Проектирование паропроводов

Solutions for Industrial Insulation_RU, Jan 2006 (PDF)Паропровод — трубопровод для транспортировки пара от парового котла или другого генератора пара потребителям — теплообменным аппаратам, паровым машинам. Применяется на предприятиях, использующих пар в качестве технологического продукта или энергоносителя, например на тепловых или атомных электростанциях, заводах железобетонных изделий, нефтеперерабытывающих производствах, шинных заводах, мясокомбинатах, молочных заводах и т. д.

Паропроводы выполняют обычно из стальных цельнотянутых труб. Паропроводы низкого давления могут соединяться с помощью фланцевых соединений, среднего и высокого давлений – стыковой сваркой. Требования к проектированию, конструкции, материалам, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации паропроводов регламентированы соответствующими нормативными документами. Например, на трубопроводы, транспортирующие водяной пар с рабочим давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» (ПБ 10-573-03).Расчет на прочность таких паропроводов производится в соответствии с «Нормами расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» (РД 10-249-98).

Преимущества пара перед другими теплоносителями, такие как высокое удельное теплосодержание и коэффициент теплоотдачи, простота регулирования, отсутствие насосов, гибкое регулирование источника пара на изменение нагрузки, могут быть полностью и эффективно реализованы только при соблюдении ряда инженерно-технических мероприятий на стадиях проектирования паропроводов, комплектования, монтажа и эксплуатации. Важнейшие условия нормальной работы паропровода — правильный расчет пропускной способности и падения давления в паропроводе, компоновка и выбор необходимого оборудования.

Диаметр паропровода, как правило, определяют исходя из максимальных часовых расходов пара и допускаемых потерь давления и температур методом скоростей или методом падения давления.

Выбор скорости пара должен производиться исходя из опыта проектирования и эксплуатации паропроводов, а также условий их применения. Согласно СНиП 2-35-76 скорости пара рекомендуются не более: для насыщенного пара 30 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 60 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм), а для перегретого пара 40 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 70 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм). Европейские изготовители парового оборудования рекомендуют при выборе диаметра паропровода скорость пара принимать в пределах 15…40 м/с. Разработчики пароводяных смешивающих теплообменников УМПЭУ ограничивают максимальную скорость пара 50 м/с для коротких хорошо теплоизолированных паропроводов. Очевидно, что метод скоростей применяется для грубой оценки на начальном этапе проектирования (не учитывает того,  что даже при невысоких скоростях, но длинных паропроводах потери могут «съесть» весь запас располагаемого давления пара и т.д.). Более точен метод падения давления, основанный на расчете потерь давления, вызванный гидравлическими сопротивлениями паропровода. Для оптимизации выбора диаметра паропровода целесообразно также выполнить оценку падения температуры пара в паропроводе с учетом применяемой теплоизоляции. В этом случае появляется возможность выбора оптимального диаметра по отношению падения давления пара к уменьшению его температуры на единице длины паропровода (существует мнение, что оптимально если dP/dT=0,8…1,2).

Отметим очевидные (но важные для практики) последствия неправильного выбора диаметра паропровода.

Если диаметр паропровода выполнен с «недобором», то получим недостаточную пропускную способность (недогрев воды в теплообменниках и т. д.), большие потери давления, эрозию из-за высоких скоростей.

Если диаметр паропровода выполнен с «перебором», то в таком трубопроводе будут большие тепловые потери, больше конденсата, а сам трубопровод будет иметь неоправданно более высокую стоимость.

При выборе изделий для комплектации паропроводов необходимо обеспечить следующие требования. Пар должен доставляться в точку потребления сухим, чистым, требуемого давления и температуры, без содержания воздуха и других неконденсирующихся газов, в требуемом количестве. Особенно важно выполнение этих условий в технологических процессах, непосредственно влияющих на качество производимой продукции (современная пищевая промышленность, нефтехимия и т. д.).

Как известно, количество передаваемой теплоты прямо пропорционально степени сухости насыщенного пара. Влажный пар при движении по паропроводу с высокой скоростью является причиной повышенного эрозионного износа запорной и регулирующей арматуры и гидроударов. Осушение пара достигается тщательным дренажом паропроводов с помощью автоматических конденсатоотводчиков и установкой сепараторов пара непосредственно перед потребителями (типовое применение: установка сепаратора за котлом, перед теплообменником или клапаном). Естественно, качественная изоляция паропроводов может существенно снизить потери тепла в окружающую среду, а следовательно уменьшить количество конденсата.

В любой паро-конденсатной системе периодически появляются механические загрязнения (унос накипи с котловой водой, образующейся в трубах окалины и ржавчины, разрушившихся уплотнений и т. д.), влияющих на работоспособность и срок службы запорной и регулирующей арматуры, а также образующих пленку на теплопередающих поверхностях теплообменников, вызывающую дополнительное термическое сопротивление. Для очистки пара применяют механические фильтры-грязевики со сменными фильтрующими элементами, при этом фильтры, устанавливаемые перед редукционными и регулирующими клапанами должны иметь фильтрующий элемент с тонкостью очистки не хуже 250 мкм.

В паре не должно содержаться воздуха и других неконденсирующихся газов:

— воздух является причиной ускоренной коррозии элементов паропровода;

— воздушная пленка на теплопередающих поверхностях теплообменных аппаратов является дополнительным термическим сопротивлением;

— наличие воздуха снижает температуру пара.

Кроме того, все установленные конденсатоотводчики должны иметь возможность свободного выпуска воздуха, что особенно важно при пусках паро-конденсатных систем из холодного состояния (после остановки системы и конденсации оставшегося пара в ней возникает вакуум в результате чего в паропроводы проникает воздух из атмосферы, а это может приводить к завоздушиванию). Для удаления воздуха необходимо устанавливать автоматические воздушники в тех местах, где скапливается воздух.

Обеспечение заданных параметров и количества подаваемого пара — необходимые условия нормального протекания любого технологического процесса. Правильный выбор давления в источнике пара, расчет пропускной способности и падения давления в паропроводе, выбор необходимого оборудования — решение этих задач должно начинаться на стадии проектирования паропроводов и продолжаться в процессе их монтажа и эксплуатации.

Помимо вышеизложенного важнейшее значение имеет квалифицированное проектирование и монтаж паропроводов: выполнение требуемых уклонов, дренажей, отводов и т. д.