于洪浩, 劉雪冬, 李 飛, 許國春, 李舒婷, 張雯雯

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第一設(shè)計研究院，天津300381)

1 概述

隨著我國城市的發(fā)展，城市供熱規(guī)模不斷擴(kuò)大，太原、銀川、石家莊、鄭州等多座城市選擇遠(yuǎn)郊(甚至相鄰城鎮(zhèn))熱電廠向市區(qū)長距離輸送熱量，作為城市熱源的解決方案。長輸熱網(wǎng)的路由一般比較復(fù)雜，高差變化大，水力坡度線長，水力工況復(fù)雜，多采用2.5 MPa設(shè)計壓力等級。市區(qū)熱網(wǎng)設(shè)計壓力通常為1.6 MPa，為保證市區(qū)供熱系統(tǒng)安全運行，降低長輸熱網(wǎng)對市區(qū)熱網(wǎng)的影響，宜采用隔壓站連接。

與小型隔壓站相比，長輸熱網(wǎng)隔壓站的規(guī)模比較大(換熱規(guī)模1 000 MW以上)，而且板式換熱器設(shè)置數(shù)量多，管道口徑大，換熱端差小[1]。本文結(jié)合工程實例，對長輸熱網(wǎng)隔壓站的設(shè)計要點進(jìn)行探討。

2 工程概況

① 工程概況

鄭州某長輸熱網(wǎng)隔壓站設(shè)計換熱能力為1 200 MW，長輸熱網(wǎng)設(shè)計壓力為2.5 MPa，設(shè)計供、回水溫度為130、55 ℃，設(shè)計質(zhì)量流量為17 200 t/h，管道規(guī)格為DN 1 600 mm。市區(qū)熱網(wǎng)設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計供、回水溫度115、50 ℃，設(shè)計質(zhì)量流量為17 200 t/h，管道規(guī)格為DN 1 600 mm。隔壓站允許占地尺寸為63 m×31 m。

② 隔壓站工藝流程

隔壓站工藝流程見圖1。長輸熱網(wǎng)供水依次經(jīng)過旋流除污器、螺旋除污器、快速除污器后進(jìn)入板式換熱器一級側(cè)，與市區(qū)熱網(wǎng)回水換熱降溫后返回?zé)嵩?。市區(qū)熱網(wǎng)回水經(jīng)旋流除污器、螺旋除污器、循環(huán)泵、快速除污器后進(jìn)入板式換熱器二級側(cè)，與長輸熱網(wǎng)供水換熱升溫后作為市區(qū)熱網(wǎng)供水。

圖1 隔壓站工藝流程1、8.旋流除污器 2、7.螺旋除污器 3、5.快速除污器4.板式換熱器 6.循環(huán)泵

③ 設(shè)備選型

換熱機(jī)組采用多臺換熱器串并聯(lián)方案。由2臺換熱器串聯(lián)，組成一個換熱組。每4個換熱組并聯(lián)為1個換熱陣列，站內(nèi)共有4個換熱陣列，共計32臺換熱器。單臺換熱器額定換熱量為40 MW。

循環(huán)泵設(shè)置在換熱器二級側(cè)回水管道，5臺循環(huán)泵并聯(lián)運行，單臺循環(huán)泵質(zhì)量流量為4 200 t/h，單臺循環(huán)泵電機(jī)功率為2 000 kW，設(shè)計揚程為130 m。

3 設(shè)備及管道布置

由于用地限制，隔壓站占地面積僅為63 m×31 m，采用單層布置是不可能完成的，須采用多層布置。經(jīng)過方案比較，隔壓站采用3層布置，一層布置旋流除污器、螺旋除污器、循環(huán)泵及附屬功能用房，二層布置管道，三層布置板式換熱器、快速除污器等。

一層平面布置見圖2，圖中(1 600)表示DN 1 600 mm，以此類推。一層設(shè)計層高為12.8 m，附屬功能用房布置于北側(cè)，層高6.4 m。市區(qū)熱網(wǎng)回水主管(DN 1 600 mm)在南側(cè)站外直埋敷設(shè)，分為5根DN 800 mm支干管進(jìn)入隔壓站，分別經(jīng)過旋流除污器、螺旋除污器后連接循環(huán)泵，加壓后匯集為DN 1 600 mm母管，布置在附屬功能用房頂部(夾層)。然后分為4根DN 800 mm支干管上升至二樓，分配為DN 350 mm支管進(jìn)入三樓與換熱器二級側(cè)進(jìn)水接口連接。換熱器二級側(cè)出水支管(DN 350 mm)下返至二層，匯集成DN 800 mm支干管，并在二層進(jìn)一步匯集成DN 1 600 mm市區(qū)熱網(wǎng)供水主管。市區(qū)熱網(wǎng)供水主管由二層下返至一層后，由西側(cè)外墻出隔壓站。隔壓站內(nèi)的長輸熱網(wǎng)供水管道、回水管道的布置方式與市區(qū)熱網(wǎng)回水管道、供水管道主管基本一致。循環(huán)泵旁通管規(guī)格為DN 1 200 mm。

二層設(shè)計層高為12.8 m，主要是為了解決DN 1 600、800、350 mm管道的布置問題。管道設(shè)計為上下層，下層管道沿南北方向設(shè)計，上層管道沿東西方向設(shè)計。三層設(shè)計層高為19.6 m，主要布置板式換熱器，布置方式見圖3，連接管道全部由二層接入。

圖2 一層平面布置1.旋流除污器 2.螺旋除污器 3.循環(huán)泵

圖3 三層換熱器布置方式

4 應(yīng)力計算

4.1 應(yīng)力計算軟件

為了保證管道安裝、運行及維修安全，采用有限元軟件Start對管子、管件的應(yīng)力、換熱器接口受力、力矩進(jìn)行驗算，對管道支吊架的受力進(jìn)行計算。

先進(jìn)行全局設(shè)置，埋地管道以CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定作為應(yīng)力判別條件，架空管道以DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定作為應(yīng)力判別條件。然后輸入管子、管件的材質(zhì)、壁厚等作為計算條件，建立幾何模型，并輸入溫度、壓力等邊界條件。最后由Start軟件完成立體幾何模型建立、網(wǎng)格劃分及有限元計算。隔壓站市區(qū)熱網(wǎng)回水管道系統(tǒng)、市區(qū)熱網(wǎng)供水管道系統(tǒng)、長輸熱網(wǎng)回水管道系統(tǒng)、長輸熱網(wǎng)供水管道系統(tǒng)的立體幾何模型分別見圖4～7。

圖4 隔壓站市區(qū)熱網(wǎng)回水管道系統(tǒng)立體幾何模型

圖5 隔壓站市區(qū)熱網(wǎng)供水管道系統(tǒng)立體幾何模型

圖6 隔壓站長輸熱網(wǎng)回水管道系統(tǒng)立體幾何模型

圖7 隔壓站長輸熱網(wǎng)供水管道系統(tǒng)立體幾何模型

4.2 應(yīng)力判別條件及壁厚

① 直埋管道

直埋管道的應(yīng)力判別條件根據(jù)CJJ 81—2013第5.1.1條的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行：一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于鋼材的許用應(yīng)力；一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不應(yīng)大于3倍鋼材的許用應(yīng)力；局部應(yīng)力集中部位的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化幅度不應(yīng)大于3倍鋼材的許用應(yīng)力。

② 架空管道

a.架空管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和應(yīng)符合DL/T 5366—2014式(7.3.3)給出的判別條件。

b.管系熱脹應(yīng)力范圍應(yīng)符合DL/T 5366—2014式(7.3.5-1)的判別條件。

③ 直管及管件的壁厚

隔壓站內(nèi)DN 600 mm及以上管道材質(zhì)同長輸熱網(wǎng)管道(材質(zhì)為L360m)，130 ℃下鋼材許用應(yīng)力取153 MPa。隔壓站內(nèi)DN 600 mm以下管道采用Q235B材質(zhì)，130 ℃下鋼材許用應(yīng)力取110 MPa。管子采用螺旋縫焊接鋼管。在確定直管及管件壁厚時，隔壓站內(nèi)所有管道系統(tǒng)的設(shè)計壓力均按2.5 MPa考慮。

根據(jù)DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》式(5.2.1-1)、(5.2.2)、(5.2.3)按管子外徑確定管子最小壁厚，進(jìn)而確定直管的計算壁厚。式(5.2.1-1)中的修正系數(shù)Y取0.4，許用應(yīng)力的修正系數(shù)η取0.9。在按式(5.2.3)計算管子壁厚負(fù)偏差附加值時，壁厚允許負(fù)偏差取20%。在確定直管計算壁厚后，確定直管設(shè)計壁厚(將計算壁厚向上圓整至市場上在售的螺旋縫焊接鋼管壁厚)。對于DN 350 mm直管，在確定設(shè)計壁厚時，出于保險起見，向上圓整兩個壁厚等級。4種規(guī)格直管的外直徑、計算壁厚及設(shè)計壁厚見表1。

表1 4種規(guī)格直管的外直徑、計算壁厚及設(shè)計壁厚

彎頭采用熱壓彎頭，彎頭壁厚最薄處不小于同規(guī)格直管設(shè)計壁厚。三通采用熱壓三通成品件，壁厚按DL/T 5054—2016第5.4節(jié)補(bǔ)強(qiáng)計算方法進(jìn)行核算計算，各規(guī)格三通最薄處壁厚見表2。表2中1 600-800-1 600表示主管規(guī)格為DN 1 600 mm，支管規(guī)格為DN 800 mm，以此類推。

表2 各規(guī)格三通最薄處壁厚

④ 應(yīng)力判別結(jié)果

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，直管和彎頭的應(yīng)力水平基本滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，但個別三通存在不符合應(yīng)力判別條件的情況。對于不符合判別條件的三通，通過披肩補(bǔ)強(qiáng)加大應(yīng)力集中區(qū)域壁厚，從而滿足應(yīng)力判別條件。

4.3 換熱器接口受力、力矩

從各地已運行隔壓站發(fā)生的事故來看，板式換熱器與管子接口位置容易出現(xiàn)撕裂，因此板式換熱器的接管設(shè)計非常重要[2]。根據(jù)NB/T 47004.1—2017《熱交換器 第1部分：可拆卸板式熱交換器》表5，該隔壓站板式換熱器接口受力、力矩在耐壓5.0 MPa等級(苛刻工況)下選取為：14 119 N、20 539 N·m。

板式換熱器接口受力、力矩應(yīng)同時滿足上述要求，對于不滿足判別條件的接口，應(yīng)結(jié)合管道的空間構(gòu)型，通過管道柔性設(shè)計降低接口受力及力矩。該隔壓站的DN 350 mm支管連接板式換熱部位采用方形、Z形設(shè)計，所有接口受力均滿足判定要求，個別接口力矩不能滿足的，在水平管道上設(shè)置大拉桿補(bǔ)償器予以解決。

4.4 支吊架受力

隔壓站支架數(shù)量逾300個，采用傳統(tǒng)手工計算方法不僅費時，還不能保證計算精度。使用有限元計算軟件可以分別計算支吊架冷態(tài)、熱態(tài)受力，便于管道冷熱態(tài)分析。但有限元計算軟件嚴(yán)格按照模型進(jìn)行計算，計算結(jié)果往往與現(xiàn)場實際情況存在差別。因此，宜先采用有限元軟件對模型進(jìn)行計算，分別計算支吊架冷態(tài)、熱態(tài)受力。再根據(jù)現(xiàn)場情況，進(jìn)行手工計算。比較有限元軟件與手工計算結(jié)果，取較大值作為依據(jù)。

5 結(jié)語

結(jié)合實際工程，分析大型隔壓站的設(shè)計要點，主要包括隔壓站工藝流程、設(shè)備及管道布置、應(yīng)力計算等。大型隔壓站設(shè)備體型大，管道管徑大，采取三層布置雖然減小了占地面積，但是對設(shè)計、施工、檢修等提出了更高要求。