环状低压蒸汽管网凝液产生的分析与研究

秦志英 格兰富水泵(上海)有限公司 上海 200120

蒸汽作为一种热能载体, 被广泛应用于石油、化工、造纸、橡胶、电力等工业领域中。由于环境温度较低，蒸汽管网会有热量损失。装置中，由蒸汽源输送至蒸汽管网的蒸汽通常为过热蒸汽，如果管道损失的热量超过设计值，则会有部分过热蒸汽冷凝成近乎同温同压下的饱和凝结水，所损失的热量可达蒸汽全热量的20%～30%[1]。为满足节能减排的需要，同时，为避免蒸汽管线底部的凝结水引起水击，必须对全厂管线的凝液进行回收以避免管道内凝结水的积存。回收后的凝液通过专设的凝液回收总管送至相关区域的回收装置，在进行净化处理后作为给水送至锅炉，以实现节水、节能的清洁生产。

过热蒸汽在输送过程中随着管道外侧与周围环境不断散热，沿管道长度方向过热蒸汽温度逐渐降低。而过热蒸汽在管道中是否发生相变冷凝，取决于管道内壁面温度是否低于过热蒸汽压力下的饱和温度。当过热蒸汽温度降低至其饱和温度时，管道产生冷凝液。对于环状蒸汽管线，由于过热蒸汽沿管长方向的温度变化计算比较复杂，所以判断蒸汽管线是否会产生凝液比较困难。本文将介绍一种比较简便的方法来判断环状蒸汽管线是否会产生凝液。

1 计算方法

通过计算整个环状管网各管线的最大热损失量和分析各管线中正常蒸汽流量以及最小蒸汽流量，引入管线热损失率的概念来评估凝液产生的可能性。本文采用各管线沿程热损失量累计的方式来表征蒸汽沿程过热度的降低。管线热损失率是管线的最大热损失量与入口过热蒸汽和饱和蒸汽之间的焓差的比值。若该比值小于1，说明管线内蒸汽仍具有一定的过热度，从而判断出管线内的蒸汽温度高于蒸汽压力下的饱和温度，不会有凝液产生。

1.1 管线最大热损失量的计算

每段管线在空气中的热损失采用以下公式进行计算[2]。

(1)

q=πD1Q

(2)

式中，Q为以每平方米绝热层外表面积表示的热损失量W/m2;q为以每米管道长度表示的热损失量W/m;T0-为管道或设备的外表面温度℃；Ta为环境温度℃；αs为绝热层外表面与周围空气的换热系数W/(m2·K);λ为绝热材料在平均温度下的导热系数W/(m·K);D0为管道或设备外径);D1为绝热层外径m。

1.2 管线热损失率的计算

引入热损失率的概念来评估低压蒸汽的过热度余量。

(3)

Q′=qXL

(4)

式中，l为各管线热损失率;Q′为各管线热损失量，kW;L为各管线长度， m;F为各管线流率，kg/s;Ein为各管线输入的蒸汽焓值，kJ/kg;Esat为各管线输入的蒸汽在饱和状态下的焓值(忽略管线压力降)，kJ/kg。

若计算所得热损失率小于100%，说明该蒸汽管线的蒸汽在热损失后仍处在过热状态，不会有凝液产生。热损失率越小，则凝液产生的几率就越小。

对于环状管网，其优点是具有很高的供蒸汽的后备能力。当管网中的某处出现故障时，可以通过关闭切断阀切出故障段后，通过环状管网由另一方提供蒸汽，确保不会发生大面积的停蒸汽工况。所以，在设计过程中，包括管线的定尺、冷凝液回收方案设计等，都需要考虑环状管网某处出现故障需要断环的工况。所以，分别计算正常不断环工况和断环工况下的各管线的热损失率是必要的。

2 计算举例

以某项目为例，通过计算来评估此项目中环状的过热低压蒸汽管网是否会产生凝液。低压蒸汽的操作条件及过热度见表1。

表1 低压过热蒸汽操作条件表

其中蒸汽地焓值来自于PRO/II 9.3, 采用的物性方法是NRTL。

2.1 管线最大热损失量的计算

环形低压蒸汽管网的流程简图及管线号见图1。蒸汽用户分布在环形管网周围。L01～L02是管线编号。以L01为例，N: 40t/h，是指在正常不断环的工况下，流经L01管线的流量是40t/h。M：25t/h, 是指在断环工况下(仅考虑一条管线故障或失效，不考虑多重失效)，即在L02、L03、L04、L05、L06、L07、L08分别故障或失效的工况下，计算在上述7种工况下，流经L01的流量，并取最小值。所有流量均为采用AFT Fathom 11软件计算所得。

图1 环形低压蒸汽管网的流程简图

各管线热损失量计算结果见表2。

表2 各管线热损失量表

2.2 管线热损失率的计算

首先，分析不断环正常工况。此工况下各管线流量见图1。随着蒸汽由蒸汽发生器(锅炉或废热锅炉)送入环形管网，由于沿程的热量损失，蒸汽在管网内的过热度会因与蒸汽源的距离不同而发生变化，离蒸汽发生器越远的管道，管线内蒸汽的过热度越低，越容易产生凝液。采用各管线沿程热损量失累计的方式表征蒸汽沿程过热度的降低。各管线沿程累计的热损失量计算结果见表3。

表3 正常工况下各管线热损失量表

其次，分析断环工况。根据图1，蒸汽发生装置输送蒸汽至L05管线，蒸汽经由L05管线输送至全网，实现给全厂蒸汽用户输送蒸汽的目的。根据初步分析，当C1或C2被切断时，环状管网被切成支状管网且管网总长达到最长，意味着末端管段的管线热量损失达到最大，最易产生蒸汽凝液。各管线最大热量损失量及对应工况见表4。

表4 各管线最大热量损失量及对应工况表

根据管线热损失率计算公式，各管段流量F值越小，l值就越大，蒸汽管网产生冷凝液的可能性就越大。基于保守考虑，需要计算各管线流量最小时的管线最大热损失率。通过对断环以及用户间歇或连续操作的分析，得出各管线上的最小管线流量见图1。

基于以上分析，分别计算两种工况下的各管线热损失率l，结果见图2、图3。

图2 不断环正常工况下各管线热损失率

图3 断环工况下各管线最大热损失率

3 结语

对于低压蒸汽的环状管网，引入管线热损失率l的概念来计算评估管线产生凝液的可能性的方法是可行的。l值越小，凝液产生的几率就越小。在示例项目中，不断环的正常工况下，不会有冷凝液产生。但考虑到事故工况，对断环工况进行分析计算，结果表明有62.5%的管线有可能产生凝液。本评估方法对蒸汽管网是否设置凝液回收系统具有一定的指导意义。