引言随着热电联产政策的逐步落实，城市集中供热的半径越来越大，城市集中供热市场也越来越成熟。大型工业企业对蒸汽参数的要求种类多、精度高，根据经验或参考相关设计手册计算蒸汽压降、温降确定热电厂出口端参数的方法，目前已不适用，造成能源浪费，也不利于前期热电厂设备的选型工作。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。1.1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》（GB 50764—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。ΔP=ξtω22ν (1)式中：ξt——管道总的阻力系数，包括沿程阻力系数和局部阻力系数之和；ω——介质流速，m/s；ν——介质的比容，m3/kg。无论ΔP是否大于0.1P1，均取管道始端和末端比容的平均值。ξt=λDiL+Σξ1 (2)式中：λ——管道摩擦系数；L——管道总展开长度（包括附件长度），m；Σξ1——管道局部阻力系数之和。管道压降不仅与流量、管道长度、管径等因素有关，还与蒸汽的比容、黏度等状态参数有关。1.2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：q=πT0-Ta12λinlnD1D0+1αD1/1 000 (3)Q=q×L1 000 (4)式中：q——单位长度管道散热损失，W/m；T0——管道外表面平均温度，取始端与末端的介质温度平均值，℃；Tα——环境温度，℃；λin——保温材料导热率，W/(m·℃)；D1——保温层外径，mm；D0——管道外径，mm；Q——管道实际散热损失量，kW。1.3计算流程终端压力、温度计算流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.011.F001图1终端压力、温度计算流程末端蒸汽压力P2的初始值，可取始端的初始比容等参数由Darcy公式计算出ΔP，由始端蒸汽压力P1减去ΔP后得到末端蒸汽温度T2的初始值，与始端压力、温度值相结合，计算平均值，根据平均值计算终端压力、温度值，符合标准后，结束计算。2计算实例及分析2.1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=8.82~9.02 MPa，T1=535~540 ℃，Q=50~57 t/h。实测终端蒸汽参数[3]：P2=8.04~8.43 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。计算初始流速：ω1=Qν1Di594.72 (5)代入数据，可得ω1=15.819 9 m/s。计算管道摩擦系数：λ=11.14+2logDiε2 (6)管道等值粗糙度ε=0.045 7，代入数据，λ=0.013 71，管道总阻力系数ξt=156.868 87，ΔP=0.501 974 MPa。考虑15％余量，ΔP取0.577 27 MPa，保温材料选用硅酸铝纤维毡，厚度取200 mm，环境温度Ta=0。管道散热损失q=397.718 W/m，管道实际散热损失量Q=918.728 6 kW，蒸汽焓降ΔH=55.123 7 kJ/kg。蒸汽末端焓值：H2=H1-ΔH (7)蒸汽末端压力：P2=P1-ΔP (8)代入数据，P2=8.422 73 MPa，H2=3 424.676 3 kJ/kg。根据末端蒸汽压力、焓值查表可得，末端蒸汽温度T2=512.21 ℃。以上为一次初始计算，假设了末端温度比始端温度降20 ℃，计算管道热损失量，得到一次结果后，再用结果作为输入条件进行计算，反复迭代至平均比容和平均温度与假设基本吻合，计算结果为管道的实际末端温度，与实测数据一致。2.2各相关因素对压降、温降的影响分析2.2.1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。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.011.T001表1蒸汽流量对压降、温降的影响项目蒸汽流量/（t/h）55606570流速/（m/s）14.62716.07117.54319.043压降/kPa485.18577.41677.65785.92温降/℃26.2024.7023.5022.50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。2.2.2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。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.011.T002表2管径对压降、温降的影响项目管径Φ219×16Φ245×18Φ273×22Φ325×25流速/（m/s）23.72419.73716.07110.894压降/kPa1 621.52919.36577.41228.19温降/℃26.6024.8024.7025.80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。2.2.3保温厚度对温降的影响分别取管径为100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm进行计算。保温厚度对温降的影响结果如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.011.T003表3保温厚度对温降的影响项目保温厚度/mm100150200250300温降/℃37.929.324.721.819.9由表3可知，在其他条件不变的情况下，能够明显发现保温厚度增加后，温降会降低，保温厚度的增加达到一定程度后，温降变化幅度逐渐减小。2.2.4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。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.011.T004表4初始温度对温降的影响项目初始温度537530500450400温降24.724.222.218.815.3℃由表4可知，在其他条件不变的情况下，能够明显发现初始温度降低后，温降会降低。降低初始温度会减小式(3)中的分母，导致散热损失降低，即降低温降。3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。