蒸汽管道计算 蒸汽管道节流
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)
名 称
阻力系数(ξ)
数量
管子公称直径(毫米)
总阻力数
止回阀
旋启式
3
1
200
3
煨 弯
R=3D
0.3
10
200
3
方型伸缩器
煨弯R=3D
5
6
200
30
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)
管段号
管 长(m)
线膨胀系数
补偿类型
补偿器类型
热伸长量(㎝)
备注
1-2
36.52
12
自然补偿
———
8.76
满足补偿要求
2-3
26.40
12
自然补偿
———
6.34
满足补偿要求
3-4
46.757
12
人工补偿
矩形补偿器
12.57
满足补偿要求
4-5
35.6
12
人工补偿
矩形补偿器
8.54
满足补偿要求
5-6
48.39
12
人工补偿
矩形补偿器
11.63
满足补偿要求
6-7
61.41
12
人工补偿
矩形补偿器
14.74
满足补偿要求
7-8
72.85
12
自然补偿
———
17.48
满足补偿要求
8-9
31.5
12
自然补偿
———
7.44
满足补偿要求
9-10
54
12
人工补偿
矩形补偿器
12.96
满足补偿要求
10-11
48
12
人工补偿
矩形补偿器
11.52
满足补偿要求
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
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。
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:
钢 号
钢管标准
壁厚(mm)
常温强度指标
温度(℃)
δb MPa
δs MPa
200
250
10
GB8163
≤10
335
205
101
92
20
GB8163
≤10
390
245
123
110
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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