蒸汽管网安全稳定运行的设计管控

蒸汽管网安全稳定运行的设计管控

徐跃东周冠

江苏中能硅业科技发展有限公司江苏徐州221000

摘要：随着装置的大型化，因设计及操作不当，两相流蒸汽管道产生水击和柱塞流破坏的次数及造成的危害也无限放大，严重影响装置的开停车和长期稳定运行。而降低此类破坏的影响，除了在开停车阶段，缓开（缓关）切断阀门；在保温到位后方逐步升温暖管（降温冷管）；避免发生轻微水击后过快排水；检查低点及盲端排水，避免疏水系统缺失和疏水管路堵塞；监视开停车时管线位移、振动等工厂操作技术层面的措施和加强操作人员培训等操作管理层面的措施外，从设计源头做好管控更加重要。

关键词：蒸汽管网；安全运行；设计

1蒸汽管网安全运行常见问题

1.1蒸汽凝水管网的概况

冷凝水主管网采用冷凝水本身的重力作用回收冷凝液。如图1所示。

图1蒸汽管网中水击严重的管网简图

1＃罐和2＃罐是0.5ＭＰａ蒸汽冷凝液储罐，伴热管线中为0.6ＭＰa蒸汽冷凝液，北部管线为0.6ＭＰａ蒸汽冷凝液和少量0.5ＭＰａ蒸汽冷凝液混合流体，其余管线多为0.6ＭＰａ蒸汽冷凝液。各部分的蒸汽冷凝液通过同一条总管回收送往3＃罐。根据现场观察，管网中震动较为严重的管线分别是管ａ、管ｂ、管ｃ和管ｄ处，在图中用▲标注。

1.2管网水击的原因

1）在实际生产中可以清楚看到在管ａ、ｂ末端会产生严重的水击，通过对管ａ、ｂ末端压力检测，我们发现气压力变为0.45ＭＰａ、0.42ＭＰａ，低于饱和蒸汽（0.5ＭＰａ）的压力。因此，在管ａ、ｂ末端，管内可能有少量凝液发生二次汽化，气体聚集形成气穴，在受压的情况下，凝液在管道内以较大的流速通过。当气穴溃灭时，凝液重新组合便会产生水击。

2）ｃ管中水锤的存在是由于凝结水进入主回水管道。随着压力的降低，空化现象变得越来越严重，管道中的流体变成气液两相流。起初，由于气相较小，流速较低，二者处于相对层流状态。随着气体体积的增大，气体流量增大，凝结水进入湍流状态，易于形成较大气穴造成液柱分离，液柱重新组合时便会产生水击。

3）在主回水管与伴热管之间，有时会发生水击现象，主要是由于主回水管与伴热管间压力不同造成的。主回水管中蒸汽冷凝液操作压力为0.5ＭＰａ，而伴热管线中蒸汽冷凝液操作压力为0.6ＭＰａ。理论上不同压力的蒸汽凝液应分别与不同的凝液回水总管连接，然而，本管网在设计时将两种不同压力蒸汽冷凝液使用了同一条回收总管。首先，0.6ＭＰａ饱和冷凝液加入回收主管后会加剧管网汽化，汽化量的加大，流体流速增加，使得管网更容易产生液柱分离。其次，0.6ＭＰａ冷凝液加入主管后，会引起主管流量、流速变化，而流速增加或流向的改变均会引起管道内压力的变化，由于管道内本身就存在汽化现象，压力的迅速变化会引起汽化后空泡的溃灭，从而产生水击。

2蒸汽管网安全稳定运行的设计

2.1专业协同流程

对于多个生产装置组成的大型工厂，配管专业向应力专业提应力计算条件时，应向工艺专业确认准确的工况组合。对于存在各段蒸汽管线不同时开停车或者不同时达到最大操作工况的情形，应将所有可能的工况组合全部标注在应力条件中，并协助应力专业，明确计算条件，避免计算结果失真。例如，蒸汽由外管廊经切断阀接入生产界区内时，进入界区第一个固定点的推力应考虑界区阀门关闭时单侧膨胀工况产生的最大推力而非阀门全开时两侧热胀平衡推力近乎于0的结果，以保证固定架有足够的抗冲击能力。

条件具备时，对于易两相流管道的动载荷进行分析。鉴于目前国内工程设计的实际情况，应力专业有责任进行疏水完善条件下动载荷的估算，并将估算结果同管道静力分析软件的计算结果一并反馈给配管专业，并由配管专业提给结构专业设计。

易水击管道的固定架水平推力取值，不宜小于SH3009-2013表7.2.4给出的含凝液可燃气体管线参考性推力取值。当固定管架上有几根易水击管道时，水平推力的作用点应分别考虑，推力值不应叠加。配管设计时，应结合框架结构布置的特点，合理布置补偿弯位置。尽量使固定点两侧管长与走向相等，以最大化降低固定点等限制性支架推力，进而降低项目成本。结构专业有责任对造成梁柱最大截面的突出荷载反馈给配管等上游专业进行重新核定、调整。

2.2设计综合管控

作为主导专业的配管人员应具备一定的工艺系统、管道应力等专业的知识。大口径低压蒸汽及冷凝液管道在设计前期，应由设计经理组织，工艺系统、热工工艺、配管、管道材料及应力、结构等专业参加，对全厂低压蒸汽及冷凝液管网的设计进行项目级评审，以从各个环节保证设计的安全性和经济性。评审的主要问题应包含管径选择及疏水设施设置，安全阀设置，管网可能存在的工况组合，管道布置的建议最优走向，管架设置的合理性及安全性，造成结构荷载最大点的管线优化方案等。设计条件变化时应重新评审或者做好沟通。

2.3系统的运行调节与管理策略

1）蒸汽系统采用量调节，根据末端压力反馈调整热电机组的抽汽量，满足用户能源站对蒸汽的需求；

2）在各工业热力站，根据供汽压力和温度，通过减温减压装置调节蒸汽参数，并通过阀门调节供汽量，使其满足用户的供热需求；

3）在各区域制冷站，根据室内外参数的变化调节二次管网的冷水出水量，进而实现供汽量的自动调节，以满足用户的供冷需求。在系统的管理中，对工业热用户建立预付费机制，而对制冷用户采用合同能源管理机制，可大大降低系统改造与建设的资金和技术风险，并在以节能为纽带实现合同双方经济效益的同时，实现节能减排的社会效益。

2.4补偿器的应用

（1）门型弯补偿器

优点：门型膨胀弯充分利用管架的特点，主要利用垂直空间，降低管架水平空间，节约管架本体制造费用。缺点：采用底部疏水，配套疏水阀组，但由于疏水阀组背压问题，凝结水很难做到回收利用；根据气候条件，在高寒地区（如新疆）疏水阀组极易出现冻裂情况，造成较大的维修成本。

（2）方（矩）形补偿器

优点：管道末端疏水，冷凝水回收率高；减少了疏水阀组的安装，降低了维护费用。缺点：在蒸汽长时间停运重新投运时，如果暖管时间不足，可能会造成管道的水击现象。在蒸汽开始投运时要加强巡检，避免这一故障。根据对各类蒸汽管网补偿器性能的对比，从节能降耗和安装空间等多方面考虑，较为适合本地蒸汽管网制作安装的补偿器为矩形补偿器。

（3）L型直角弯补偿器和Z型折角弯补偿器

优点：集中疏水，配套疏水结构简单，维修成本低。缺点：管网安装需足够空间，由于空间限制，补偿器结构尺寸受限，应力无法有效消除，造成在蒸汽启停阶段，管网震动严重；冷凝水不易排出，造成管道内部结冰。

结论

本文从设计技术及管理角度，讨论了管道防柱塞流和水击破坏的设计措施和管理措施。从设计角度上讲，减少破坏出现的场合和增加系统的抗水击能力非常重要，而设计各专业间的协调得当，是保证管道水击从设计源头得以根除的决定性因素。另外，蒸汽管网的操作是否得当，特别是开停车阶段操作人员的管理和培训，以及管网及钢结构的材料供货及施工质量，也是减少管道水击事故的重要因素，需同样重视。

参考文献

[1]吴文忠.蒸汽供热管网非均匀负荷与压力摄动关系研究[J].区域供热,2016,(02):102-108.

[2]王士明.试论蒸汽管网设计[J].门窗,2016,(12):140.