化工厂动力岛蒸汽管道设计要点与优化计算

张智超

摘 要：化工厂动力岛主蒸汽管道由于其高温高压的特点在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道设计的好坏将直接影响整个动力岛的设计质量及运行维护。同时蒸汽管道又是化工厂重要的公用工程管道，要全面考虑管径、管材、管道温降、压降，笔者结合自己参与设计的实际工程，分析了蒸汽管道设计中的要点;并通过计算优化，实例分析蒸汽管道如何确定材质、管径，并做了投资回报的对比，希望能对日后的设计工作中提供一些借鉴和帮助。

关键词：蒸汽管道;设计要点;优化计算

化工厂动力岛主蒸汽管道由于其高温高压的特点在汽水管道中占有重要地位，主蒸汽管道设计的好坏将直接影响整个动力岛的设计质量及运行维护。同时蒸汽管道又是化工厂重要的公用工程管道，要全面考虑管径、管材、管道温降、压降，笔者结合自己参与设计的实际工程，分析了蒸汽管道设计中的要点;并通过计算优化，实例分析蒸汽管道如何确定材质、管径，并做了投资回报的对比，希望能对日后的设计工作中提供一些借鉴和帮助。结合笔者参与设计的实际工程，某煤制烯烃项目。其动力岛规模为4x240t/h高温高压煤粉锅炉，向空分装置和DMTO装置提供高温高压蒸汽。主蒸汽管道采用母管制系统。主蒸汽管道从锅炉汇汽集箱上引出送到集中母管中，分两路送出界区供烯烃分离压缩机透平和空压机透平使用。为了保证系统安全可靠，母管上装有两台串联的分段阀，以便系统检修或某段出现事故时另一区段正常运行。

1 蒸汽管道设计要点

在前期设计主蒸汽管道的过程中，要根据用户对蒸汽的实际需求量，计算选取对应的管道直径，当蒸汽管道的直径过小时，蒸汽的流动速度非常快，则压降增大会导致蒸汽使用点压力不达标;如果设计的蒸汽管道直径过大，就会增加资金投入，且流速过慢会提高管道的热损失，冷凝水量也会有很大增加。所以，在设计蒸汽管道管径时，要根据实际流速、流量和压力进行选择，确保管径合理化，从而保证蒸汽管道工程项目经济的最优化和技术合理化。

计算管径，首先要确定蒸汽流量。在本项目，单台锅炉的额定蒸发量为240t/h，参数为9.8MPa、540 ℃，蒸汽密度为28.19kg/m3。蒸汽管道，其允许的流速范围为40～60 m/s，为保证留有一定裕量，计算中考虑在锅炉房內蒸汽管道流速取40m/s。在化工厂中通常需保证下游供汽的稳定，往往考虑设置备用锅炉或者汽源，故本项目锅炉为三开一备。考虑全负荷情况，在锅炉房内集汽集箱至锅炉母管蒸汽管道流量为240t/h，锅炉房内母管最大流量为720t/h，送出界区外两根母管最大流量为360t/h。

将以上数据分别代入公式（1）中进行计算，得出管道的计算管内径范围分别为：①集汽集箱至母管：225mm～275mm;②锅炉房内母管：388mm～475mm;③蒸汽去外管：275mm～336mm。

锅炉房内蒸汽管道流速选取为40m/s，界外管道由于本项目装置规模大，外线长度长，为保证用户蒸汽压力，故蒸汽管道流速可适当降低（第三小节将对蒸汽管道进行详细）。根据以上内径的计算结果，粗估外径后，初步确定各段管道外径分别为：①：Φ325mm;②：Φ450mm;③：Φ450mm。

2 管径优化的实例计算

上文提及的工程为例，本工程主蒸汽系统，管道材质为12Cr1MoVG。本项目空分界区要求进入蒸汽参数额定工况为9.0±0.49MPaG，温度为533℃（+5℃，-10℃）。现假定进入空分界区的蒸汽参数为9.1MPaG，温度为533℃。假设锅炉集汽集箱出口蒸汽流量240t/h，压力和温度由用户处经过计算反推。经过管道的水力学计算得出，从集汽集箱出口至锅炉房出厂房外母管处压力将为0.27MPa，温降2℃;从锅炉房界区至空分界区的蒸汽压降0.15MPa，温降2.5℃。故锅炉集汽集箱出口蒸汽参数为9.52 MPaG，温度为537.5℃。

目前高温高压蒸汽管道另外一种使用较多的材料A335-P91（简称P91）。P91刚才属于改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢。目前，我国已研制出该钢种并纳入GB5310标准中。主要用于制造亚临界锅炉壁温≤625℃高温过热器、壁温≤650℃的高温再热器钢管，以及壁温≤600℃的高温集箱和蒸汽管道。P91在540℃时的许用应力约为54MPa，远远大于12Cr1MoVG。在管道设计中，参见上文的管道壁厚计算公式，许用应力越高，在相同的蒸汽参数下，材质为P91的管道壁厚要薄于12Cr1MoVG，更有利于管道的加工运输和施工。P91的线膨胀系数小于12Cr1MoVG，管道的热应力及位移更小，补偿弯曲半径更小，对于设计管道布置及管机专业的应力计算也是有利的。

3 结论

（1）主蒸汽管道的设计中，有很多需要注意和进一步探讨研究的问题，以上所述是笔者在工作中提炼出的几点内容，也是个人设计工作的一个总结。要做好主蒸汽管道的设计配管，还需要掌握更多的标准规范，吸取更多的工程经验，不断地进行优化，确保生产装置的安全运行。

（2）对于业主来说，当主蒸汽参数为9.8MPa，540℃时，锅炉房（动力岛）主蒸汽管道设计流速可以选取40m/s，材质12Cr1MoVG是经济适用的。当化工厂自备热电站，且热电站规模较大时，管道材质选用P91是经济适用的。

（3）当蒸汽量较大且用汽装置较远时，推荐主蒸汽流速30～35m/s左右，可以合理的控制压降，保证下游蒸汽用户的进汽参数。管径计算和材质的选择，需要综合比较管道重量，土建造价，配管研究，施工费用等使得初投资和运行费用达到最优经济比。

（4）本论文仅从工艺及管道角度结合某实际工程出发进行论述和计算，难免有局限性。

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