浅谈蒸汽管网的设计

裴玉庆，朱 浩，曹红忠，贺建刚，樊 旭

(山西阳煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

引 言

随着时代的进步与发展,人们逐渐认识到大气污染防治的有效与否会直接影响到人类的可持续发展。我国大气污染的整体形势依然严峻，特别是京津冀及周边地区进入秋、冬季以来频繁出现重污染天气，持续给社会、经济与环境的的协调发展造成突出矛盾。根据国家环保部出台的环大气[2017]110号文件《京津冀及周边地区2017年-2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》，上述地区需要对燃煤锅炉、茶水炉、经营性小煤炉以及煤气发生炉进行全面排查，并开展集中整治、不留盲区。与此同时，进一步扩大燃煤小锅炉淘汰范围。仅2017年，全国需全部“清零”4.4万台燃煤锅炉，其中包含山西省969台。所有关停的燃煤锅炉必须拆除烟囱或物理切断烟道，确保其不可复产。山西省作为能源生产与消耗大省，明确表示在2017年10月底前，在城区淘汰20 t及以下、县城淘汰10 t及以下燃煤锅炉。淘汰方式可多样化，如取缔关闭、煤改气、煤改电，进行集中供热替代，或改用地热、风能、太阳能以及配备布袋除尘器的生物质能等。

为了积极响应国家环保政策，同时不影响企业用汽需求，金沙滩生物医药园区决定全面关停区域内众多企业的小型燃煤锅炉，并配套建设蒸汽管网系统，此举将对园区内各企业的生产发展产生积极作用。

本设计拟在金沙滩生物医药园区内建设蒸汽管网系统，线路从园区内的热力公司途经玉龙北门穿傅山街、诺成至华元北部，共有5家用汽企业。

1 各企业用汽情况

根据园区提供数据，各企业蒸汽用量为82.225 t/h(各用汽单位年基准时间按8 000 h计)，详见表1。

表1 各企业用汽汇总表

2 蒸汽规格

本工程所用蒸汽操作压力为0.981 MPa，操作温度为230 ℃，密度为4.882 3 kg/m3，比容为0.204 82 m3/kg，为过热蒸汽。

蒸汽管道设计压力为1.161 MPa，设计温度为250 ℃。

3 蒸汽输送方案

3.1 管道走向

本工程蒸汽管道从玉龙飞热力有限公司接出，向北穿过马路，沿着玉龙化工厂区围墙向北敷设，穿过傅山街后进入山西诺成制药有限公司厂区，在厂区东部继续向北敷设，在诺成厂区北面跨越一条马路之后进入山西华元医药生物技术有限公司，管道沿着东围墙向北敷设至锅炉房附近。

蒸汽管道总长度约2 600 m，其中，1 110 m为直径DN600的利旧管道，其余为新增管道，新旧管道的分界点位于玉龙化工西围墙的中部，分界点以南至玉龙飞热力有限公司是利旧管道，分界点以北至管道终点是新增管道。本次设计的范围是新增蒸汽管道。

3.2 管路计算

蒸汽流量为82.225 t/h；各用汽企业需要的蒸汽压力为0.7 MPa。

现有蒸汽管网：管道直径为DN600(Φ630 mm×9.0 mm)，由《蒸汽流速计算》软件可得出：管道流速：17 m/s，比摩阻：16.56 Pa/m。根据管道走向图现有管道长度为1 110 m，因此，现有管道末端蒸汽压力为0.963 MPa。

现有DN600管网末端蒸汽参数为：压力：0.963 MPa(G)，温度：230 ℃(忽略温度损失)。

由《水和水蒸汽热力性质的计算程序》软件可得出：此温度压力下的蒸汽为过热蒸汽，密度为4.796 9 kg/m3，比容为0.20 847 m3/kg，焓值为2 894 kJ/kg。

新建蒸汽管网：选取管道直径为DN450(Φ480 mm×9.0 mm)，由《蒸汽流速计算》软件可得出：

管道流速：28 m/s，比摩阻：66.45 Pa/m。根据管道走向初步计算管道长度为1 490 m。

因此，末端用汽压力为0.864 MPa。

4 管道布置及支撑

4.1 管道敷设

本次设计的蒸汽管线管径选用DN450(Φ480 mm×9.0 mm)，连接现有DN600管道继续向北敷设。管道沿地面架空敷设，敷设高度1 m，管道补偿采用Π型补偿器，本着有效利用空间的原则，Π型补偿器与地面垂直放置。管道坡度依就地势，约为0.1%～0.5%。

管道材质选用20#钢(GB3087-2008)，管道支撑点设置管托，管道温度100 ℃

蒸汽主管在接口处配有切断阀，并设置流量计及阀组，为各用汽企业预留接口并配有切断阀门及计量装置。蒸汽主管切断阀选用PN16 DN450闸阀，型号：Z41H-16C，阀门材质：WCB/13Cr。

蒸汽管道应高点放空，低点排净，放空阀和排净阀均采用双阀门设计，在操作阀门时，操作人员应做好防烫保护措施，切勿靠近蒸汽出口，以免烫伤。

4.2 Π型补偿器的设置

蒸汽管道固定点距离约为36 m～38 m，固定点之间设置Π型补偿器，Π型补偿器H=7 m，l3=5.3 m，R=4D。Π型补偿器采用独立式管架支撑，并根据管道应力分析结果，设置适当的弹簧支架。

Π型补偿器形式见图1。

图1 Π型补偿器示意图

4.3 球形补偿器的设置

此蒸汽管线途中需跨越一处厂区大门(宽约17.9 m)，紧接着需要跨越一条马路，马路包括两侧绿化带、人行道和中间的机动车道，设计时采用厂区大门和马路联合跨越的方案，4个桁架串联，其管道长度约150 m，热伸长量约450 mm，从安全和美观的角度考虑，宜使用球形补偿器，分别在两侧的竖管上各设置一组(2台)DN450的球形补偿器，并根据管道应力计算结果，设置弹簧支架、导向支架、滑动支架(见图2)。

图2 球形补偿器安装管段

4.4 管架

本次设计管架采用钢结构，管架形式采用独立式管架、纵梁式管架、桁架式管架三种，其中以独立式管架为主，管架宽度1.5 m，高度包含1 m和8 m两种情况，共计111个独立式管架；跨越马路、厂区大门时，根据跨越距离，采用纵梁式管架或桁架，管架跨度9 m

蒸汽管线在跨越一个路口时与现有的10 kV架空电缆交叉，电缆高度约9.5 m，根据《城镇供热管网设计规范》(CJJ 34-2010)规定，蒸汽管道与电缆垂直距离不小于2 m，再根据《工业企业总平面设计规范》(GB 50187-2012)规定，管架跨越道路的最小净距不小于5.0 m，因此，此处管架高度为6.5 m，与路面净距约6 m。

管架基础采用现浇钢筋混凝土基础，钢柱脚为刚性固定。

5 结语

蒸汽管道的设计首先根据蒸汽的温度、压力、流量等确定管径，再根据管道走向布置管架并设置固定点，根据固定点设置Π型补偿器和球形补偿器，最后进行管道应力计算，并根据计算结果设置弹簧支架、导向支架和滑动支架。