蒸汽管道基础知识

蒸汽是应用最广泛的热量载体之一，它广泛应用于工业系统。

蒸汽使用的特点：

1. 蒸汽的产生高效而经济；

2. 蒸汽可以方便地、高效地传输到用汽点；

3. 蒸汽容易控制；

4. 能量传递方便；

5. 现代蒸汽设备管理容易；

6. 蒸汽应用灵活。

蒸汽和冷凝水系统：

锅炉房室整个蒸汽系统的心脏，典型的现代化快装式锅炉都是采用燃烧器把热量输送到炉管内。燃烧器出来的高温烟气通过管道把热量传递给水，一旦锅炉内的水达到饱和温度，气泡产生并上升到水的表面，然后破裂，蒸汽就释放到上步的蒸汽空间内，准备进入蒸汽系统。

给水，锅炉給水的质量至关重要。为了防止对锅炉造成热冲击，给水必须控制在正确的温度，通常在100℃左右，同时又可以保证锅炉高效运行；给水的水质也至关重要，必须保证水质，避免对锅炉造成危害。

排污，对锅炉給水进行化学加药处理会导致锅炉内的悬浮固体物增加，这些固体物质将不可避免地以淤泥的形式沉淀在锅炉的底部，然后通过锅炉底部排污排放掉。排污可以手动进行定期排污。

液位控制，如果锅炉液位没有正确的控制，将会造成灾难性后果。如果液位降低过多，炉管会暴露在水面上并造成过热，从而导致爆炸；如果液位太高，谁可能进入蒸汽系统，对工艺制程造成损坏。所以需装有液位传感器和报警系统。

制程控制，任何使用蒸汽设备都需要用一些措施来控制蒸汽的流量。采用控制阀用来控制蒸汽流量，由传感器提供工艺参数，并为控制器提供信号，控制器比较制程条件与设定值的区别，然后发送信号给执行器，从而调节阀门的开度。

从设备中排出冷凝水，通常，冷凝水可以通过输水阀很方便地排出，进入冷凝水排放系统，如果冷凝水已被污染，应直接排放掉，如果没有被污染，可回收再入锅炉循环利用。

工程单位：

在工程应用中，人们使用了很多不同的定义和工程单位，用来表征机械和热力学上的特性，这样，就需要制定大家工人党俄国际单位制（简称SI）

国际单位制以七个单位为基础，非别为长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、温度（K）、电流（安培）、物质的量（摩尔）、发光强度（坎德拉）

标准温度和压力：标准温度是纯水的冰点0摄氏度活73.15K；标准压力是760mm汞柱，这个压力为1个标准大气压，即1.01325×10 ⁵ Pa，气体密度通常采用标准温度或压力下的值。

绝对压力（a），此压力基于绝对压力，例如：绝对真空的绝对压力是0 bar a

表压（g），此压力实在大气压下测量的压力数据，通常采用1.01325bar a    表压=绝对压力-大气压力

密度和比容，物质的密度是指单位体积的物质所具有的质量，比容（Vg）是单位质量物质所占有的体积，因此它是密度的倒数。密度=1/Vg。

1. 比焓，指物体在给定时间和条件下的总能量，它与压力和温度都有关系，基 本   单位是焦耳（J），由于1焦耳的能量非常小，通常使用千焦作为单位，比焓的单位是KJ/KG；

2. 比热容：指的是把1千克的物质升高1摄氏度所需要的能量，可以理解为物质  的吸热能力。因此，国际单位制中比热容的单位是KJ/KG·℃，把物质的温度升高所需要的热量可由公式计算Q=MCPΔT，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，CP=该物质的比容，ΔT=温差。

例如：考虑2L水温度从20℃升高70℃所需要的热量

在大气压下谁的密度近似为1000Kg/m ³ ，由于1m ³ =1000L，因此水的密度也就是1kg/l，2L水的质量是2kg，温度较低时水的比热容是4.19KJ/KG·℃

因此Q=2×4.19×（70-20）=419KJ；419KJ/3.6=116kw/h

3. 熵（S），熵指的是系统内的无序程度，无序程度越高，熵越高，国际单位中熵的单位是KJ/（KG·K），公式：熵的变化ΔS=焓的变化ΔH/ΔT；

例如：大气环境下，1kg水的温度从0升高到100度（273到273K），计算熵的变化？

 ΔS=ΔH/ΔT= （419-0）/分子（273+373）/2=419/323=1.297

什么是蒸汽？

1. 当水的温度上升到他沸腾的状态，一些分子得到足够的动能，具有了足够的速度，这样就可以在落回液体中之前从液体表面逸出，当离开液体表面的分子比那些中心进入液面的分子多的时候，水会自由蒸发，这是他已经达到了他的沸点或饱和温度。

2. 蒸发焓或潜热，这是指的是在沸腾温度下水变成蒸汽需要吸收的热量，其间，水和蒸汽的混合物温度不上升，所有的能量用来把水有液态变为气态（饱和蒸汽）；

饱和蒸汽的总焓hg=hf+hfg，式中hg=总焓，hf=液体焓（显热），hfg=蒸发焓（潜热），单位为KJ/kg，下面为饱和蒸汽表，是大气压0bar g时的干饱和蒸汽的性质。

干度:

在某个压力下，具有沸点温度的蒸汽被称为干饱和蒸汽。在锅炉中，热量仅仅传递给水，且蒸汽气泡表面与水接触，所以产生的蒸汽一般含有5%的水。如果说蒸汽中水的质量份额为5%，那么就说蒸汽是95%的干燥，干度系数为0.95。

湿蒸汽的实际蒸发焓干度（X）和蒸发焓hfg的乘积，湿蒸汽含有的可用能量比干饱和蒸汽少。

公式为实际蒸发焓= hfg X，因此，实际总焓=hf + X hfg，由于水的比容要比蒸汽的比容小好几个数量及，湿蒸汽中含有的水滴的体积可以忽略，因此，湿蒸汽的比容比干蒸汽的小：实际比容=Vgx，Vgx是干饱和蒸汽的比容。

蒸汽品质：

蒸汽离开锅炉，由于管道的散热损失，部分蒸汽会冷凝，即使保温再好，该过程也无法避免。

基于上述原因，蒸汽到达用汽点相对较湿。

由于蒸汽中水的存在降低了蒸汽的蒸发焓，同时也导致在关岛和换热设备表面污垢的形成，蒸汽中包含的水分会增加蒸汽冷凝时形成的冷凝水膜，产生额外的传热热阻。

蒸汽管道的汽水分离器将分离并派出包含在蒸汽中和沉积在管道底部的冷凝水，当蒸汽通过汽水分离器将改变几次流动方向，挡板对较重的水滴产生阻碍而较轻的蒸汽能自由通过，水分将沿挡板流向汽水分离器，并通过疏水阀排出。

水锤，由于管道的散热损失蒸汽冷凝成水，冷凝水在管道内壁形成水滴，水滴被蒸汽流吹扫成水膜，由于重力作用会流向管道底部，水膜厚度会不断增加形成水弹，水弹以蒸汽的速度在管道内运动，从而破坏用热设备。

传热：

传热的公式为：

Q=KAΔT/ 材料厚度

式中：Q为单位时间内的传热量；

K 为材料的导热系数（W/MK）；

A 传热面积；

ΔT 通过材料的温度差。

估计蒸汽耗量的方法：

计算, 计算加热物质所需热量的公式为Q=MC _P ΔT，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，C _P =该物质的比容，ΔT=温差。

考虑两个非流动加热制成，他们需要的加热量是相同的，但加热时间不同。虽然总的患热量相同，但换热功率不同，对于平均换热功率可用公式：Q=MC _P ΔT/t，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，C _P =该物质的比热，ΔT=温差,t=加热制程的时间秒（s）。

对于给定质量的蒸汽所提供的热量可以用下面公式表示：

Q= ms hfg ；式中ms=蒸汽质量

= 在这里如假定热量传递的效率为100%，那么蒸汽提供的热量必须和被加热介质需要的热量相等，这样可以产生一个热量平衡公式：

Q= ms hfg =MCPΔT/t

例：一个油箱中有400kg的煤油，在20分钟内从10摄氏度加热到40度，使用4bar的蒸汽，在该温度范围内煤油的比热为2.0KJ/（kg·℃ ），4.0bar下饱和蒸汽的蒸汽比焓为2108.1KJ/kg，油箱保温良好，热损失忽略不计，确定蒸汽流量？ 

解：Q=[400kg×2.0KJ /（kg·℃）×(40-10)]/1200s=20kj/s

因此，ms=20kj/s/2108.1kj/kg=0.0095kg/s=34.2kg/h

平均蒸汽耗量

对于诸如制成换热器或加热气等流动型应用，其平均蒸汽耗量可以用下面公式计算

ms=m C _P ΔT/ hfg

式中ms为平均蒸汽耗量

m 为二次测流体流量

C _P 为二次测流体比热，ΔT二次测流涕温度，hfg为蒸汽的蒸发比焓

通过上述公式可得ms=Q/hfg，因为平均传热量本身需要根据质量流量、比热、温度计算所得，因此使用本公式更方便。

例如：使用3bar的干燥饱和蒸汽将恒定流量为1.5L/s的水从10度加热到60度，3bar 下蒸汽蒸发比焓为2133.4kj/kg，水的比热为4.19kj/(kg· ℃ )，确定蒸汽流量？

解：使用公式ms=m C _P ΔT/hfg

ms=1.5 ×4.19×(60-10)/2133.4=0.1473kg/s=530kg/h

蒸汽流量的测量：

雷诺数：

雷诺数是一个无纲量常数，公式为：

雷诺数（Re）=ρuD/μ

式中：ρ=密度

u= 管道内流体的平均流速（m/s）

D= 管道内经

μ= 动力黏度（Pa·s）

分析雷诺数的性质：

1. 对于特定的流体，如果流速较低，那么雷诺数也较低；

2. 入股噢两种流涕密度相似，两者在管道内的流动速度相等，那么高动力黏度的流体雷诺数较低；

3. 对于一个给定系统，若管径、动力黏度保持不变，那么雷诺数与速度成线性关系。根据流动特性，分析雷诺数，具体分为以下几个：

1. 层流，雷诺数（Re）在100-2300之间；

2. 过渡流区域，雷诺数（Re）在2300-10000之间；

3. 湍流，雷诺数（Re）在10000以上区域。

例：10bar的饱和蒸汽-25m/s的流速在100mm的管道内流动，计算雷诺数？

根据公式：雷诺数（Re）=ρuD/μ=(5.64×25×0.1)/(15.2×10 ^-6 )=927631=0.9×10 ⁶

根据以上信息，计算10bar饱和蒸汽100mm管道内湍流流动时的做大和最小流量？

先计算介质流速：（Re）=ρuD/μ

Re =(5.64 ×u×0.1)/(15.2×10-6)=1×10 ⁵ =927631=0.9×10 ⁶

u=(1 ×105×15.2×10 ^-6 ) /(5.64×0.1)=2.695m/s

体积流量qv=AU，qm=qv/vg

式中：qm=质量流量，qv=体积流量，vg=比容

则：qm=AU/vg

式中：A=3.14×D ² /4

qm=AU/vg=3.14 ×D ² U/4vg=(3.14×0.12×2.695)/(4×0.177)=430kg/h

同样对于流动的最大雷诺数，R=1X106

Re=(5.64 ×U×0.1)/(15.2×10 ^-6 )=1x10 ⁶

u= [(1 ×10 ⁶ ))×(15.2×10-6)]/(5.64×0.1)=26.95m/s

并且：qm=AU/vg=3.14XD ² U/4vg=(3.14×0.12×26.95)/(4×0.177)=4300kg/h

总结：

1. 管道内饱和蒸汽的质量流量是密度、黏度、速度的函数；

2. 为了精确计量蒸汽流量，应正确选择蒸汽管道，使其流动时的雷诺数在1×10 ⁵ -1×10 ⁶ 之间；

3. 由于在给定条件下流涕的黏度是不变的，因此正确确定雷诺数就是正确选择管道的口径；

4. 如果压力、密度、黏度保持不变，雷诺数增加10倍，那么速度同样也增加10倍。

计量的相关术语：

重复性：重复性是指在同一条件下对同一被测量进行多次测量所得结果之间的一致程度；

不确定度：不确定度通常用精度来代替，这是因为真值永远是未知的，精度也就无从谈起。但是不确定度可以估计，且可根据ISO标准来计算。主要指流量计正确显示的流量与真值之间的差值，通常用百分比来表示。

量程比：量程或量程比，指一台流量计在保证精度和重复性的前提下，所能计量的流量范围，可用以下公式表示：量程比=最大流量/最小流量

伯努利原理

许多差压流量计都是根据伯努利原理研发的，主要指能量的守恒，可以总结一下几个方面：压能、动能、势能，这三者的和在管道里的任何一点都相等

公式如下：

P1/ρg+u ₁ ² /2g+h1=P2/ρg+u ₂ ² /2g+h2

式中：

P1 和 P2是系统中任意点的压力

U1 和u2为系统中与压力对应的流速

h1 和h2为系统中对应点的相对高度

G 为重力加速度

以上公式乘以ρg就可得以下公式：

P1+ρgh1+1/2ρu ₁ ² =P2+ρgh2+1/2ρu ₂ ²

如果两点高度不变，则可简化之以下公式：P1+1/2ρu ₁ ² = P2+1/2ρu ₂ ²

流量和压降的定量关系

根据热力学第一定律（能量守恒定律）

势能mgh=动能1/2mu ²

则：u ² =2mgh/m

因此，u ² =2gh

所以：u=2gh的开方

式中u=流速

流量qv=Au

所以， qv=A×2gh的开方

实际上，由于流涕的摩擦损失，流涕经过节流装置的实际速度要低于理论速度，理论速度和实际速度之间的差异可以用速度系数Cv表示

即：速度系数（Cv）=实际速度/理论速度

同样，截流装置收缩后的面积会小于实际面积，收缩后的段点面积和实际孔板面积之比称为断面收缩系数，用Cc表示

即（ Cc ）=收缩后的段面面积/实际孔板面积

速度系数和断面收缩系数可以综合为流出系数（C），在计算流量时要考虑流出系数，此时的体积流量公式为：qv=CA×2gh的开方

通过进一步简化，2gh可表示为差压值得开方，即：qv=CAΔP的开方

根据伯努利原理

P1+1/2ρu ₁ ² =P2+1/2ρu ₂ ² 可以进一步简化为以下公式：

u1 =2 （ΔP）/ρ的开方

因：qv=Ax2gh的开方，u=2gh的开方

所以qv=CA·2ΔP的开放

计量仪表：

内文丘里流量计

原理：根据能量守恒定律伯努力方程和连续性方程为基础的测量方法，流速越大差压越大，先算出流速，再由面积和相关补偿系数完成整个计量过程，流量与差压的开方成正比关系。

1 、优势

（1）内文丘里管流量计最短直管段前只需1～3D，后1D。

（2）内文丘里管流量计在压力损失较小（10kPa左右）重复性（±0.1%）能强。

（3）内文丘里管流量计可按国家相应的检定规程‘JJG 640─2016’相关规定进行检定。

2 、劣势

（1）内文丘里管流量计属于差压式流量计，安装复杂，要求较高，需安装引压管、三阀组及差压变器，安装和维护较复杂。

（2）DN80以下的内文丘里管流量计易发生堵、卡，影响正常计量。

（3）故障率较高，维护维修工作量大。

涡街流量计

原理：在测量管中插入一非流线型阻流体，也称发生体。随着流体的流动，当管道雷诺数达到一定值时，在发生体的两侧就会交替分理处卡曼涡街。涡涡街流量计采用压电传感器进行测量，当两边交替产生压力时，压电晶体的晶格发生震动，此时由机械能转换为电能进行输出脉冲信号。

优点：

（1）结构简单、牢固、安装维护方便，无需导压管、三阀组及变送器，从而减少泄露、堵塞和导压管冻结的现象；

（2）压力损失小，约为差压流量计的1/4；

（3）在一定的雷诺数范围内，输出频率不受流体（密度、粘度）的影响，仪表系数仅与漩涡发生体及管道的形状、尺寸有关；

（5）价格低；

（6）涡街流量计目前在外网用户中使用较多，仪表维护人员有丰富的维护、检修经验。

缺点：

（1）对管道机械振动较敏感，不宜安装在强震动的场所；

（2）流体温度太高会对传感器输出精度有影响，一般流体温度≤420℃；

（3）安装涡街流流量计时对直管段要求较高；

（4）涡街流量计在蒸汽用量稳定的用户以及用量在设计流量的10%以上时测量较为稳定，适用于冬季采暖和连续性生产用户。

涡街流量计的工作原理、结构和特点

漩涡频率ｆ与流经发生体两侧的平均流速Ｕ之间的关系可以表示为：ｆ＝ＳｒＵ１／ｄ

测量管内径为Ｄ，发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比为ｍ。

所以：Ｕ１ ＝Ｕ／ｍ

式中：Ｕ为测量管内的平均流速，ｍ／ｓ

所以　ｆ＝ＳｒＵ／ｍｄ

设测量管内瞬时体积流量为ｑｖ，则：ｑｖ＝3.14D ² U/4=3.14D ² ｍｄｆ/4Ｓｒ

从式中可看出，对于确定的测量管内径D和发生体迎面宽度d，流涕的状态体积流量与漩涡频率成正比，也就是说只要测出频率就可测出体积流量

如果对上面公式做一个变换，则：K=f/ｑｖ=(3.14D ² ｍｄｆ/4Ｓｒ) ^-1

式中，K=涡街流量计的仪表系数m) ^-3

在工程应用中涡街流量计常用公式为：ｑｖ＝3600ｆ/k

斯特劳哈尔数Sr

与发生体的形状和雷诺数有关，通常情况下，管道雷诺数在2×10 ^4~7 ×10 ⁶ 范围ienei，斯特劳哈尔数可视为常数，可保证测量的精度，超出这个范围，Sr将随雷诺数的降低或升高而变化，涡街流量计将出现非线性。当雷诺数从2×10 ⁴ 降低到5×10 ³ 时，卡曼涡街仍然可以稳定分离，但由于非线性的影响，测量精度会降低所以通常把5×10 ^3~7 ×10 ⁶ 作为涡街流量计的可测量范围。

涡街流量计的结构

涡街流量计的结构和粗略地分为传感器和转换器两部分。

传感器包括：发生体、表体、检测元件等。

转换器主要包括：电子模版和现实单元。

涡街流量计的分类

按连接方式可分为法兰连接和法兰夹装连接

按检测技术可分为热敏式、超声式、电容式、应力式、应变式等

按使用目的分类可分为防暴型、高温型、低温型、耐腐型、插入式和质量型

按结构分为一体型和分体型

按功能分为常规型和智能型

变面积流量计（线性孔板）

传统的孔板流量计罪的不足是被测流量相对于满量程流量较小时，差压信号很小，这一缺点大大影响其范围度和测量精度，于是在此基础上开发了可变面积的孔板流量计，因为其输出的差压信号与被测量之间有线性关系，所以也成为线性孔板。

工作原理：线性孔板流量计七环隙面积随流量大小而自动变化曲面圆锥形塞子再差压弹簧的作用下来回移动，环隙变化使输出信号（差压）与流量成线性关系，并大大地扩大范围。

当流体流过开孔面积为A的孔板时，流量q与孔板前后的压差之间有如下关系，即：q=k1A乘Δp的开方

式中：q为流量；k1为常数；A为开孔面积；Δ p为差压信号

由差压引起的活塞和弹簧组件的压缩量（活塞的移动距离）为X，则：Δ p=K ₂ X

式中：K ₂ =弹簧系数。

变面积流量计

原理：此流量计又称线性孔板，其环隙面积随流量的大小而自动变化，曲面圆锥形塞子在差压弹簧的作用下来回移动，使输出信号与流量呈线性关系。

优点：

（1）直管段相比涡街较短，比内文丘里较长（前12倍后3倍）；

（2）量程比较宽达20:1，适用于大多数流体测量，结构紧凑。

缺点：

（1）压力损失大（50KPa）；

（2）安装要求较高（否则无精度可言），有可移动部件，活塞加工要求较高。因截流面积随时变化，在运行时无法人为的确认计量是否准确；

（3）容易跑冒滴漏、仪表结构复杂，一旦出现故障，排除故障的技术要求高、维护量较大，仪表口径最大到DN200；

（4）斯派莎克流量为V锥活动部件，存在卡的可能性，影响正常计量；

（5）弹簧的弹性系数在较高温度下存在发生变化的可能性；

（6）一次表检定（校准）时必须对二次表内的系数重新设定，增加工作重复性且二次表不能互换；

当活塞向前移动时，流通面积受活塞形状的影响而发生变化，其关系为A=K3乘X的平方根，式中：K3=常数

因此由以上公式可得：A=K3乘（ Δp /K2）的开方

代入公式可得：q= k1K3x（Δp /K2）的开方×Δp的开方=kΔp

式中：k---常数k=k1K3x(1/ K2)的开方

由以上公式可知，流量与差压成线性关系，所以取出差压信号即可得到流量。

线性孔板的特点：

范围度宽，可测范围为1%~100%，保证精度的情况下可到5%~20%

线性输出名差压信号与流量成线性关系

直管段要求较低

只要线性孔板的弹簧线性好，活塞加工比较理想的形状，使得流通面积与位移X的1/2次方成线性关系，就能使差压与流量之间的线性关系成立，但是，活塞的曲面加工较为困难，不得不用逐台标定的方法来弥补这一不足

还要利用标定数据对线性孔板的非线性误差进行校正，须借助于流量二次表，具体做法是将标定数据写入二次表中的折线表，然后二次表根据输入的差压信号（电流值）用查表和线性内插的方法求得水流量值

得到水的流量还不是目的，因为要测蒸汽，所以要进行雷诺数和温度的校正补偿

超声波流量计

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声脉冲的作用，以测量体积流量的仪表

按测量原理可分为传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法。

V=L2/2X(1/T12-1/T21)

式中：

L ：超声在换能器之间传播路径的长度

X ：传播路径的轴向分量，m；

T12,21 ：从换能器1到2和2到1的传播时间

C ：超声在静止流体中的传播速度

V ：流体通过换能器1、2之间声道上平均流速m/s

流量方程：Qv=(Vm/k)(πD2N/4)

式中：K：流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速V之比

换热计算：

额定热功率：如果负荷用KW表示，蒸汽压力给定，蒸汽的流量就可以用以下公式表示：蒸汽流量（kg/h）=负荷kw×3600/工作压力下的焓hfg

管道和空气加热器的蒸汽耗量计算：

暖管负荷计算

把管网系统加热到工作温度需要的蒸汽流量是管道的质量、比热、温升、蒸汽的蒸发焓和暖管事件的函数

可以用以下公式来表示：ms=60w(Ts-T _amb )Cp/hfg t

式中：

ms= 蒸汽的平均冷凝率（kg/h）

w= 管道与法兰以及接头的总重量kg

Ts= 蒸汽温度

T _amb = 环境温度

Cp=0.49 管道材质的比热（kj/(kg·℃ )）

hfg= 工作压力的蒸发焓（kj/kg）

t= 暖管时间

换热器的蒸汽耗量：

通常指板式换热器和管壳式换热器，用KW来表示换热器的额定功率

例：计算非储存式换热器的热负荷和蒸汽负荷

换热器涉及在2.8KG蒸汽压力下的满负荷运行，二次侧出水和回水温度分别为82 ℃和 71 ℃，泵的给数量为7.2kg/s，睡得比热容为4.19KJ/(kg·℃)

首先计算热负荷：Q=m C _p Δp=7.2×4.19×11=332KW

计算蒸汽负荷：一个332KW的换热器工作在2.8kg（hfg =2139KJ/kg）蒸汽量为ms= Q/hfg =332/2139kg/s=558kg/h

热水容积式换热器：

热水容积式换热器是把容器内的冷水在一定时间内加热到一定温度的换热器

蒸汽加热阶段和保温阶段的平均蒸汽量可以用下面公式

 ms=(m CpΔT)/(hfg t)

公式中：ms=蒸汽量（kg/h）

ΔT = 温升

Cp= 水的比热（kj/(kg·℃ )）

hfg= 工作压力的蒸发焓（kj/kg）

t= 加热时间

例：容积式换热器的容量为2272kg，设计条件为2kg蒸汽在半小时内将水从10 ℃加热到60℃，计算蒸汽用量？

ms=(mC _p ΔT)/(hfg t)= （2272×4.19×50）/（2163×0.5h）=440kg/h

锅炉房系统：

水管锅炉的炉水在管内循环，热源在管外围，根据承受的压力不同，水管直径小时，在同样的应力下可承受更高的压力。

循环原理

1 、较冷的给水从锅炉锅筒的隔板后进入，由于冷水密度大，它咋下降管内向下流动至较低的下锅筒取代向上进入前部水管较热的水

2 、继续加热会在前部水管产生蒸汽泡，由于密度的关系，汽水混合物向上升，在上锅筒内与热水分离，离开锅筒；

从热源来的热量可以通过辐射、对流、传导等方式吸收

炉膛辐射传热：

指在一个空旷的区域容纳从燃烧器来的火焰，如果火焰直接与炉管接触，将发生严重干的冲蚀，并最终损坏炉管，所以，炉膛墙面排列着模板，用于吸收来自火焰的热辐射

一台锅炉的额定蒸发量为2000KG/和，工作压力为15bar,给水温度为68度

蒸发率=90%（一般为90%）

因此实际出力=2000×90%=1800kg/h

蒸发率90%=A/(B-C)

式中：A=大气压吓得蒸发焓

B= 工作压力下的蒸汽比含

C= 给水温度下的比含

例如：蒸发率=2257KJ/KG/(2794KJ/KG-284.9KJ/KG)=0.9

蒸汽出力kg/h=锅炉额定值KW × 3600/加入的热值

例：一台锅炉为3000KW，工作于10bar，给水温度为50度，有多少蒸汽产生？

给水热值=50度×4.19=209.5KJ/kg

10bar 下的蒸汽焓值=2782KJ/kg

因此锅炉必须提供的热量为2782-209.5=2572.5KJ/kg

蒸汽出力=3000KJ/S×3600S/2572.5KJ/kg=4198kg/h

锅炉效率（%）=输出至蒸汽的热量/燃料提供的热量×100

锅炉附件：

锅炉附件以下有几个部分：安全阀；主汽阀；给水止回阀；水质化验系统；连续排污系统；仪表系统；玻璃水位计和附件；水位控制系统；排空气和破真空器；除氧器系统。

锅炉用水：

外部水处理：

1 、反渗透-纯水被强制通过半渗透膜而剩下的杂质溶液排掉

2 、石灰软化

3 、离子交换-至今为止最广泛的水处理方式

给水加药计算：

标准的亚硫酸钠加药量是每1ppm的溶解氧要求8ppm的亚硫酸钠

通常增加额外的4ppm亚硫酸钠用于在锅炉中保持一个裕量

典型的液态亚硫酸钠仅含有亚硫酸钠45%

给水箱温度=85

85 摄氏度下水的含氧量为2.3ppm

所需要的亚硫酸钠量=2.3×8+4=22.4

所需要亚硫酸溶液量（45%浓度）=22.4×100/45=49.8ppm

年需亚硫酸溶液=10000kg/h × 6000h/年×49.8/1000000ppm=2988kg/年

若每公斤15元，则年需费用44820元

给水箱：

给水箱材料：

铸铁---容易腐蚀；

碳钢---给水箱最通用干的材料，需在表面涂防腐蚀材料，成本低；

塑料---只能适合做冷补水箱的材料，不耐高温；

不锈钢-一般为304L，使用寿命长，但先期成本高。

除氧器：

氧是给水管道、给水泵和锅炉腐蚀的主要原因。

压力除氧器的工作原理：

如果液体处在它的饱和温度下，在液体内气体的溶解度是零，但是液体必须强烈煮沸才能确保 完全除气，在除氧器的头部可以做到这一点，将水打碎成尽可能小的水滴，环绕着水滴的都是蒸汽，这样就提供了很高的表面积和质量比，并使从蒸汽到水的热传导非常快，使水很快加热到饱和温度。

溶解气体释放出来后，将剩余的蒸汽携带的氧气排放到大气（这股蒸汽和气体的混合物比饱和温度低，可以通过热静力排放，除氧后的水下落到容器的存储部分）。

除氧器部分计算：

质量/热量方程式

Mh1 + ms hg = (m+ms)h2

Ms=m ×(h2—h1)/(hg-h2)

除氧器蒸发系数：

蒸发系数=A/(B-C)

式中：A=大气压力下蒸发比含是2258KJ/kg

B= 锅炉压力下饱和蒸汽比含（hg）(KJ/kg)

C= 给水的比含（h1）(KJ/kg)

例：蒸发率=2258/(2781-356)=0.9311

那么按10吨锅炉计算额定出力=10000×0.9311=9311kg/h

给水在105度使得热焓为（h2）=440KJ/kg

10bar 下的蒸汽焓值（hg）=2781KJ/kg

给水在85度使得热焓为（h1）=356KJ/kg

除氧器给水流量为9311kg/h

Ms=m ×(h2—h1)/(hg-h2) =9311×（440-356）/(2781-440)=334kg/h

除氧器蒸汽控制阀计算：

控制阀用于饱和蒸汽的选型可用公式

Ms=12KvP1 ×【1-5.6(0.42-x) ² 】开方=12KvP1

式中：Ms=蒸汽流量

Kv= 控制阀流量系数

P1 、P2上下游压力

x= 压力降（P1-P2）/P1

计算上例：Kv=334/(12 × 11)=2.53

所以选择的控制阀KVS应大于2.53，根据查表得，可选择一个口径DN15的控制阀。

控制阀用于给水的选型可用公式

V=Kv ×【(P1 - P2 )/G 】开方

=Kv/ （ΔP）开方

式中：V=体积流量

K v= 控制阀流量系数

P1 、P2上下游压力

G= 水密度

计算上例：Kv=334/(12×11)=2.53

所以选择的控制阀KVS应大于2.53，根据查表得，可选择一个口径DN15的控制阀。

基础控制理论：

自动控制涉及的范围很广，控制量包括温度、压力、流量、液位和速度。

按控制模式：开/关控制

连续控制：

开关控制：通常被称为两点控制，是最基本的一种控制模式。

以60度为例：如果以60为开关点，那么系统就永远不能正常工作，因为阀不知道在60度状态下是开还是关，然后阀就会出现快速开关动作，导致阀磨损。

这种情况下就需要一个上开关点和下开关点，用来防止系统快速循环，这是可以设计上开关点为61，下开关点为59，温控阀在60度的设定点有2度的开关偏差。

但是温度的传热效应，不是立刻显现，管道内的高温介质会出现一个持续的放热过程，因此很容易出现超调现象。

对于开关控制，必须有上下限位开关

优点：简单、便宜

缺点：偏差经常会超出允许范围

连续控制：比例（P）、积分（I）、微分（D）

比例控制：

比例带越大，控制就越稳定，但偏移越大

比例带越窄，控制稳定性就越差，但偏移越小

图中AB、BC之间为偏差

图中A和C之间为比例带

比例控制的几个基本要点：

1 、控制阀的移动与实际液位同设定点之间的偏差成比例

2 、设定值只能在某一个特定负载下维持

3 、尽管在A和C之间能达到稳定的控制，但是任何引起实际液位与B之间产生偏差的负载都存在偏移

4 、改变支点的位置可以改变系统的比例带，支点越靠近浮球，比例带越窄，反之亦然。

5 、宽的比例带（小增益）稳定增强，但灵敏度降低，窄的比例带（大增益） 稳定性变差和控制不稳，但灵敏度提高。

6 、总体而言，理想的比例带是在不引起房间温度变化明显震荡的前提下，越窄越好。

比例增益计算：

“增益”通常用于控制器，是比例带的倒数

控制器的增益越大，对于相同的偏差控制器的输出就越大，例如：如果增益为1，10%的偏差就会改变控制器的10%的输出，若增益为5,10%的偏差就会改变控制器50%的输出，若增益为10，则10%的偏差就会改变控制器100%的输出。

例如一个控制器具有200℃的量程：

20% 的比例带=20%×200=-40℃

40% 的比例带=10%×200=20℃

假定控制器的输入量程为100 ℃，为了使控制器在20%的比例带内完成全行程的输出，控制器的增益是多少？

100%/20%=5

也就是说比例带是100℃ 的20%，就是20 ℃，增益为100/20=5

积分作用（I）：

偏差可以通过手动或自动来消除，但人工设定后的结果差别很大，因此在自动控制机构中引入“重新设定”功能，称作为积分作用。

积分作用的定义是：控制器在积分作用下输出改变达到与比例作用下的输出改变相同时所需要的时间，只要偏差存在，积分作用就不断给出一个稳定的不断增加的校准作用，这种校准作用随着时间二增强，控制器可以改变积分时间来满足设备的动态性能。

比例积分（P+I）控制器的积分租用通常限制在一定的比例带内

积分的特点

如果积分时间太短没会产生超调和控制不稳定

如果积分时间太长，重设定作用就会太慢

IAT 用时间单位表示，有些控制器中，积分作用的调整参数用

“ 每分钟重复次数”来表示，也就是每分钟积分作用输出改变随比例输出

改变的次数

每分钟重复次数=1/IAT

IAT=∞ 表示积分作用无穷大

IAT=0 表示无积分作用

超调和积分保和问题

当系统攒在滞后时，P+I控制器很容易出现超调，由于积分作用的特点，积分作用的产生必须在比例控制作用之后，为反应引入一个滞后的、更大的死区时间，但在实际当中更可能产生严重的后果，如果当系统发生快速变化时，这样实际值就会失去控制，使系统产生震荡，如果采用积分作用，必须使用正确大小的积分作用

积分作用也可能会导致其他状态恶化，例如在一个大的阶跃改变或着系统关机后，积分作用会变得相当大，引起严重的超调或控制不足，需要很长时间才能恢复，这种现象称为“积分饱和”。

为了避免出现以上问题，控制器需要抑制积分功能，是系统达到平衡状态，需要引入另一种控制模式，微分作用（或比率作用，指实测温度的改变速率）

微分控制：

微分作用（D）测量过程信号的改变速率并对此作出反应，调整控制器的输出以减小超调

如果微分作用正确应用于时间滞后的系统，在系统工况发生改变时可以减小同设定值之间的偏差，一般微分作用只作用于在工况信号发生改变时，如果信号是稳定的，不管偏差有多大，微分作用都不会起作用

微分很大的一个作用是减小超调，尤其是负载发生快速变化的系统

微分作用一般在控制器内设定，用TD来表示，单位是时间

TD=0 时，无微分作用

TD= ∞ 时，微分作用无穷大

P+I+D 控制器如果在正确调整后，可以实现对大部分工艺系统进行快速的反应和控制，不会出现偏差和超调

PID 调节中出现振荡的原因：

振荡，通常指不稳定，振荡在操作点附近产生一个持续变化的偏差，可能有以下原因：比例带太窄，积分作用太短，微分时间太长

微分常数的确定：

TDC= （TS-T1）/（TS-T2）

式中：TDC=温度设计常数

TS= 蒸汽温度

T1= 二次侧流体的进水温度

T2= 二次侧流体的出水温度

例如：进水温度=60，进水温度=65，蒸汽温度=70（减压后）

TDS= （70-60）/（70-65） =2

当蒸汽温度上升到140度时，二次侧出水温度T2是多少度

T2=TS-[(TS-T1)/TDC]=140-[(140-20)/2]=80℃

此时，出口温度已经超出了比例带范围，控制器将阀门关闭.

控制阀

阀门的形式包括直行程阀和旋转型阀

直行程阀包括球形阀和闸板阀

旋转阀包括球阀、蝶阀、旋塞阀

控制阀一般选择二通阀和三通阀

球形阀主要部件：阀体，阀盖，阀座和阀芯，阀杆，密封。

阀门关切里F

F=A ΔP+ 摩擦力余量

式中：A=阀座面积，ΔP=压差，F=需要的关切力KN

阀门关闭密封等级：控制阀的泄露等级是按照阀门处于全关闭时的泄漏量来划分的，最好的等级是三级（泄漏量为全流量的0.1%，进口的能做到0.01%）

流量系数：

流量系数可以使阀门的性能具有可比性

在各种流量下风门的压差可以确定

确定给定压差下通过控制阀的流量

典型口径的流量系数：

控制阀的选型：

V=Kv ×【(P1- P2 )/G 】开方

例：V=10，Kv=16，压差p=0.39bar

水泵：通常使用离心泵，根据性能曲线，当流量增加时，水泵出口的压力会下降

在整个水循环系统中，不仅考虑泵和控制阀的口径和特性，还要考虑其他因素，要整个系统总体考虑；

压损：水在系统中的摩擦损失叫做压损，压损的增加铜流速的平方根成正比

公式为：V ₁ ² \V ₂ ² =P1/P2

一定口径的管道通过的流量V1为2500立方时的压损为4bar，计算流量为3500立方时的压损：V ₁ ² \V ₂ ² =P1/P2

P2=P1 × V ₁ ² \V ₂ ² =4×3500 ₂ /2500 ₂ =7.84bar

如果系统中的二通阀选型过小，水泵需要消耗大量的功耗，仅仅为提供足够的水量通过控制阀。

如果系统中的二通阀选型过大，阀门在全开位置时的压降很小，水泵的能耗减小，但是达到控制点位置时大的流通面积意味着阀门行程的很小改变会引起很大的流量变化，稳定性和精确度会很差。

阀门的选择：

首先确定阀门的阀权度（N）

公式：N=ΔP1\(ΔP1+ΔP2)

式中：ΔP1=控制阀全开时的压降

ΔP2= 回路其他部分的压降

ΔP1+ΔP2= 整个回路的压降

N 值应该接近0.5（但不能大于），并且不能小于0.2，这样可以保证阀门的每个小的变化对流量有影响，但同时又不会过分增加泵的功耗。

蒸汽系统控制阀的选型：

如果安装的阀是DN50，阀门处于全开状态，通过阀门的压降相对较低，供给换热器的蒸汽压力相对较高，因此，为达到设计负载所需要的换热盘管面积相对较小

但是一个DN40的阀门处于全开状态，通过与DN50阀门相同的流量，因为阀门的流通面积变小了，所以通过阀门的压降会增加，进入盘管的压力会降低，这就需要更大一点的换热器。

在控制阀的选型中，噪音是一个需要考虑的因素，不仅增加噪音等级，而且会损坏阀门内部部件，一般情况下可以安装一个稍大一点儿的阀门

通常饱和蒸汽在控制阀出口的流速大于0.3马赫的话，产生的噪音无法接受

声音在蒸汽中的流速取决于蒸汽的温度和品质。

蒸汽中的音速计算：

计算公式为：C=31.6 [rRT] ^1/2

式中：

C= 蒸汽在管道中的音速

31.6= 比例常数

r= 蒸汽的绝热指数（饱和为1.135）

R=0.4615 蒸汽的气体常数（KJ/Kg）

T= 蒸汽的绝对温度K

球形阀的简化选型：

公式：ms=12kvP1

式中：ms=蒸汽流量

Kv= 阀门流量系数

P1= 上游压力

例：管壳式管热器制造商规定在管束中蒸汽压力需要达到5bar的绝对压力来满足500KW的热量需要，控制阀上游干度为0.96的饱和蒸汽，压力为10bar，在5bar下蒸发焓是2108.23kj/kg；首先，10bar下的焓值是2697.15kj/kg

5bar 下的蒸汽干度=2697.15/2748.65=0.98

5bar 下的可用热量是0.98X2108.23=2066KJ/KG

蒸汽流量=负载（KW）×3600/工作下的焓值（hfg）

=500KW/2066x3600=871kg/h

确定全负荷下的压降比,压降比率=(10bar-5bar)/10bar=0.5

确定所需的Kvr

全负荷下的压降比大于0.42，因此采用临界条件公式:ms=12kvP1

871=12 × Kvr×10bar

Kvr=7.26

初步选择一个口径为DN25的阀门，然后计算这个口径下通过湿蒸气势的阀门出口噪音,阀门的出口音速为C=31.6 [rRT] ^1/2

r=1.035+0.1(0.98 干度)=1.133

R=0.4615KJ/KG( 蒸汽的气体常数)

湿蒸气在5bar下的温度同相同压力下的干蒸汽的温度一样，T=425K

在阀门处蒸汽的音速为：C=31.6×(1.133×0.1615×425) ^1/2 =471m/s

DN25 的控制阀出口面积为0.00049m ²

5bar 下0.98干度的蒸汽比容为0.3674m ³ /kg

体积流量=871kg/h×0.3674=320m ³ =0.0888m ³ /S

出口流速=体积流量/出口面积= 0.0888m ³ /S/0.00049m ² =181m/s

对于湿蒸气在阀门出口处的噪音标准时阀门出口流速=40m/s

因此，此时流速已经远大于40m/s，因此DN25的控制阀可能产生难以接受的噪音，所以DN25不适合此应用，按40m/s算，最小出口面积=0.0888/40=0.00222m ²

根据计算结果，应选用DN65阀门。

蒸汽分配系统：

管道和管道选型：管道材质；

蒸汽系统的管道通常采用复合ANSI B 16.9 A106标准的碳钢管，一般每段管道长度为6m；

管道内流通流体的总能量损失取决于：管道长度；管道口径；流体的平均流速；流体的动力黏性系数；流体密度；管壁的粗糙度。

管道选型过大：

设备费用增加；安装费用更高；

热损失增加，蒸汽管道内形成的冷凝水增加，这就需要更多的蒸汽到达用气点。

管道选型过小：

产生高的压力降，到达用气点时压力过低，降低设备使用性能；

用气点没有足够的蒸汽量；

蒸汽流速加快，容易产生冲蚀、水锤、噪音等。

蒸汽流速计算：

正气流速=蒸汽流量XVg（比容）×4/[3600×π× D ²

压降计算:

例：进口压力7.0，最小允许压力6.6，管道长度：165米

每100m的最大压降为（7.0-6.6）×100/165=0.24bar

计算管道口径：

根据公式

管道截面积=体积流量\流速

ΠD ² /4=V/U；D ² =4v/ΠU

例：某工艺需要7bar饱和蒸汽5000kg/h（1.389kg/s），流速不超过25m/s

其中7bar下的比容为0.24m ³ /kg

体积流量=m×比容

体积流量=0.333m ³ /s

根据D ² =4v/ΠU，D=130mm

应选择最接近的管道口径，为DN150。

压降公式：

ΔP=LVg,m ² /0.08D5

式中：ΔP=压降；L=管道长度

Vg, = 比容；m=质量流量；D=管径

蒸汽主管和疏水：

根据欧洲标准，蒸汽主管因沿着流动方向布置有不小于1:100的坡度（每100米有1米的下降）该坡度将确保冷凝水在重力和蒸汽流动的作用下流向排放点；

疏水点；

疏水点必须要保证冷凝水到达疏水阀，大口径的蒸汽主管在起机阶段形成的冷凝水较多，需要每隔30M至50M布置疏水点，并且还要布置在最低处，如上升管的底部。

管道的膨胀和支撑：

膨胀余量：

所有的管道都是在环境温度下安装的，当用来输送热的流体时就会膨胀，会在挂电脑的连接处产生应力，

膨胀长度的计算公式：膨胀（mm）=LΔT a

  式中：L：支撑点之间的距离

ΔT ：环境温度与工作温度之间的温差

A ：膨胀系数（mm/m℃x10 ^-3 ）

长度为30m的碳钢管用来输送4bar（152℃）的蒸汽，如果管道安装环境为10℃，计算膨胀长度

膨胀（mm）=LΔT a=30×142×14.9×10 ^-3 =63.5mm

管道系统的灵活性：

管道布置不惜足够灵活以吸收由于加热引起的管道移动，如果剩余的膨胀不能被管道的自然柔性所吸收，则必须使用膨胀件

在实际应用中没管道膨胀和支撑点可以分为三个部分：固定点；滑动支撑；膨胀节（一般为膨胀波纹管）。

管道支撑距离：

1 、布置管道间距不大于标准规定值

2 、当两根或多跟管道在同一个托架上时，支撑距离应根据最小口径管道确定

3 、当出现明显的移动时，或管道超过15m长，应使用滑轮式支架

4 、在上升管道的底部应充分支撑

5 、所有的管道支撑应特别设计以适应该管道的外径

换热器面积计算：

计算公式为：A=Q/UΔT

式中：

A = 加热面积；

Q= 换热量；

U= 传热系数；

ΔT= 平均温差。

换热器一般不能选型过大，由于换热面积增加，所需的蒸汽压力就会降低

蒸汽压力降低，蒸汽温度也会降低，换热器的平均；

温差同样也会降低。

冷凝水回收管道的布置：

只要保证蒸汽压力高于疏水阀后的冷凝水背压时，冷凝水才能径上升管道排出；

根据管道口径和闪蒸蒸汽的比例，可接受的闪蒸蒸汽速度为15-20m/s；

也可以用来估算泵后的冷凝水管道的口径。

凝水回收泵类型：电动离心式电动泵；机械式冷凝水泵。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2020年7月24日。