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          燃氣設計

          燃氣熱力設計院是如何對市政熱力管道工程進行設計的?

          新聞時間:2024-04-12 文章來源:網絡 文章作者:admin

          城鎮供熱管網設計規范》CJJ34-2010


          《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》CJJ/T81-2013


          《高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管》CJ/T 114


          《高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管件》CJ/T 155


          《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》DL/T5366


          在設計階段,首要任務是精讀上述主要設計規范、規程,作為設計時的一般規則,這是必須的,也是重中之重。


          我讀這些文件時,一個首要的心態或者意識是:這是熱力行業的法律,任何不遵從或無意冒犯他的做法,都會造成相應的后果,不管是后果被發現或沒發現。



          1

          市政熱力工程設計主要內容

          熱源→一級熱網(熱力網)→調壓、調溫站房→二級熱網(街區熱力網)→單體熱力入口

          這里我把中繼泵站和換熱站形象的從他們作用方面稱為:調壓、調溫站房,易于理解。


          2

          工程設計適用范圍 

          熱水管道:壓力≤2.5MPA,溫度≤150℃,公稱直徑≤1200mm;

          蒸汽管道:壓力≤1.6MPa,溫度≤350℃;

          不包括地熱和工業余熱回收為熱源的熱網


          3

          多熱源運行方式

          (1),分別運行:用閥門分隔成多個單熱源,分別供熱;

          (2),解列運行:基本熱源先投入使用,氣溫變化時,分隔出部分官網劃歸尖峰熱源,隨氣溫變化,擴大縮小分隔官網范圍;

          (3),聯網運行:基本熱源投入使用,氣溫變化,投入尖峰熱源


          4

          供熱管道設計分三類:三通、彎管、直管

          三通處支線開孔管道強度消弱,要有保護措施;

          彎管段本身有補償能力,設計時要將補償量控制在補償能力內;


          直管要考慮熱補償,無補償敷設主要用于埋地,是不采用人為的熱補償措施,人為的熱補償方式包括設置補償器、預熱、一次性補償器覆土后預熱等


          5

          熱負荷Q

          采用經核實的資料或圖紙,當沒有時,采用熱指標面積估算;

          工藝生產熱負荷取最大熱負荷之和x同時使用系數;

          熱電廠應發展非采暖期熱負荷,如季節性生產熱負荷或制冷熱負荷


          6

          年耗熱量

          民用建筑全年耗熱量,根據公式計算,生產工藝年耗熱量根據年負荷曲線圖計算;


          7

          供熱介質


          民建應采用熱水(水熱容大、熱能利用率高,無蒸汽漏氣和凝結水回收損失,輸送距離遠、供熱半徑大),同時有生產負荷時,當生產負荷為主要負荷時,采用蒸汽介質;

          8

          介質參數


          應經比較計算,得出最佳供回水溫度,可參考一般熱源廠設計溫度取110—150℃,回水溫度≤70℃;

          9

          水質要求:有不銹鋼設備時,氯離子濃度≤25mg/l;

          蒸汽凝結水排放要符合《污水排入城市下水道水質標準》

          熱力網補水水質符合《工業鍋爐水質》要求,水質PH為7到11


          10

          管網形式


          閉式雙管制(一般形式);閉式多管制(有生產負荷);單管制(蒸汽管網系統),凝結水管是否設置,要根據生產特點,回收凝結水時,由于凝結水融氧,要進行防腐措施。

          11

          供熱調節

          熱源集中調節、熱力站和熱力入口局部調節、用熱設備單獨調節三者結合,對于有生產負荷的供熱系統,應采用局部調節。溫度變化時,熱源處進行集中質調節或質—量調節。

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          設計流量


          閉式管網設計流量:G=3.6Q/c(t1-t2)

          c:比熱 4.18;t1:供水溫度;t2:相應的回水溫度;

          采用集中質-調節調節時,應采用各種熱負荷在不同溫度的熱力網流量曲線疊加得出的最大流量值作為設計流量;

          蒸汽熱力網的設計流量,應按各用戶最大蒸汽流量x同時使用系數,凝結水管道的設計流量應按蒸汽管道的設計流量x用戶凝結水回收率;


          13

          水力計算(設計計算、校核計算、事故分析)

          內容:管網管徑、循環水泵、中繼泵的流量、揚程;

          分析管網系統的正常運行的壓力工況,確保用戶有足夠的資用壓頭且系統不超壓、不汽化、不倒空;

          進行事故工況分析;

          必要時進行動態水利分析;

          水力計算應滿足連續性方程和壓力降方程,環網水力計算應保證所有環線壓力降的代數和為0;

          蒸汽管網水力計算時,應按設計流量進行設計計算,再按最小流量進行校核計算,根據管線起點壓力和用戶需要壓力確定的允許壓力降選擇管道直徑;


          下列系統除了進行靜態水力計算外,還應進行動態水力計算:


          長距離輸送干線;

          供熱范圍內地形高差大;

          系統壓力高;

          系統工作溫度高;

          系統可靠性要求高;


          14

          水力計算參數

          計算熱網主干線管徑,宜采用經濟比摩阻,可取30-70PA/m;

          支干線、支線應按允許壓力降確定管徑,但流速≤3.5m/s,支干線比摩阻≤300PA/m,連接一個熱力站的支線比摩阻可大于300PA/m(支線要充分利用主干線作用壓頭,因此按允許壓力降方法,管徑越大,水利穩定性要求越高,可適當降低比摩阻,管徑變大,小管徑比摩阻大,消除剩余壓頭,流速大,噪聲、振動方面卻不存在問題)

          蒸汽熱力網凝結水設計比摩阻可取100PA/m

          熱力網局部阻力和沿程阻力存在比值,可估算局部阻力;


          15

          壓力工況


          (1)系統的任何一點壓力≥介質汽化壓力,并+30kPA-50KPA富裕壓力;

          (2)系統回水壓力要求:

          ≤直接連接用戶系統允許壓力;

          任何一點≥50KPA;

          (3)循環泵停運,要保持靜態壓力

          系統的任何一點壓力≥介質汽化壓力,并+30kPA-50KPA富裕壓力;

          與熱力網直接連接用戶系統充滿水;

          ≤系統任何一點允許壓力;

          (4)熱力網最不利點資用壓頭,應滿足該點用戶系統所需作用壓頭;

          (5)熱力網應該水力計算基礎上繪制各種運行方案的主干線水壓圖,復雜地區,繪制支干線水壓圖;

          (6)中繼泵站位置及參數應根據水壓圖確定;

          (7)蒸汽熱力網,宜按設計凝結水量繪制凝結水管網水壓圖;

          供熱管網的設計壓力,≥各種運行工況的最高工作壓力+地形高差形成的靜水壓力+事故工況分析和動態水力計算要求的安全余量;


          16

          水泵選擇

          循環水泵揚程≥熱源+供熱管線+最不理用戶環路壓力損失;

          循環水泵應具有工作點附近較為平緩的流量-揚程特性曲線;

          應減少并聯循環水泵的臺數;3臺以下,設備用,4臺或4臺以上,不設備用;

          采用集中質-量調節的單熱源系統,水泵采用變頻泵;

          補水泵流量按事故補水,為系統循環流量的4%,補水泵揚程≥補水點管道壓力加3-5m,當補水泵同時用于維持靜態壓力時,其揚程應滿足靜態壓力要求;

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          管道應力計算


          采用應力分類法:內壓、持續外載引起的一次應力(靜力不平衡,導致屈服,驗算采用彈性分析或極限分析,無自限性);

          熱脹冷縮、熱位移受約束的二次應力(超過屈服極限,產生少量塑性變形,變形協調得到滿足,變形就不再繼續發展,有自限性,安定性分析,安定條件:≤2倍屈服極限)

          峰值應力(管道、附件,如三通,彎頭,局部結構不連續或局部熱應力產生的應力增量,不引起顯著變形,但會導致疲勞裂紋或脆性破壞,采用疲勞分析;

          工作循環最低溫度:

          底下敷設10℃,計算管道固定點時,考慮最大溫差,在安裝溫度低于工作循環最低溫度時,采用安裝溫度進行計算);


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          管網布置


          1)熱力管道布置力求短直,主干線通過熱用戶密集區,并靠近熱負荷大的用戶;

          2)管道走向最好平行與廠區或建筑區域的干道或建筑物;

          3)管道最好不穿越電石庫等由于汽、水泄露會引起事故的場所,也最好不穿越建筑擴建地和物料堆放地。并且盡量減少與公路、鐵路、溝谷、河流的交叉。交叉時候,可采用拱形管道。

          4)布置應盡量利用管道的自然彎角作為管道受熱膨脹的自然補償。采用方形補償器時候,盡可能布置在兩固定墩之間中心點上,由于地方限制等原因,保證短邊管道不小于全長管段的三分之一。

          5)一般熱力地溝分支處都應設置檢查進或人孔,直管段長100到150m距離,無分支,也應布置檢查進或人孔,所有管道上必須設置閥門,都應安裝在檢查井或人孔中;

          6)主干線支管上,一般都應設置截斷閥門;

          7)蒸汽管道最低點、被閥門截斷的各蒸汽之最低點、垂直升高管段前的最低點、間隔100-150m直管段等各點,都應該布置疏水閥;

          8)熱水管段最低點放水、最高點放氣;

          9)直埋和管溝敷設的管道坡度≥千分之二,進入建筑物的管道坡向干管;


          19

          管道敷設(架空、地溝、直埋)要點


          1)在山區的熱力管道,采取沿山坡或道路低支架布置;

          2)爬山熱力管道,最好采用階梯形布置;

          3)跨越溝谷、河流時候,最好架空沿橋或棧橋布置成拱形管道,注意:管道底部標高高于最高洪水位0.5m以上;

          4)地上敷設的管道,可與其他管道敷設在同一個管架上,利用相互牽扯力(技術性),減少管架數(經濟性);

          5)在濕陷性黃土層、腐蝕性大的土層、永久性凍土層,應架空敷設;

          6)地下水位較高或降雨量較大地區,架空敷設;

          7)廠區管道宜架空;

          8)管道不允許開挖的路面或管道多、管徑大、管道垂直高度≥1.5m等情況,采用通行地溝敷設;

          9)地面不允許開挖,且架空不合理或管道單排水平布置,地溝寬度受到限制,宜采用半通行地溝;

          10)河底敷設管道選在較深的穩定河段,1-5級航道河流,管溝覆土深度在航道底設計標高2m以下,其他河流,管溝覆土深度在1m以下;

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          直埋敷設方式


          無補償:不使用補償器、固定支架、完全依靠管道的自然變形及土壤的約束。有冷安裝無補償直埋(施工簡單,但要防止軸向失穩)和預熱安裝無補償直埋兩種,第二種是在供熱管網工作之前進行預熱,產生一個預拉應力,預熱溫度限定在運行溫度和最低溫度之間,溫差產生的熱應力,不超過管材的許用應力,有敞槽預熱及覆土預熱,覆土預熱需設置一次性補償器;

          有補償:當管道溫度高(熱應力大)且難以找到熱源預熱時采用。有補償分有固定點和無固定點方式,有固定點是補償器至固定點間距不超過管道最大過渡段長度;無固定點重在校核直管段長度是否超過最大過渡段的兩倍;

          21

          熱伸長


          是管道內介質溫度變化,引起的管道熱漲、冷縮效應,同時使管壁產生巨大應力,超過管材強度極限,會發生破壞。計算公式:△L=αL(t1-t2)x1000; (mm); 


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           補償裝置分類及優缺點


          自然彎管補償:L型、Z型、空間立體彎;優點簡單、可靠;缺點變形產生橫向位移;L型角度區間:最好120°到90°,或<150°;

          方形補償器:由四個90°彎頭組成,優點制作方便,補償能力大、軸向推力較??;缺點是單向外伸臂較長,占地大,常用四種形式:

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          由臂長一般為40倍公稱直徑長度;


          套筒補償器:


          優點:安裝簡單,占地少,補償能力大,流體阻力大,

          缺點:軸向推力大,造價高,易漏水漏氣;


          波紋補償器:


          缺點:強度低,補償能力小,軸向推力大;波節以3-6個最好;安裝前先冷緊,冷緊值為熱伸長量一半;


          球形補償器:


          利用球形管接頭的隨機彎轉來解決熱漲冷縮。對三向位移的蒸汽和熱水最易適用。


          優點:占地小,不存在推力;缺點存在側向位移,易漏水漏汽;


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          熱網附件布置要求與設施

          1)熱力網干線、支干線、支線的開始節點應安裝關斷閥門;干線還應按距離間隔安裝分段閥門,提高管網可靠性(蒸汽管網可不設分段閥門);且關段、分段閥門皆采用雙向密封閥門;

          2)≥DN500管道的閥門,最好采用電動,≥DN500的熱力干線在低點、垂直升高管段前、分段閥門前最好設置阻力比較小的永久性除污器;

          3)直埋敷設的套筒、波紋補償器、閥門、放水和除污器等附件,應設檢查井,檢查進設置要求:

          凈空高≥1.8m; 人行通道≥0.6m;管道保溫下表面與地面距離≥0.6m;人孔≥2個,直徑≥700mm,凈空面積小于4㎡,可設1個人孔;最少設置一個在人孔下方的集水坑;爬梯高于4m,要設置護欄或平臺;更換附件不能從人孔進出時,應在頂板上設置安裝孔;

          4)管道活動支架應采用滑動支架,或剛性吊架,有垂直位移時,采用彈簧支架、吊架;


          24

          管材和附件選擇


          1)管道管材選用Q235B,20鋼,設計參數符合要求,P≤2.5MPa,T≤300℃,公稱直徑≥DN200,選螺旋縫電焊鋼管,<DN200,無縫鋼管;采用焊接鏈接,≤25的放氣閥門,采用絲接;

          2)彎頭采用鍛造、熱彎、冷彎制作,壁厚≥直管壁厚;

          3)三通采用鍛壓、拔制制作,壁厚≥直管壁厚;

          4)大小頭采用壓制或鋼板卷制,壁厚≥直管壁厚;

          5)預制保溫管及管件參考規范,符合規定,軸向剪切應力≥0.08MPa;

          6)有報警線的管網,泄露檢測系統要和設計、施工、驗收同步;


          25

          保溫驗算

          由于供、回水管溫度場不同,相互傳熱影響,需計算熱損失,確保保溫表面溫度<50℃;主要包括計算保溫厚度、熱損失、保溫層外表面溫度、保溫管周圍土壤溫度;


          26

          熱網平面基本布置要求


          1)符合與相關設施的凈距要求;

          2)符合相關覆土深度要求;

          3)小折角符合相應要求;

          4)轉角管段臂長≥彎頭變形段長度;

          5)高效利用路由形成的自然轉角補償;

          6)小折角大于規范要求時,利用好小折角、彎管、L型之間相互組合,注意組合時,駐點的確定準確;


          27

          分支點基本布置要求

          1)管道分支點干管軸向熱位移≤50mm;
          2)DN≤500的支管可從干管直接引出,在支管應設置固定墩或軸向補償器或彎管補償器,且要符合下列距離要求:
          分支到固定墩距離L:Le≤L≤9m; 
          分支到彎管距離L:Le≤L≤20m; 
          分支到軸向補償器距離L:12≤L≤20m; 
          3)軸向補償器與管道軸向要一致,與分支點、轉角、變坡點距離≥1.5Le,且≥12m,設計時,取兩者最大值;


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          熱網應力驗算基本規定


          一次應力變化≤一倍鋼材許用應力;

          一次應力和二次應力的當量應力變化≤3倍鋼材許用應力;

          局部應力集中的一次、二次應力和峰值應力的當量應力變化≤3倍鋼材許用應力;

          應力驗算的計算壓力取管道設計壓力;

          計算安裝溫度應取安裝時的最低溫度;

          計算應力變化范圍,計算溫差取循環最高、最低的溫差;

          計算軸向力時,計算溫差取循環最高和安裝溫度的溫差;


          29


          單位摩擦力計算:與土壤應力、管重等有關,比較復雜,參考規范計算公式;
          最小摩擦力系數比國外要小,增大了計算時的過渡段長度,相應補償器的補償量會變大,對補償器起到一定的安全余量;
          30


          管道的許用應力按抗拉強度、屈服極限兩者的最小值取值確定,其實是按照
          屈服極限來取,由于屈服極限小于抗拉強度;
          31

          壁厚計算


          壁厚承受內壓力,要進行計算,主要計算最小壁厚、管道壁厚附加值,進了兩者相加得出公稱壁厚;


          32

          直管段應力驗算

          直管段主要對屈服溫差,當量應力變化范圍的計算,進行是否屈服與是否平面布置應有錨固段進行判定;

          當直管段屈服溫差大于循環最高溫度與安裝溫度溫差時,管道進入屈服狀態,產生塑性變形,相反,屈服溫差小于最不利循環溫差時,管道保持彈性體狀態;在這里屈服極限x1.3系數(屈服增強系數對熱伸長量和管道軸向推力計算影響很大,而且是不安全的,設計時要考慮)

          直管段當量應力計算,首先計算錨固段應力,當小于3倍許用應力時,說明錨固段滿足應力驗算條件,而錨固段是管網應力最高處,那么可以肯定的是:過渡段必然滿足要求,則平面布置時,直管段的長度可以無限長;

          上面判定若不能滿足,錨固段大于3倍許用應力,則不應該在平面布置中出現錨固段,只能全部為過渡段,且過渡段長度還必須限定,利用規范第二個公式計算,得出小于多少直管過渡長度;

          在驗算的基礎上,進行直管段的過渡段最大、最小長度計算、過渡段內任一截面最大、最小軸向力的計算(過渡段的最大軸向力出現在初次運行時、也就是L≥Lmin時,超出Lmin的管段被錨固,各點的軸向力相同,均等于錨固段起點的軸向力,而最大軸向力≤錨固點的軸向力,要考慮活動端阻力的情況)

          錨固段的最大、最小軸向力計算,在循環溫差低于屈服溫差時,軸向力取決與溫升值,高于屈服溫差的錨固段,因出現了塑性變形,軸向力達到最大值,既極限軸向力;

          33

          直管段局部穩定性驗算


          直管段局部穩定驗算適用于>DN500的管道,≤DN500的管道,不需要驗算;

          驗算主要進行徑厚比、徑向變形量的判定,計算參照規范判定公式;


          34

          彎頭應力驗算

          彎矩作用下的最大環向應力+0.5內壓作用下的最大環向應力≤3許用應力,因驗算點為應力變化幅度,內壓環向應力取一半,實質上是按照疲勞分析進行的彎頭的強度驗算;


          35

          管道豎向穩定性驗算

          要求單位長度管道上的垂直分布荷載≥與管道最大軸向力相關的值;

          原因:存在軸向力的管道在軸向法線方向有凸出趨勢,從而使管道有彎曲的傾向,所以需要驗算;

          措施:減小管道軸向力,加大覆土深度;


          36

          熱伸長計算

          1)包括駐點位置確定(按最小摩擦力下的最大過渡段計算,對于駐點處的過渡段選擇補償器時,余量?。玻埃ィ?/span>

          2)對于彈性、部分進入塑性狀態的管段,進行熱伸長量計算,部分進入塑性的管段,熱伸長量,要減去部分塑性壓縮變形量;

          3)對于過渡段任何一點,熱位移量的計算;

          4)補償器的熱伸長量的余量一般?。?1系數,當過渡段一端為駐點時,≥1.2倍熱伸長量,≤1.1最大過渡段計算出的熱伸長;


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          固定墩的推力計算

          主要是摩擦反力、內壓力、活動端阻力的矢量合成計算;

          摩擦反力抵消時,力小的一側x0.8抵消系數;

          當兩側都為錨固段時候,?。?9的抵消系數;

          內壓力抵消系數?。?;

          固定墩可設計微量位移量,減小推力;



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