蒸汽管道压力损失和温降如何计算
蒸汽管道压力损失和温降如何计算
在蒸汽管道工程设计中，压力损失和温降计算是必不可少的一环，通过计算可以确定管道的直径、长度、保温层厚度等参数，以确保蒸汽在输送过程中的压力和温度满足设计要求，这有助于保证工程的安全性和经济性。
1. 计算原理及流程
蒸汽通过较长的管道输送到目的地后，由初始状态的压力值P1、温度值T1，变为末端状态的压力值P2、温度值 T2，在此过程中压力损失了 ΔP，温度损失了 ΔT。压力变化和温度变化是相互独立又相互影响的两个过程。通过流速控制计算基准的管径，通过保温经济厚度法计算基准的保温厚度，再计算管道的水力、热力。末端蒸汽参数未知，长距离蒸汽输送管道末端参数与始端参数相差较大。
为了得到准确的计算结果，需要先假设末端的蒸汽压力P2和温度T2，用始末端蒸汽的平均压力和平均温度确定的平均蒸汽状态参数进行计算。计算得到终态的蒸汽压力和温度，与假设值进行对比，多次迭代至两者收敛，计算精度取决于两者的收敛程度。
终端压力、温度计算流程如图1所示。
2. 计算方法分析
2.1 压力损失计算方法
压力损失计算方法是经典的摩擦理论，在《火力发电厂汽水管道设计规范》DL/T 5054—2016中有详细的介绍。根据蒸汽压力和温度求得密度、比焓、黏度，根据蒸汽流量、密度和管道内径求得流速，根据流速、管道内径和黏度求得雷诺数，根据雷诺数和管道粗糙度求得管道摩擦系数，根据管道长度、管道摩擦系数和管道内径求得管道阻力系数，根据弯头、三通、各种管件和阀门等阻力系数和数量求得总局部阻力系数，进而求得总阻力系数，根据密度和速度求得动压力，根据总阻力系数和动压力求得阻力损失。
2.2 温降计算方法
《动力管道设计手册》介绍的计算方法是管道绝热层表面散热引起的温降。该方法只考虑1个因素，计算结果偏小且误差较大，甚至超过50%，这在工程上难以适用。
《电站锅炉 蒸汽参数系列》GB/T 753—2012介绍的温降计算方法考虑了管道绝热层表面散热和等焓压降。等焓压降是指在蒸汽管道输送过程中，假设没有热量损失时，压力损失导致的温度降。该方法根据管道内介质温度、管道外径、绝热层厚度和绝热材料导热系数等计算出绝热层外表面温度和单位表面积散热损失，保证两者均小于规定值。而后根据管道外径、绝热层厚度和管道长度求得散热量，再根据介质流量求得介质单位质量的焓降，即比焓降，进而求得管道终端比焓。再配合计算得出的管道终端压力，求得终端温度以及始端和终端的温降。该方法虽然考虑了2个因素，但计算结果与实测值仍有20%～50%的误差，工程上仍很难适用。
通过分析可以发现，架空敷设的蒸汽管道上的支座散热会导致温降。常用支座有固定支座、滑动支座、导向支座和限位支座，详见图2。前3种支座类型，散热量近似相同，第四种支座形式上相当于2个前3种支座，其散热量近似为前3种支座的2倍。
3. 压力损失及温降计算方法
3.1 水力计算
常用水力计算经验公式有3种：Darcy公式、Fritzshe公式和 K.Wagner 公式。《电厂动力管道设计规范》（GB50764—2012）[1]中使用的是Darcy公式。张建中[2]的研究结果显示，Darcy 公式的计算结果与实测值比较吻合，Fritzshe公式误差较大，作为Darcy公式变形的K.Wagner公式用于压降ΔP＞0.1P1时使用比较方便。采用迭代计算时，ΔP与0.1P1的关系不影响使用Darcy公式进行计算。
3.2 热力计算
为了减少蒸汽输送过程中的疏水损失，长距离输送蒸汽管道中的蒸汽一般选择过热蒸汽，过热度要高于管道沿程散热损失导致的温降值。计算过热蒸汽温降时，其热损失量即为焓降。初态的蒸汽焓值减去焓降，就能够得到末端的焓值，再由末端压力值及焓值，通过焓熵表查得过热蒸汽的温度。蒸汽管道的散热损失计算公式：
4. 计算实例
4.1 某工程高压长输蒸汽管道温降、压降计算
始端送出蒸汽参数：P1=8.829.02 MPa，T1=535540 ℃，Q=5057 t/h。实测终端蒸汽参数[3]：P2=8.048.43 MPa，T2=500~520 ℃。管道数据：Φ273×22，L=2 310 m，80个90°热压弯头，2个闸阀；保温厚度200 mm，保温材料采用硅酸铝纤维毡。取平均的初态蒸汽参数P1=9.0 MPa，T1=537 ℃，Q=60 t/h，进行水力计算和热力计算。查表得到蒸汽始端数据：初始焓值H1=3 479.8 kJ/kg，初始比容ν1=0.039 1 m3/kg。
4.2 各相关因素对压降、温降的影响分析
4.2.1 蒸汽流量对压降、温降的影响
分别取流量55 t/h、60 t/h、65 t/h、70 t/h计算，流量对流速、压降、温降的影响计算结果如表1所示。
由表1可知，在其他条件不变的情况下，流量增大，会显著影响压降和温降。管径相同的情况下，流量越大，蒸汽流速越快，造成沿程阻力损失增大，压降增大，末端蒸汽压力较小。
流量大，压力损失必然大，即送出点的压力与到达点的压力差大。实际运行表现是低流量时，压力损失较小，到达点与送出点的压力非常接近，流量大幅度增加时，压力损失明显增大。
4.2.2 管径对压降、温降的影响
取管径 Φ219×16、Φ245×18、Φ273×22、Φ325×25 进行计算。管径对压降、温降的影响计算结果如表 2所示。
由表 2 可知，在其他条件不变的情况下，管径增大会显著降低压降，但温降略微有减小。管径为Φ325时，温降反而变大，在Φ273和Φ325间有一个拐点。分析其原因，是压降的减小速度随着管径的增大逐渐变缓，但管道沿程热力损失增加的速度与压降不匹配。
4.2.3 保温厚度对温降的影响
4.2.4 始端温度设定对温降的影响
分别取初始温度为537 ℃、530 ℃、500 ℃、450 ℃、400 ℃进行计算。初始温度对温降的影响计算结果如表4所示。
5. 结语
（1） 针对蒸汽流量和管径的分析，都可以看作是流速对压降和温降的影响。流速增大，压降必然增大，但温降的增大或减少不固定，应根据实际参数确定。从能量转化的角度解释，蒸汽流量较大时，流量增加，相应蒸汽流速增大，沿程阻力损失增大，损失的沿程阻力转化为蒸汽的内能，这部分内能如果大于沿程的热力损失，则出口蒸汽的温度提高，温降变小；如果该部分内能小于沿程的热力损失，则出口蒸汽温度降低，温降增大。由于出口压力随着蒸汽流量的增大而不断降低，蒸汽的品质降低。
（2） 流量大，压力损失必然大，即送出点的压力与到达点的压力差大，但此差值不是呈直线比例而是呈平方比的比例上升。在实际运行的表现是：在低流量时，压力损失不大，基本上是到达点与送出点的压力相差不大，而当流量增加较多时，压力损失就明显增大。
（3） 一般情况下，以不大于 30 m/s 为宜，比容和管径均较大时，可以适当放宽到30 m/s以上。
（4） 采取更稳妥的保温方式，如增加厚度，是减小温降的有效方法之一。但保温厚度达到一定程度后，“投入”与“产出”不对等，如果初始蒸汽过热度较低，增加保温是可取的方法，能够有效地减少疏水，降低输送过程中的散热损失。
（5） 初始温度过热度较高、但末端负荷仅需饱和蒸汽的情况下，适当降低初始端温度和管道输送温度再用于输送，可以减少在管道输送过程中的散热损失。
（6） 在管道选型时，输送蒸汽负荷的确定是非常重要的一个环节，流量偏离会对压降和温降产生较大的影响，甚至与预期设想的结果存在较大差异。