基于蒸汽密度变化的长距离供热蒸汽管道的优化设计探索

李广儒

摘 要：随着科学技术的发展，在生产中使用到加热工艺的情况越来越多。部分加工车间为了满足整条流水线的作业需求，将加热蒸汽管道修建的很长，这样一来，高温蒸汽由于流速的提升，管道内的蒸汽密度就会降低，难以起到较好的加热效果，不利于生产工作的顺利进行。文章从石油化工企业的实际需求出发，探讨了长距离供热蒸汽管道的优化设计方案，充分考虑到了模型的散热性、经济性与实用性，并结合实例对长距离供热蒸汽管道优化设计模型的可行性进行了深入分析，发现确实存在最佳的蒸汽流动速度，且速度值与蒸汽压力值、密度值呈反比。希望能以此为石油化工企业节省资金、获得最佳供热效果提供必要的帮助与启发。

关键词：蒸汽密度变化；长距离供热蒸汽管道；优化设计

提供加热蒸汽是过程工业企业中蒸汽动力系统的主要任务，因此企业的蒸汽管道一般都比较长。在长距离供热蒸汽管道的设计手册中，公称直径在0.1米到0.2米之间的管道，其过热蒸汽的流速一般在30米/秒到50米/秒范围内。当蒸汽管道的公称直径超过0.2米时，过热蒸汽的流速则在40米/秒到60米/秒范围内。在实现长距离供热蒸汽管道的优化设计时，加热不仅会导致蒸汽管道散热损失的增加，同时也可能导致蒸汽饱和温度的下降。此外，如果蒸汽管道比较长，压降与密度的变化量也会随之增加，在优化时需要予以重视。

1 建立优化设计模型

长距离供热蒸汽管道的优化设计首先需要建立以管道年度总花费为目标函数的模型，并以蒸汽的最佳流速以及保温层厚度为基础。模型一共可以分为四个组成部分，分别是摩擦压降损失所造成的费用C？驻P、散热时温度的降低所造成的费用C？驻t、管道材料的年维修费用Ceq1以及管道保温材料的年维修费用Ceq2。之所以使用、以上数据是因为他们都可以通过计算得到，因此目标函数变得更加简洁。

如果实际的生产工艺是通过将工艺装置中所产生的蒸汽送到汽轮机组用以发电，那么以上公式中的G就是定值，只需要对上式中的管道内经以及保温层厚度进行优化即可；如果实际的生产工艺是将蒸汽送至工艺用的汽轮机中，那么驱动功率就是定值，汽轮机的发电功率Pt与蒸汽流量之间呈线性关系：Pt=At+Bt·G

上式中，At以及Bt均为已知系数。

2 该优化模型的实际应用效果分析

有一炼油厂，主要以余热锅炉来生产蒸汽并将其输送到2千米远的汽轮机中用来发电。

由于该炼油厂蒸汽输送所使用的管道之间为非连续性变化，因此本次选定五种管径进行计算，得到五种不同的工况，分别计算每种不同工况所需要的蒸汽流量G。优化过程中所取微元段内的蒸汽物性假设不发生变化，需要从起始段开始计算水蒸气的物性参数，具体可以参照工业计算模型所提供的参数进行计算。得到水蒸气的物性参数之后，计算所取微元段内的温降以及压降，以得到下一微元段的起始温度和压力，这样重复计算直到最后一段。本次优化将蒸汽管不到共划分为40个微元段，只需要较短的时间就可以初步确定最佳的保温层厚度以及最佳管径的范围，然后通过增加微元段数量的方式逐渐缩小范围。利用该方法得到确切的最佳保温层厚度以及最佳管径之后再进行优化，结果不会发生变化。

3 结束语

通过对长距离供热蒸汽管道的优化设计模型进行进一步探讨分析可知，蒸汽管道的直径大小与低压蒸汽在通过管道时的流速具有直接关联。若管道直径过小，则蒸汽流速减缓；若蒸汽管道的公称直径处于10cm-20cm之间时，过热蒸汽的流动速度可以提升到20m/s左右；当蒸汽管道的公称直径超过20cm时，过热蒸汽的流动速度甚至可以达到35m/s。技术人员在参与设计时，要充分考虑到管道内蒸汽密度的变化情况与生产装置的弹性值，从实际出发，对设计方案提出建设性意见，发现不足之处后应该及时做出调整，以获得最佳设计模型，最大程度上满足生产过程中的供热需求，将其进一步推广使用。

参考文献

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