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一、长输蒸汽管网的介绍

1.按结构分为：支状管网、双管或多管制管网、环状管网；

2.按用途分为：工艺、烹煮、烘干、清洗、熔化等用汽形式；

3.按用户类型分为：连续用汽单位和间断用汽单位，间断用汽单位又可分为季节性间断和昼夜间断。

二、长输蒸汽管网的常规设计方法和问题分析

长输蒸汽管网的设计主要包括以下几方面内容：管道水力和热力计算、管道保温设计、管道热补偿设计、结构设计、仪表和监控系统设计等。其中，管道水力和热力计算最为重要，是开展其他工作的基础。

管道沿程阻力依据莫迪图计算，局部阻力依据不同结构的局部阻力系数计算，均可得到满意的结果。管道热力计算通常依据GB-进行计算，该标准详细规定了工业设备和管道在稳态时的绝热工程设计规范。

如前所述，对于存在昼夜间断用户的支状管网，由于存在管道散热，如果某支管停用时间超过一定时长，该管道内留存蒸汽会冷凝为凝结水，这会导致管道启动时出现水击，并造成工质的损失。

影响该支管最长停用时长的因素有管道长度、管道口径、保温厚度、保温材料热扩散率、环境温度、环境风速等。由此可见，对于昼夜间断用户，最长停汽时间决定了该用户对应支管的设计，进而影响主管路由选择和工程造价。目前的稳态设计方法中未考虑该因素的影响，而是简单的设定了支管内工质的最低温度，低于最低温度时需要保证支管内蒸汽处于最低流量，如此造成了工质的浪费和用汽单位的经济损失。

确定一定长度、规格、保温厚度的管道，在某一环境条件下的最长停汽时间，属于非稳态传热问题，其中涉及热辐射、热对流和热传导三种传热方式的非稳态计算。基于Modelica的动态非因果建模方法可轻松实现这类问题的系统级模拟，确定相应边界条件下管内工质、保温材料的温度随时间的变化情况，再结合用户的用汽间隔时间，判断对应支管的设计是否合理。

三、案例分析

1.基本情况

以安顺电厂供汽项目为例，用汽量60t/h，用汽压力0.5MPa.g，用汽温度℃，用汽时段每日8:00-20:00。取汽点压力0.53MPa.g-0.6MPa.g，用户与取汽点间蒸汽管道长度1km。

2.管径和保温稳态设计计算

环境条件：环境温度6℃，环境风速2.5m/s，大气压.kPa。

表1列举了三种阻力工况下，管道规格和保温厚度的计算结果。

随着选取的阻力值增加，管道口径减小，蒸汽流速增加，管内对流传热加强，管外壁各层保温材料温度有所升高，保温材料导热系数增大，导致保温厚度有所增加。

管径与阻力关系曲线如图1所示。

随着管径的增加，阻力减小，但阻力减小的速率在逐渐变小。

管径与散热量的关系曲线如图2所示。

随着管径的增加，散热量逐渐增加，但增加的速率在减小。

综合图1和图2的结论，可以得出，当一味追求低的流动阻力时，会导致管道金属和保温材料用量的大幅增加，同时也会带来散热量的增加。

3.管径和保温非稳态校核计算

沿管道轴向以50m为单位将流体区域离散为20个单元；沿管道径向将管壁和各保温层分别离散为3个单元，共计12个单元；忽略管壁和各保温层沿管道周向和轴向的导热；保温层外壁与环境之间考虑自然对流、强制对流和辐射三种散热方式。对每个流体单元求解非稳态质量、动量和能量方程，同时对每个固体单元求解非稳态能量方程，即可得到相关物理量随时间的变化规律。上述各模型及连接关系见图3。

图3流体、管道及保温结构模型

在图3所示的模型中，以稳态计算结果做为模拟的初始状态，给定管道进出口压力，通过同步调节管道进出阀门开度，来研究不同的管道规格和保温设计在昼夜间歇性用户多个用汽周期内，相关物理量随时间的变化规律。

如图4所示，通过三种管道的蒸汽流量随时间变化的规律是一致的。

如图5所示，由于口径越大的管道散热越大，所以间歇期内口径越大的管道内留存的蒸汽温降越大，进而导致压降越大。由图5也可明显的看出，口径越大的管道，间歇期内管内压力降低的速率也越大。

如图6所示，口径越大的管道，间歇期间管内蒸汽温度下降的越多，而且温降的速率越大，在本例中，12小时的间歇期末，三种规格的管道出口均出现了冷凝现象，口径越大的管道冷凝现象越严重，为了避免这种情况，在不提高取汽参数的情况下，可考虑适当缩短取汽点与用户间的距离或者增加保温厚度，同时应考虑在管道出口处设置疏水点；再次送汽后，由于管道和保温材料均需要加热，所以开始送汽的一段时间，蒸汽参数达不到要求的温度，但口径越小的管道，所需时间越短，本例中，送汽开始后，三种规格的管道均需要6小时以上，蒸汽出口温度才能恢复至℃，这个时间基本是不可接受的，通过观察可发现，送汽后，三种规格的管道均仅需约50分钟的时间，蒸汽温度即可达℃以上，鉴于此，管道出口蒸汽温度的设计值可在用户所需蒸汽温度（℃）基础上提高10℃，以降低产生合格蒸汽的时间，当送出蒸汽温度超过℃时，用户侧可采用喷水减温的方式自行调节；即便如此，以50分钟计算暖管的时间，每天需要消耗暖管蒸汽50t，每年需要1.5万t，蒸汽价格以90元/吨计算，每年损失万元，为了减少这部分损失，蒸汽干管的布置应尽量缩短取汽点与间歇性用户的距离。

四、结语

本文结合蒸汽管网的稳态和非稳态计算方法，分析了不同规格和保温结构分支管道对昼夜间歇性用户的影响，所得计算结果为同类型蒸汽管网的设计和运行提供了一定的参考和借鉴。

作者

梁双荣

编辑

王昭靖

能鉴

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