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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(wǎng)絡 文章作者:admin

城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34-2010


《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術規(guī)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(fā)電廠汽水管道應力計算技術規(guī)程》DL/T5366


在設計階段,首要任務是精讀上述主要設計規(guī)范、規(guī)程,作為設計時的一般規(guī)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(tài)或者意識是:這是熱力行業(yè)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(fā)現(xiàn)或沒發(fā)現(xiàn)。



1

市政熱力工程設計主要內容

熱源→一級熱網(wǎng)(熱力網(wǎng))→調壓、調溫站房→二級熱網(wǎng)(街區(qū)熱力網(wǎng))→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(yè)余熱回收為熱源的熱網(wǎng)


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(wǎng)劃歸尖峰熱源,隨氣溫變化,擴大縮小分隔官網(wǎng)范圍;

(3),聯(lián)網(wǎng)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(shù);

熱電廠應發(fā)展非采暖期熱負荷,如季節(jié)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(jù)公式計算,生產工藝年耗熱量根據(jù)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(shù)


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(wǎng)補水水質符合《工業(yè)鍋爐水質》要求,水質PH為7到11


10

管網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)),凝結水管是否設置,要根據(jù)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(jié)

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

12

設計流量


閉式管網(wǎng)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(jié)調節(jié)時,應采用各種熱負荷在不同溫度的熱力網(wǎng)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(wǎng)的設計流量,應按各用戶最大蒸汽流量x同時使用系數(shù),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(wǎng)管徑、循環(huán)水泵、中繼泵的流量、揚程;

分析管網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)不超壓、不汽化、不倒空;

進行事故工況分析;

必要時進行動態(tài)水利分析;

水力計算應滿足連續(xù)性方程和壓力降方程,環(huán)網(wǎng)水力計算應保證所有環(huán)線壓力降的代數(shù)和為0;

蒸汽管網(wǎng)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(jù)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(tǒng)除了進行靜態(tài)水力計算外,還應進行動態(tài)水力計算:


長距離輸送干線;

供熱范圍內地形高差大;

系統(tǒng)壓力高;

系統(tǒng)工作溫度高;

系統(tǒng)可靠性要求高;


14

水力計算參數(shù)

計算熱網(wǎng)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(wěn)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(wǎng)凝結水設計比摩阻可取100PA/m

熱力網(wǎng)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(tǒng)的任何一點壓力≥介質汽化壓力,并+30kPA-50KPA富裕壓力;

(2)系統(tǒng)回水壓力要求:

≤直接連接用戶系統(tǒng)允許壓力;

任何一點≥50KPA;

(3)循環(huán)泵停運,要保持靜態(tài)壓力

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

與熱力網(wǎng)直接連接用戶系統(tǒng)充滿水;

≤系統(tǒng)任何一點允許壓力;

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

(5)熱力網(wǎng)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(qū),繪制支干線水壓圖;

(6)中繼泵站位置及參數(shù)應根據(jù)水壓圖確定;

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

供熱管網(wǎng)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(tài)水力計算要求的安全余量;


16

水泵選擇

循環(huán)水泵揚程≥熱源+供熱管線+最不理用戶環(huán)路壓力損失;

循環(huán)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(lián)循環(huán)水泵的臺數(shù);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(jié)的單熱源系統(tǒng),水泵采用變頻泵;

補水泵流量按事故補水,為系統(tǒng)循環(huán)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(tài)壓力時,其揚程應滿足靜態(tài)壓力要求;

17

管道應力計算


采用應力分類法:內壓、持續(xù)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(xié)調得到滿足,變形就不再繼續(xù)發(fā)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(xù)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(huán)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(huán)最低溫度時,采用安裝溫度進行計算);


18

管網(wǎng)布置


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

2)管道走向最好平行與廠區(qū)或建筑區(qū)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(qū)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(shù)(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(qū),架空敷設;

7)廠區(qū)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(wěn)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;

20

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(wěn))和預熱安裝無補償直埋兩種,第二種是在供熱管網(wǎng)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(fā)生破壞。計算公式:△L=αL(t1-t2)x1000; (mm); 


22

 補償裝置分類及優(yōu)缺點


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

方形補償器:由四個90°彎頭組成,優(yōu)點制作方便,補償能力大、軸向推力較小;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(yōu)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(jié)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(yōu)點:占地小,不存在推力;缺點存在側向位移,易漏水漏汽;


23

熱網(wǎng)附件布置要求與設施

1)熱力網(wǎng)干線、支干線、支線的開始節(jié)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(wǎng)可靠性(蒸汽管網(wǎng)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(shù)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(guī)范,符合規(guī)定,軸向剪切應力≥0.08MPa;

6)有報警線的管網(wǎng),泄露檢測系統(tǒng)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(wǎng)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(guī)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;


28

熱網(wǎng)應力驗算基本規(guī)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(huán)最高、最低的溫差;

計算軸向力時,計算溫差取循環(huán)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(guī)范計算公式;
最小摩擦力系數(shù)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(huán)最高溫度與安裝溫度溫差時,管道進入屈服狀態(tài),產生塑性變形,相反,屈服溫差小于最不利循環(huán)溫差時,管道保持彈性體狀態(tài);在這里屈服極限x1.3系數(shù)(屈服增強系數(shù)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(wǎng)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(wěn)定性驗算


直管段局部穩(wěn)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(guī)范判定公式;


34

彎頭應力驗算

彎矩作用下的最大環(huán)向應力+0.5內壓作用下的最大環(huán)向應力≤3許用應力,因驗算點為應力變化幅度,內壓環(huán)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(wěn)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,余量取20%)

2)對于彈性、部分進入塑性狀態(tài)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取1.1系數(shù),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;


37

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(shù);

當兩側都為錨固段時候,?。?9的抵消系數(shù);

內壓力抵消系數(shù)?。?;

固定墩可設計微量位移量,減小推力;



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