蒸汽管道计算实例

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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。

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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）

阻力系数

名 称

（ξ）

止回阀 煨 弯 方型伸缩

旋启式 R=3D 煨弯

3 0.3 5

1 10 6 数量

（毫米） 200 200 200

数 3 3 30

管子公称直径总阻力

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器 R=3D

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

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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）；

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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

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㎝/（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）

管 长

管段号

（m）

1-2

36.52

数 12

自然补偿

———

线膨胀系

补偿类型 补偿器类型

量（㎝）

满足补偿要

8.76

求

2-3

26.40

12

自然补偿

———

满足补偿要

6.34

求

热伸长

备注

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满足补偿要

3-4

46.757

12

人工补偿 矩形补偿器 12.57

求 满足补偿要

4-5

35.6

12

人工补偿 矩形补偿器 8.54

求 满足补偿要

5-6

48.39

12

人工补偿 矩形补偿器 11.63

求 满足补偿要

6-7

61.41

12

人工补偿 矩形补偿器 14.74

求

7-8

72.85

12

自然补偿

———

满足补偿要

17.48

求

8-9

31.5

12

自然补偿

———

满足补偿要

7.44

求 满足补偿要

9-10

54

12

人工补偿 矩形补偿器 12.96

求 满足补偿要

10-11

48

12

人工补偿 矩形补偿器 11.52

求

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

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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

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道与设备保温》表2-45得λ=0.028+0.0002tp（ tp—保温层平均温度查《管道与设备保温》表3—8得tp=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。

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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：

壁厚

钢 号 钢管标准

（mm） δb MPa δs MPa

10 20

GB8163 GB8163

≤10 ≤10

335 390

205 245

200 101 123

250 92 110

常温强度指标

温度（℃）

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：

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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《室内热力管道支吊架》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。

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