高压蒸汽管网的水力学计算及吹扫参数确定.pdf

'第53卷第4期化　工　设　备　与　管　道Vol.53No.42016年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2016高压蒸汽管网的水力学计算及吹扫参数确定袁良正，贾金洁（东华工程科技股份有限公司，合肥230024）摘要：以某大型煤制天然气项目为例，对高压过热蒸汽管网的水力学及吹扫参数进行研究。采用化工流程模拟软件ASPENHYSYS对蒸汽管网进行建模计算，找到了一种定量分析计算蒸汽吹扫参数的方法。关键词：蒸汽吹扫；吹扫系数；管网；水力学计算中图分类号：TQ050.2；TH12文献标识码：A文章编号：1009-3281（2016）04-0072-004新建化工项目汽轮机组投用前都需要对动力蒸保持锅炉蒸发系统压力相对稳定连续吹扫一段时间，汽管道进行吹扫，目的是为了清除在制造、安装过程降压冷却管道，再重复吹扫，直到合格为止。降压吹中存留在蒸汽管道中的各种杂物，防止汽轮机通流部扫也叫蓄热吹扫，先将锅炉升到吹扫压力，快速打开分损伤，提高机组的安全性和经济性。随着煤化工日吹扫阀门，蒸汽直接释放到大气，在锅炉降压过程中，益大型化发展，动力蒸汽管网也日益复杂。选择合适利用锅炉储能快速释放产生蒸汽动量，短时间获得较的吹扫方法和吹扫参数对于提高吹扫的经济性、可靠大的蒸汽流量，蒸汽流量降低时，关闭控制阀重复性、安全性具有重要的作用。国内文献对蒸汽吹扫进行吹扫，直到合格为止。稳压吹扫蒸汽压力和密[1-3]有诸多论述，往往都是经验性的指导，缺乏准确度较低，较低的蒸汽流量即可达到较高的吹扫系数，[4]定量的分析计算。本文以某大型煤制天然气项目（以吹扫工况稳定，吹扫口反作用力小，安全性高。本下简称“该项目”）的9.8MPa高压蒸汽管网蒸汽吹项目的一个重要特点为吹扫口较多，如果采用降压吹扫为例，通过化工流程模拟软件ASPENHYSYS对扫，需要对每个吹扫口逐个吹扫，吹扫时间势必很长，蒸汽管网建模进行水力学计算，对蒸汽吹扫参数进行也很不经济。因此，从安全性、经济性、可操作性角了定量的分析计算，并通过实际吹扫对计算结果进行度考虑，决定采用稳压吹扫。具体实施方案，需要通了验证。过计算加以确定。1吹扫系统3管网水力学计算该项目高压蒸汽由热电厂产出，有三个用户：管网水力学计算的目的是为了确定吹扫的蒸汽空分装置、甲烷化装置、冷冻站。空分有三台双进汽压力和流量，使得吹扫时，管道中的任何一点的吹管[5]的汽轮机组，有六个吹扫口。甲烷化有两台单进汽的系数大于1。吹扫系数的定义如下：汽轮机组，有两个吹扫口。冷冻站有两台单进汽的汽吹扫蒸汽流量2×吹扫蒸汽比容K=轮机组，有两个吹扫口。整个高压蒸汽管网总共有十额定工况蒸汽流量2×额定工况蒸汽比容个吹扫口，吹扫系统见图1。吹扫系数是对吹扫冲刷力的一种表征，因此为2吹扫方法保证吹扫的有效性，吹扫时蒸汽对管壁的冲刷力应大于额定工况下蒸汽对管壁的冲刷力。蒸汽管道吹扫方法有两种：稳压吹扫、降压吹扫。该项目空分装置单套汽轮机组额定功率43358稳压吹扫通常是将锅炉升压到所需的吹扫压力，逐渐收稿日期：2016-01-18；修回日期：2016-03-15打开吹扫阀至全开，在吹扫过程中维持锅炉输入和输作者简介：袁良正（1974—），男，安徽肥东人，高级工程师。主出的能量平衡以及给水量和蒸发量之间的质量平衡，要从事化工工艺设计工作。 2016年8月袁良正，等.高压蒸汽管网的水力学计算及吹扫参数确定·73·图1蒸汽管网系统图Fig.1SchematicofsteampipenetworkssystemkW，额定蒸汽消耗为198.2t/h；甲烷化装置单套汽CR=cT轮机组额定功率11900kW，额定蒸汽消耗为42.5式中γ ——气体绝热指数；t/h；冷冻站汽轮机组额定功率6331kW，额定定蒸R——气体常数，J/(kg·K)；汽消耗为24.5t/h。总管额定流量728.6t/h。出热电T——热力学绝对温度，K。蒸汽额定工况下温度为540℃，压力为9.3MPa，对由上式可见，气体中声速随着气体状态参数的3应该温度、压力下过热蒸汽比容为0.0375m/kg。变化而变化。同一流场中，各点的状态参数若不同，在ASPENHYSYS中按照图1建立计算模型，则各点的声速也不同。所指的声速是流场中某一点在采用ASPENHYSYS中的管段模型（Pipesegment）某一瞬时的声速，称为当地声速。当排放口为亚声速建立管网进行计算，物性方法选用“NBSsteam”，时，排放口末端压力等于当地大气压，汽源处的压力管道粗糙度（ε）输入0.2mm，弯头选用“Elbow：为当地大气压加上管道的阻力损失；当排放口为声速[7]90Long”。注意要在管段模型的“Design”表单子项流时，排放口产生壅塞，汽源处压力为管网末端压“Calcation”中勾选“CheckChokedFlow”，即要求力加上管道阻力损失。计算时，通过调整汽源处的温进行壅塞流校核。度、压力、流量，同时调整各三通的汽量分配，使得管段的输入参数见表1。各排放口压力等于当地大气压或者排放口为壅塞流，在计算过程中，每个三通都涉及到蒸汽流量分并保证热电厂出口处管道的吹管系数K≥1，得到吹配的问题，因此有必要对该问题进行分析。该项目扫所需温度、压力、流量参数。吹扫所用放空消声器为小孔喷注型，均为现场制作，4计算结果为了防止排气不畅，开孔面积为排放临时管通径的数倍。可以简单认为，蒸汽排放流动未受到消声器阻隔，经过计算，当热电厂送出蒸汽410t/h，温度400等同于临时排放管直接排放到大气。吹扫过程中，从℃，压力2.25MPa（G），母管吹管系数K≥1，10汽源到吹扫口压力逐渐降低，吹扫排放口汽速很高，个吹扫口均达到当地声速，排放口均产生壅塞流。管往往接近声速，甚至达到声速。排放口有两种流动状道各结点吹管系数计算结果见表2。态：亚声速流Ma＜1，声速流Ma=1。气体中的声从表2可以看出，随着蒸汽压力降低，越靠近[6]速计算公式为：排放口吹管系数越大。整根管系结点⒁后、结点⒅两 ·74·化　工　设　备　与　管　道第53卷第4期表1蒸汽管网管段参数表表2蒸汽管网水力学计算结果Table1ParameterlistofpipesegmentinsteampipenetworksTable2ResultlistofHydrauliccalculationofsteampipenetworks管道长度（m）×弯头内径（m）×管段内径（m）个数管段吹管系数①～②136×0.440.44×6①～②管段入口处1.0874×0.440.44×10②～③管段入口处1.25②～③160×0.410.41×14③～④管段入口处1.82③～④70×0.410.41×6③～⑤管段入口处2.76③～⑤80×0.2690.269×12⑤～⑥、⑦管段入口处5.85⑤～⑥、⑦8×0.2010.201×1⑥、⑦～放空10×0.2010.201×1⑥、⑦汽轮机入口处7.33④～⑧80×0.2690.269×12④～⑧管段入口2.44⑧～⑨、⑩8×0.2010.201×1⑧～⑨、⑩管段入口5.20⑨、⑩～放空10×0.2010.201×1⑨、⑩汽轮机入口处6.52④～⑾50×0.410.41×6④～⑾入口1.71120×0.2750.275×17⑾～⑿、⒀入口4.35⑾～⑿、⒀8×0.20.201×1⑿、⒀汽轮机入口处5.45⑿、⒀～放空10×0.20.201×1②～⒁865.8×0.2690.269×48②～⒁管段入口处1.21⒁～⒂50×0.2010.201×6⒁～⒂管段入口处3.82⒂～⒃63×0.2010.201×11⒂～⒃管段入口处7.89⒃～放空10×0.2010.201×1⒃汽轮机入口处20.0⒂～⒄93×0.2010.201×19⒂～⒄管段入口处5.24⒄～放空10×0.2010.201×1⒄汽轮机入口处15.795.8×0.269⒁～⒅0.201×51⒁～⒅管段入口处0.78457×0.201⒅～⒆69×0.0940.094×13⒅～⒆管段入口处0.94⒆～放空10×0.0940.094×1⒆汽轮机入口处2.53⒅～⒇69×0.0940.094×13⒅～⒇管段入口处0.94⒇～放空10×0.0940.094×1⒇汽轮机入口处2.53个分支管管道吹管系数均不满足吹管系数＞1的要数急剧增大。在2#甲烷化汽轮机入口⒄处，吹管系求。根据计算结果，最终采用所有排放口同时吹扫，数达到15.79；在1#甲烷化汽轮机入口⒃处达到20。空分装置、甲烷化装置同时打靶，合格之后再单独对这从吹扫过程中该处吹扫噪声是整个管系中最大的冷冻站进行吹扫的方案。可以得到验证。通过计算，去冷冻站的蒸汽量最小，吹管系数5计算结果验证也最低。在第一阶段吹扫过程中，冷冻站蒸汽明显比在实际吹扫过程中，通过实际吹扫参数对计算空分、甲烷化汽量小，吹扫现象与计算结果是吻合的。结果进行了验证。实际吹扫出热电厂蒸汽410t/h，通过实际吹扫参数与吹扫现象进行验证，说明温度400℃，压力2.34MPa（G）。在温度、流量与计算结果是准确、可靠的。计算取值一致的情况下，计算吹扫压力与实际吹扫压6吹扫结果讨论力计算误差仅为3.85%，说明计算结果是准确的。去甲烷化装置的蒸汽管道相对于蒸汽量来说，对于稳压吹扫过程来说，最重要的是对吹管参管径偏大，吹扫蒸汽分配量较大，而且阻力小，吹扫数的确定，最终体现在对吹扫温度、压力、流量的确口末端比较接近大气压，蒸汽密度很低，导致吹管系定。吹扫过程中要保证每段管道吹管系数均K≥1， 2016年8月袁良正，等.高压蒸汽管网的水力学计算及吹扫参数确定·75·即可满足规范要求。对于单根管道，由于越接近排放降低冲管系数，以确保吹管时机组安全。口，吹管系数越大，所以只要保证吹扫气源处K≥17结论即可。对于复杂管系的吹扫，每段管道的吹管系数是否满足要求很难进行简单的判断，必须通过建立模型通过建模对某大型煤制天然气项目高压蒸汽管进行水力学计算，才能在保证吹扫效果的同时，选择网进行水力学计算，确定了最终的吹扫方案。通过一个优化方案。计算，当热电厂送出蒸汽410t/h，温度400℃，压对于吹管参数的选择，只要保证吹扫气源处吹力2.25MPa（G），母管吹管系数K≥1。实际吹扫管系数K≥1即可。过大的吹扫系数对于吹扫的安出热电厂蒸汽410t/h，温度400℃，压力2.34MP（aG）。全是不利的，反复的大汽量吹扫甚至可能造成管道壁在温度、流量与计算取值一致的情况下，计算吹扫厚减薄。但为保证起始端的吹扫效果，末端吹扫系数压力与实际吹扫压力计算误差仅为3.85%，说明利用过大又难于避免。对于从汽轮机入口前直接接吹扫临ASPENHYSYS中的管道模型对蒸汽管道吹扫模拟的时管进行吹扫而言，只要做好临时管道的固定工作，结果是准确的。问题不大。但如果采用汽轮机厂家提供的吹扫工具，参考文献则具有一定的风险。由于吹扫工具安装时，速关阀拆除，通往汽轮机流道用厂家提供吹扫工具堵死，临时[1]张继美.长距离中压蒸汽管线吹扫技术探讨[J].齐鲁石油化管从固定速关阀的法兰直接引出，当吹管系数过大工，2005，33（１）：29-31.[2]郑勇.关于工业蒸汽管道的吹扫[J].化学工业与工程技术，时，吹扫工具支架可能会发生变形，蒸汽就可能进2007，28（5）：51-53.入到汽轮机腔体中。为避免此类风险，在吹扫前应[3]刘村，聂磊.关于高压过热蒸汽管道吹扫参数的探讨[J].安将高压缸疏水阀拆除，以便观察蒸汽是否漏入汽缸，徽化工，2013，39（3）：49-51.同时将盘车投用。在该项目吹扫过程中，空分装置三[4]刘浩.连续蒸汽吹管技术的研究[D].济南：山东大学，2006.台机组高压缸疏水口均有冷凝液连续排出，说明蒸汽[5]DL/T1269—2013，火力发电建设工程机组蒸汽吹管导则[S].确实从冲管工具进入了汽轮机缸体。吹扫完毕之后，[6]周云龙，洪文鹏.工程流体力学[M].3版.北京：中国电力出版社，2006：154.拆除冲管工具后发现其中一套冲管工具支架已经发[7]王磊，田贯三，丁国玉.燃气管道壅塞流动计算[J].油气储运，生变型。为安全起见，如采用冲管工具，应该尽可能2010，29（3）：187-191.HydraulicCalculationandPurgingCoefficientDeterminationforHighPressureSteamNetworkYUANLiangzheng,JIAJinjie（EastChinaEngineeringScienceandTechnologyCo.,Ltd,Hefei230024,China）Abstract:Exampledwithalargescaleofcoal-to-naturalgasplant,hydraulicandpurgingparametersforhighpressureandsuperheatedsteampipenetworkwerestudiedinthisarticle.ByusingchemicalprocesssimulationsoftwareASPENHYSIS,themodelofsteampipelinenetwasestablishedandthenitwascalculated,withwhichthemethodbasedonquantitativeanalysisforcalculatingsteampurgingparameterswasfound.Keywords:steampurging;coefficientofpurging;pipenetwork;hydrauliccalculation'