蒸汽管路设计讲课稿.docx

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蒸汽管路设计讲课稿

蒸汽管路设计

蒸汽管路

蒸汽管路的設計 

蒸汽的輸送

蒸汽的流動不需要藉由外來的動力。

蒸汽會從系統內高壓處流到低壓處，就像水往低處流一般。

而這壓力差來自蒸汽的冷凝。

我們都知道蒸汽的體積遠比水大，當蒸汽冷凝成水時，原先所佔的空間會形成真空而吸引系統內的蒸汽來填滿這空間，成為壓力差。

蒸汽管路的設計

在設計蒸汽輸送管路時，重點在於以高壓輸送，低壓使用與管徑篩選，排水。

由於蒸汽具可壓縮性質，將蒸汽以高壓壓縮後輸送可以縮小管徑節省管路材料費用。

高壓輸送更能讓鍋爐以最有效率的壓力運轉，並讓系統儲存足夠蒸汽量來應付突然的蒸汽需求。

高壓蒸汽再經由減壓閥減壓後會有小幅度的乾度增加現象。

蒸汽乾度的增加就是蒸汽品質的改善。

（在提到蒸汽品質時，站長指的是蒸汽的乾溼度，而不是蒸汽的純淨度）。

蒸汽管徑的篩選

在設計蒸汽管徑時，有幾個必須考慮的因素是

1.         管路長度

2.         設備使用壓力

3.         鍋爐供應壓力

4.         蒸汽的流速

蒸汽管路的長度，蒸汽流量與蒸汽流速有絕對的相關性。

蒸汽篩選公式是：

蒸汽流量kg/hr＝0.002827x管直徑2（mm）x蒸汽流速（m/s）

蒸汽的比容積（m3/kg）

蒸汽的比容積可以從蒸汽圖表查到，蒸汽流量是已知（不知道，要如何算管徑呢！

），蒸汽流速則須預設。

計算機打ㄧ打，管徑就出來了。

這就是流速篩選法。

從下表查到需要的管徑

註：

以上流量為SCh80管 

或以下面曲線圖也能算出需要的蒸汽管徑。

這曲線圖將蒸汽過熱的溫度加了進去，如果蒸汽的過熱蒸汽，可以使用這圖輕鬆找出需要的管徑　 

蒸汽流速的決定

蒸汽的流速多以m/s為單位。

流速越高，流量自然越大。

但是管損，壓降與噪音也相對會越來越大。

建議蒸汽支管與30m以下短管路流速以25m/s最適合。

較長的管路以15m/s以下最適合。

至於40m/s則應視為最高上限。

因為超過40m/s的時候，管路噪音，侵蝕與壓降都會超過可容許的限制。

建議在長管路最好以壓降法來篩選或複查以卻認所選流速是否會造成過大壓降。

管徑篩選-壓降法

壓降法也是常用的蒸汽管徑篩選方法之一。

在長管路的管徑篩選時，建議使用壓降法，只有在管路短時，才採用流速法。

以下是個以壓降法篩選管徑的範例：

假設供應源壓力是7bar。

從“管徑篩選用壓力係數表”中可以查到相關的壓力係數（P1）是56.38。

管距離L時的壓力是6.4bar，壓力係數（P2）是48.48

長度造成的壓降

假設管長（算入彎管與接管）是263m，那：

 如果所需蒸汽量為800kg/hr。

從管路流量與壓降係數表左欄找出0.030後，從0.03列右側欄中找出可輸送800kg/hr以上的管路。

您會發現65mm可壓力係數0.03時可以輸送的蒸汽量為919kg/hr（x），剛好比需要的蒸汽量再多一些。

同時也可查出在此條件時的流速係數是80.64m/s（y）。

所列流速係數（y）是依據蒸汽體積為1m3/kg時，可以容易將它轉換成實際體積時的真實流速：

因此如果流速係數（y）＝80.64m/s，蒸汽壓力為7bar，蒸汽體積為0.240m3/kg（參考蒸汽圖表）。

實際流速為80.64x0.24=19.35m/s。

也就是說如果我們以管徑DN65來輸送7bar，800kg/hr的蒸汽到263m遠的管路時，實際蒸汽流速為19.35m/s。

壓損為0.6bar。

PipeSize（mm）

15

20

25

32

40

50

65

80

100

125

150

175

200

225

250

300

F

0.020x

9.8

30.16

63.75

114.7

189

411

760.1

1226

2697

4904

7993

12014

17163

23538

31384

50508

y

20.51

29.55

36.07

39.62

146.4

158.3

66.7

75.01

4904

107.5

122.3

135.6

147.3

160.0

172.0

193.3

0.025x

10.99

33.48

70.73

127.3

209.8

459.7

834.6

1367

2970

5422

8817

13296

19332

26357

34750

56581

y

23.0

32.8

40.02

43.97

51.39

65.03

73.2

83.7

102

119

135

150

166

179

191

217

0.030x

12.0

36.0

77.2

138

230

501

919

1480

3624

5884

9792

14481

20917

28595

37967

62522

y

25.1

36.0

43.7

47.6

56.3

70.9

80.6

90.6

112

129

150

164

180

195

207

239

 0.08x

21.1

62.3

135

245

402

873

1594

2599

5688

10249

16672

24518

36532

y

44.1

61.0

76.3

86.7

98.5

124

140

159

195

225

255

277

314

壓力

barg

容積

M3/kg

壓力係數

6.0

0.272

43.54

6.1

0.269

44.76

6.2

0.265

45.98

6.3

0.261

47.23

6.4

0.258

48.48

6.5

0.255

49.76

6.6

0.252

51.05

6.7

0.249

52.36

6.8

0.246

53.68

6.9

0.243

55.02

7.0

0.240

56.38

7.1

0.237

57.75

7.2

0.235

59.13

7.3

0.232

60.54

7.4

0.229

61.96

7.5

0.227

63.39

7.6

0.224

64.84

7.7

0.222

66.31

7.8

0.219

67.79

7.9

0.217

69.29

8.0

215

70.80

壓力係數表

壓降法可以幫您算出每公尺可降壓力是多少，以免到了管路末端時，壓力由於管損過大而無法滿足使用端的要求。

壓降法與流速法一樣，也有曲線圖可以查以便快速找出需要的管徑。

用法與流速法的曲線圖一樣。

管徑篩選曲線圖-壓降法

管徑篩選曲線圖-流速法

曲線圖上的虛線是個範例來幫您了解如何使用這曲線圖。

條件是15barg，300ºC，20000kg/hr的過熱蒸汽。

從A（300C）劃一直線到B（蒸汽壓力），再向右劃一直線到F（所需流量），往上劃直線到G（預設的蒸汽流速），再往右劃直線到H（所需管徑）就完成了！

如果不是過熱蒸汽的話，就不用理會溫度，直接從系統壓力最左邊那條厚厚的曲線開始就可以了！

蒸汽管路設計注意事項

蒸汽管路的排水

多數人常忽略蒸汽離開鍋爐時，所含的水氣可能相當多。

這些水氣再加上管路熱損形成的冷凝水常會對管路，閥件與設備帶來一定的負面影響。

最好的方法就是在鍋爐出口與重要設備前端裝設汽水分離器來攔截蒸汽中的水氣與積水，再由汽水分離器底端排出。

汽水分離的原理是在分離器內設置多個擋板迫使蒸汽轉向。

由於水滴具有較高的慣性，無法像蒸汽一樣轉向時就會撞擊在擋板上，聚集在分離器底部。

分離效果以流速效率在蒸汽流速12-37m/s時最好。

汽水分離器

水錘

當我們任由管內任何低點產生積水時（如揚升管路底部，安裝錯誤的卻水器或管路配件，甚至因管路支撐不當產生的下垂等），快速流通的蒸汽便可能會帶動管內積水以高速流動。

當這些時速高達30m/s或108km/hr的水柱遇到管路彎管或閥件時，常會造成猛烈的撞擊與噪音稱為水錘。

水錘除了會損毀管路閥件與蒸汽設備外，更可能帶來人員的傷亡。

除了在鍋爐蒸汽出口與重要設備前須裝設汽水分離器外。

在長管路內也應在每30-30公尺處加裝卻水點與卻水器並保持適當的管路傾斜度以利冷凝水的收集。

管路坡度可從1/70到1/350，但是建議採用1/250。

當管路傾斜到最低高度時，可以讓管路垂直上升後，再繼續以1/250的坡度下斜。

如下圖所示

長蒸汽管路的排水設計示範

雖然管路坡度有益於冷凝水的收集與排除，但是管內蒸汽流速是比較關鍵的因素

卻水點

以小口徑的支管裝在主管底下對冷凝水的收集沒有什麼意義。

快速流動的冷凝水會直接越過狹小的排水口，繼續在管內移動。

要捕捉管內快速移動的冷凝水，最好的方法是將排水管的管徑擴大，作成一個卻水袋。

卻水器的安裝

截水面積大的卻水袋效果好了很多。

卻水袋的直徑在100mm直徑以下的主管與主管直徑相同。

更大管徑的主管使用的卻水袋管徑可能就只會比主管小個兩到三個尺寸。

當主管管徑大於200mm時，卻水袋直徑甚至只是主管管徑的一半就夠了。

置於卻水袋的高度（或長度）常是卻水袋直徑的一倍半，但至少200mm高。

我們從上圖可以看到截面積的差別。

卻水器的進水管裝在袋底上25/30mm高的地方是最適合的以避免管內雜物進到卻水器內。

裝設卻水袋的另個好處是袋底多以盲法蘭封鎖，可以在需要的時候卸下盲法蘭將收集在卻水袋內的雜物清除掉。

管路縮管

在蒸汽管路裡，常會有需要縮管的地方。

站長建議最好以偏心管做縮管，不要使用同心管以免造成管路低點而有積水與水錘的現象。

蒸汽管路的縮管

過濾器

蒸汽管路內常有過濾器以保護下游設備受到雜物阻塞或損壞。

但是錯誤的安裝卻讓過濾器成為最好的積水點。

在卻水器的下游，一般都有控制閥之類的閥件存在。

當控制閥在執行控制動作時，控制閥有時會完全關閉後在開啟。

當控制閥開啟時，過濾器的積水會快速由剛開啟的控制閥頭與閥座間通過。

高速流動的水在經過縫隙時，侵蝕性相當強，常會造成閥座切割（英文稱“wiredrawing”或水切割）。

當閥座產生切割後，蒸汽會使加快切割作用而造成控制閥洩漏，無法控制蒸汽的現象（控制閥篩選不當，尺寸過大時也會產生切割現象）。

要避免過濾器產生的水切割很簡單，只要將過濾器側裝就行了。

但是如果蒸汽溼度很高的話，將單單將過濾器側裝是無法解決水切割的問題。

除了過濾器外，球塞閥也會造成相同的情形。

側裝也可以解決積水與水切割的問題。

蒸汽支管

蒸汽支管的配接

蒸汽主管上的蒸汽是最乾燥的，所以是最佳的接管點。

如果由主管側面或底部接管的話，很可能會使冷凝水進入支管，甚至設備內。

蒸汽支管的排水

正確的

支管排水方式

當然，蒸汽支管也會有低點存在。

最常見的是接至控制閥件的蒸汽支管。

當控制閥關閉時，蒸汽會冷凝而積水。

在控制閥前端，支管低點裝設卻水點是必要的。

地面坡度

台灣是個多山的地方，因此廠房蓋在有坡度的地方也不足為奇。

有時管路必須以與蒸汽同流向的方向向上爬升（有異於先前所提，管路坡度應順著蒸汽流向緩降）。

距離不遠時，我們可以垂直揚升管來爬升。

爬升距離遠時，就應該確定蒸汽流速在爬升段不超過15m/s。

有時擴管是必要的。

蒸汽主管爬升通過障礙物時

同時，爬升段的卻水點也應減為每15m裝設一個卻水點。

我們的目的是要防止冷凝水形成足夠厚度的水膜讓蒸汽可以帶動。

主管排水用的卻水器

蒸汽主管用的卻水器必須可以承受主管內的高壓，並有足夠的排水量將主管內的積水排出。

第一個條件，耐壓要夠。

從廠商的卻水器型錄內很容易就能看到卻水器的壓力限制是多少。

這很簡單。

第二個條件是排水量要夠。

從下圖中（起機與運轉負載）可以估算出冷凝水量或以公式算出。

如果蒸汽主管卻水點間隔的距離不超過50m的話，冷凝水量多在1/2”低流量卻水器的能力範圍內。

只有在非常高壓時（超過70bar），蒸汽管徑非常大時才有必要用到流量大些的卻水器。

另一點需要注意的是當蒸汽主管常常停機，起機時。

下圖中的冷凝水量是每小時的量，如果系統壓力在20分鐘內達到操作壓力的話，我們必須將60/20=3，也就是將圖中的冷凝水量乘於三。

在起機時，冷凝水會至少與運轉時同樣多，但是由於管內的壓力尚未升起來。

卻水器的流量也會相對的減少。

在停，起頻繁的蒸汽系統裡，使用1/2”正常流量的卻水器是較保險的選擇。

蒸汽主管使用大於1/2”的卻水器是沒必要且浪費金錢的。

在產品壽命終了時，這些卻水器也會產生更多的蒸汽洩漏。

SteamPressure

MainSize（mm）

barg

50

65

80

100

125

150

200

250

300

350

400

450

500

600

9

10

15

20

28

38

49

74

105

139

164

216

272

320

436

9

11

14

16

21

24

31

39

46

51

60

64

72

88

10

10

16

20

29

40

51

77

109

144

171

224

282

332

463

10

12

15

17

21

25

33

41

49

54

62

67

75

90

11

10

16

22

31

42

54

81

115

152

180

236

298

350

488

11

13

16

18

22

26

36

45

53

59

67

73

81

97

每50m長的蒸汽主管的冷凝水量如果是以公式計算蒸汽主管起機時的冷凝水量,可以利用下面的公式算出;

Q:

冷凝水量kg/minM:

蒸汽管每1m的重量kg/meterCp:

蒸汽管的比熱KJ/kg°CTs:

蒸汽溫度°CTo:

館外溫度°Chfg:

蒸汽的潛熱kJ/kgQ=MxCp（Ts–To）/hfg假設鍋爐輸出8barg的飽和蒸汽到DN125Sch.40的鋼管中,M= 21.7kg/mCp= 0.46kJ/kg°Chfg= 2031kJ/kgTs=175°CTo=25°CQ=21.7x0.46x（175–25）/2031=0.73kg/meter每meter的蒸汽管將有0.73kg的冷凝水!

如蒸汽主管的長度是300m長,加進閥件與接頭的長度約10%.有效管長大慨是300x1.1=330m在起機時的冷凝水約有330x0.73=241kg/min.而運轉時的管路冷凝量必須將管路保溫材料，與管外風速與溫度納入考量冷凝水的計算公式與起機時的公式相同，但是蒸汽的潛熱會因為熱損而需要重算。

潛熱的熱散失Hloss可以下面公式算出：

R:

保溫層的熱阻λ:

保溫材的熱傳效率D1:

蒸汽管外徑D2:

保溫材外徑D3:

外裝材外徑αs:

外包材表面的對流與放射熱/傳導係數R=｛（1/λ）ln（D2/D1）+2/D3αs}｝/2πHloss=（Ts–To）/R