高壓蒸汽吹掃工況的參數選取韓應斌【摘要】管線吹掃是開車前的重要工作，尤其是對于一些操作工況溫度高、壓力高的管線，還需用高壓蒸汽對管道進行吹掃，比如汽輪機的蒸汽管線，此外還需設計臨時吹掃管線才能達到管線的吹掃要求.但是設計人員基本不會考慮吹掃工況的設計，也不對需要設置臨時吹掃管線的地方進行設計.通過從實際項目工作中得到的經驗與計算相結合，給出了蒸汽吹掃管線吹掃參數確定的方法，以及如何設計臨時吹掃管線,為管道蒸汽吹掃工作提供一定的參考.【期刊名稱】《化工設備與管道》【年(卷)，期】2016(053)005【總頁數】4頁(P83-86)【關鍵詞】高壓蒸汽;管道吹掃;吹管系數;臨時管道【作者】韓應斌【作者單位】華陸工程科技有限責任公司，西安710065【正文語種】中文【中圖分類】TQ050.7;TH17管道吹掃的目的是利用流體的壓力產生高速氣流的沖刷力，將管道在制造、焊接及安裝過程中，遺留在管道內的雜質清除干凈。現場實際多用蒸汽對管道進行吹掃，筆者就以蒸汽為吹掃介質，介紹一下如何確定蒸汽汽輪機管線的蒸汽吹掃方案。汽輪機的驅動蒸汽管線開車前需進行蒸汽吹掃，否則殘存在管道內的雜質會撞擊、打毛汽輪機葉片，汽封等，損壞設備。此外，由于蒸汽吹掃過程溫度高，可以利用不同物質熱膨脹系數的差異，降低腐蝕產物與管道表面的結合強度，使附著在管道內壁的氧化物雜質剝落下來，在高溫氣流的沖刷下排出管外。高壓蒸汽管道臨時吹掃管道需要確定合理的吹掃蒸汽溫度、壓力及流量，確定了這些條件才能對臨時吹掃管線進行機械設計，設計條件選取是否合適直接影響臨時吹掃管線的投資費用及吹掃過程的安全，因此需要根據現場實際綜合考慮確定蒸汽吹掃的條件。本文結合作者的實際工作經驗，對管道蒸汽吹掃過程中重要的參數進行了分析［1-4］，為管道進行高壓蒸汽臨時吹掃的設計提供了準確的依據。蒸汽管道的吹掃效果與蒸汽的動量有關，因此管道吹掃時蒸汽必須要有足夠大的動量，才能達到吹掃的效果。在化工行業標準中沒有對這個動量進行定義，但在DL/T1269—2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》中提出了吹管系數K的概念，用K值來衡量和確定吹掃效果。式中K——吹管系數；Db 吹掃工況蒸汽流量，t/h；Vb 吹掃工況蒸汽比體積，m3/kg；Do——鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）工況蒸汽流量，t/h；Vo——鍋爐BMCRT況蒸汽比體積，m3/kg。需要說明的是，這里的Do和Vo針對的都是鍋爐的工況，吹掃夕卜管網時應按蒸汽管道的設計蒸汽流量和相應蒸汽比體積進行計算。因此針對蒸汽管網末端用戶，Do和Vo的值應該都是一個定值。導則中明確了吹掃參數的選擇必須保證被吹掃系統各處的吹管系數均大于1，意味著吹管系數越大吹掃的效果就越好。但從經濟性的角度出發，K值需要有一個范圍，目前國內的吹管系數通常取值在1.2~1.5之間。由吹管系數公式可知，K與Db2成正比，因此增大Db值可顯著提高吹管系數，但是由于吹掃工況下，吹掃蒸汽是全部排入大氣的，無法回收，而且通常蒸汽管道吹掃長達十天以上，所以Db值的選擇也不能過大，否則會造成不必要的浪費。可見僅靠增大吹掃蒸汽流量來調高K值，達到需要的吹掃效果是不可取的。另一方面，K與蒸汽比體積Vb也成正比，增大Vb值也可提高吹管系數。由熱力學原理可知，蒸汽比容與壓力和溫度有關，壓力和溫度確定后，比容也就隨之而定。由于吹掃過程要使管道充分膨脹，所以吹掃蒸汽的溫度要求盡量接近實際工作溫度，因此吹掃蒸汽的比容只與吹掃壓力有關，根據蒸汽焓圖，在溫度一定的情況下，壓力越低，比容越大，因此吹掃時應當選取較低的壓力參數。下面以某空分項目為例，分析吹管系數的確定。該空分項目高壓蒸汽管道設計壓力10.3MPa，設計溫度545^;工作壓力9.15MPa，工作溫度525°C。汽輪機設計進氣量159t/h。高壓蒸汽管道為DN300（夕卜徑325mm），壁厚20.62mm,材質為A335GR.P91SMLS。業主最初給出的蒸汽吹掃條件為：溫度440C，壓力5.5MPa,流量120t/h。以此為吹掃條件，代入上式計算吹管系數為K=0.9,不能滿足導則中對吹管系數的要求。圖1為該條件下，不同壓力時的吹管系數。由于吹管系數達不到要求，因此吹掃條件需要調整。由于業主具有4臺320t/h鍋爐的能力，首先考慮增大吹掃蒸汽的流量。經計算在溫度440C,壓力5.5MPa的條件下，增大流量后吹管系數的變化如圖2。由圖2可見，只有當蒸汽流量大于130t/h時，吹管系數才能大于1,吹管系數變化不大，再考慮在流量等于130t/h的情況下吹管系數的變化情況，如圖3。重新計算后，在吹掃條件為440C、4.0MPa、130t/h的情況下，吹管系數可達K=1.4，是滿足DL/T1269—2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》中相關規定，合理的取值。在GB50235—2010《工業金屬管道工程施工規范》中，規定了蒸汽管道應以大流量蒸汽進行吹掃，流速不應小于30m/s，還需要對蒸汽流速進行復核。440°C、4.0MPa、130t/h條件下，蒸汽在DN30（0夕卜徑323.9mm），壁厚20.62mm的管道內流速根據化工原理中計算流速的公式：式中VS——工作條件下的體積流量，m3/h;A——與流體方向相垂直的管道截面積，m2。440°C、4.0MPa蒸汽的密度為13.05kg/m3,130t/h即為9961.7m3/h流速為43.8m/s，滿足規范的要求，因此吹掃條件是合理的。雖然動力管道設計手冊中，正常過熱蒸汽DN>200時的經濟流速為60~80m/s,但按上述確定的吹掃條件，要使蒸汽流速達到60m/s以上，蒸汽流量需要達到180t/h以上，雖然業主可以滿足這個流量，但是要考慮管網內其他設備的設計負荷，過大的蒸汽會造成設備的強烈振動。由于管線使用蒸汽吹掃時壓力、溫度都很高，而且蒸汽流速最低也要在30m/s以上，相當于108km/h的速度，因此要將吹掃蒸汽引至空曠的場合并有一定保護措施后才能放空，以避免管道中的高流速雜質對人和設備造成損傷。這是設置臨時吹掃管道的主要目的。在GB50235—2010《工業金屬管道工程施工規范》中要求：蒸汽管道吹掃前，管道系統的絕熱工程應已完成，但實際現場施工過程中，為了便于對管道進行敲擊、吹掃過程中管道的降溫及檢查管道的熱位移情況的要求，整個吹掃管系絕熱工程一般不會全部完成后才進行吹掃。根據上述確定的吹掃條件，來對本項目的蒸汽管道及臨時吹掃管線進行分析。本項目為2套空分裝置，2套汽輪機的驅動蒸汽管道各自獨立，由于氣源進入裝置的方位一致，因此兩套空分裝置的高壓蒸汽管道長度不等，但是臨時吹掃管線基本—致，這里取管道相對較短的一套蒸汽管道進行分析，如圖4。該管線界區內管道總長為200m、彎頭共21個，絕熱厚度為140mm，絕熱材料為硅酸鋁，兩個測點間的管長為180m、彎頭16個。按臨時吹掃管道在吹掃閥前與被吹掃管道管徑相同、閥后大于被吹掃管道管徑的原則，臨時吹掃管線閥前管道為DN300，管線長度30m；閥后管道根據現場余料情況按DN400考慮，管道長度60m。這里取測點1的參數等于吹掃條件的參數。通過計算，180m管道壓降在0.2MPa左右，對臨時吹掃管道選材影響不大。正常工況下或者絕熱工程完畢后，測點2的溫度和壓力應基本與測點1的保持一致。但由于管道吹掃的原因，實際絕熱工程只完成了管道長度的一半左右。根據化工原理中管道散熱量的計算方法，按管道3/4長度進行了絕熱計算（即，3m保溫1m裸管），保守計算測點2溫度下降了40°C,此時核算吹管系數K=1.3。如按管道1/2長度進行絕熱計算，測點2溫度將下降了80C,為360C,此時核算吹管系數K=1.2。可見絕熱與不絕熱對管道中介質溫度的影響很大，溫度下降時，壓力不變時蒸汽的比體積也下降，也就是Vb值小了，因此吹管系數也隨之變小。此時如果臨時吹掃管線還按照吹掃參數來進行計算是不合適的。以上述計算結果，臨時吹掃管線入口的溫度和壓力可以取測點2的溫度壓力，即按400C來考慮。可選的常用鋼管如表1。以上材料均可選擇，由于現場余料中20G的管道較多，暫定使用此管道，但需要核算管道壁厚。管道的計算厚度t應按照規范GB/T20801-2006《壓力管道規范工業管道》中的計算公式：式中t 直管計算壁厚，mm;p——設計壓力，MPa;D 管子外徑，mm;S——在設計溫度下材料的許用應力，MPa;Y——計算系數；中——焊接質量系數。按照上述條件在規范中查表取值，4.0MPa,400OC條件下20G的許用應力值為89MPa，計算壁厚t:DN300、DN400管道計算壁厚分別為t=7.1501mm和t=8.9713mm。制造偏差及腐蝕附加量的和按0.7mm考慮，最后得到設計壁厚分別為7.85mm和9.67mm。現場管道規格為中323.9mmx10mm,中406.4mmx12mm,可以滿足4.0MPa,400C條件下的吹掃要求。蒸汽吹掃時，在溫度一定、流量一定的情況下，由于管道的設計參數是定值，所以管道的吹掃壓力越低則吹掃系數越大；在溫度一定、壓力一定的情況下，吹掃流量越大吹掃系數越大。但最終要根據鍋爐的能力及管網中其他設備的限制，在K值的范圍內，最終選擇一個合適的吹掃系數的來確定蒸汽