系数的类型。必须确保在适当的D Arcy公式中选择了合适的摩擦系数。如果 错误的公式与错误的摩擦系数相匹配，将会导致400%的误差，因此一定要采用正确公式和摩擦系数的 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。
第10章 蒸汽分配
蒸汽分配系统介绍 章节10.1
com 10.1 www.bzfxw. 蒸汽分配系统介绍
蒸汽和冷凝水系统手册
10.1.1
第10章 蒸汽分配
蒸汽分配系统介绍 章节10.1
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。
xw 补水 f 给水泵
给水箱
冷凝水
蒸汽
z图10.1.1 基本蒸汽流程 b 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
液体 第4章流量计中讨论了伯努利定理（Daniel Bernoulli 1700-1782）。在此基础上，D Arcy（D Arcy
Thompson 1860-1948）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。
hf
h1 h2
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。
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：
15 20 25 32 40 50 65 80 100 150
. 管标号 40
15.8 21.0 26.6 35.1 40.9 52.5 62.7 77.9 102.3
154.1
w 管标号 80
内径 (mm) 146.4
13.8 18.9 24.3 32.5 38.1 49.2 59.0 73.7 97.2
. 的管壁对流体的相互作用是完全不同的。
将这些变量代入D Arcy-Weisbach公式（通常指D Arcy公式），得到公式10.2.1。公式中还有一个无
w 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。
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，
x 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：
f L = 管道长度 (m)；
D = 管道口径 (m)；
z u = 流体的平均流速 (m/s)；
μ= 流体的动力黏性系数 (kg/(m·s)=Pa s)；
b ρ = 流体密度 (kg/m3)；
ks = 管壁的粗糙度* (m)。 *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
m 管道直径 (D)
流速 (u)
co 长度(L)
. 点 1
点2
图10.2.3 管道的摩擦阻力
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）
w 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。
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
道管标号。
o 本章节考虑的是BS 1600标准中管标号为40的管道。
BS 1600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。
c 在欧洲大陆，管道是按照DIN标准制造的，DIN 2448标准见表10.2.1。
管道公称通径 (mm)
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。
m 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
b 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。
www. 图10.2.1 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
管道材质
蒸汽系统的管道通常采用符合ANSI B 16.9 A106标准的碳钢管。冷凝水管道也可使用相同材质的管
w他在1883年首先给出了计算流体中能量损失的科学方法。
wD Arcy公式 (公式10.2.1):
hf
=
4 f L u² 2gD
公式10.2.1
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）；
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10.2.3
o 这一点。 xw.c 压力(bar g)
图10.1.2 干饱和蒸汽的压力/比容曲线
f 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
z 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
w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
w出力，决定着能量的消耗程度。不管锅炉是在4 bar g、10 bar g还是100 bar g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。
b 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
w 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
将在第12.5节中详尽讨论。
o 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。
c 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。 w 上游压力表 - 检测供汽压力的正确性。 过滤器 - 保持系统干净。 x 下游压力表 - 设定和监测下游压力。 www.bzf 下游截止阀 - 下游无负载时有助于设定下游压力。
10.1.4
蒸汽和冷凝水系统手册
第10章 蒸汽分配
管道和管道选型 章节10.2
com 10.2 www.bzfxw. 管道和管道选型
蒸汽和冷凝水系统手册
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10.2.1
第10章 蒸汽分配
管道和管道选型 章节10.2
管道和管道选型
标准和管道壁厚
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。
第10章 蒸汽分配
蒸汽分配系统介绍 章节10.1
比容 (m3/kg)
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。
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。 一般，每段管道的长度为6m。
10.2.2
蒸汽和冷凝水系统手册
第10章 蒸汽分配
管道和管道选型 章节10.2
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。
第10章 蒸汽分配
管道和管道选型 章节10.2
g = 重力常数 (9.81 m/s2)； D = 管道口径 (m)。
有趣点 可能有的读者会在不同的地方发现D Arcy公式稍有不同，如公式10.2.2。其实公式10.2.2与公式
10.2.1相近，只是没有了常数4。
hf =
f L u² 2gD
公式10.2.2
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。
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10.1.3
第10章 蒸汽分配
减压阀
蒸汽分配系统介绍 章节10.1
安全阀
蒸汽
汽水分离器
过滤器
蒸汽
疏水阀组
冷凝水
图10.1.3 标准减压站
m 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
x 表10.2.1 管道标准和实际内径的比较
在英国，如果不是法兰连接而是螺纹连接的管道按照BS 1387标准（钢管和其它用于BS21管螺纹标
f 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。
z 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。
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，
w 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
w 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”。
w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