近年来, 集中供热成为世界上发达国家和发展中国家主流, 是城市重要的基础设施, 也是节约能源改善环境的重要措施。根据国家节能减排政策要求, 电厂如不能对外供热, 小机组将可能面临关停的局面, 因此城市供热管网的建设成为城市配套建设的一项重要组成部分。而在供热管网的设计和建设中, 旋转补偿器在城市供热管网的应用中具有极大的优越性和灵活性, 已成为国内蒸汽管道敷设采用的主要的补偿器元件之一, 其具有补偿量大, 旋转摩擦阻力小, 安装、维护方便, 运行可靠等特点, 被广泛运用于热网补偿中。
旋转式补偿器主要由接管、滚珠、螺栓、螺母、垫片、压盖、填料等组成, 详见图1;其工作原理, 是通过成对安装旋转筒补偿器, 利用安装在管道上的一对旋转筒和L (旋转补偿器臂) 旋转并形成力偶, 通过旋转一定的角度, 达到吸收管道热位移的目的, (见图1) 。
产品结构合理, 旋转补偿器采用的是双密封形式, 一面为端密封, 一面为环密封。
设计热网时, 波纹管补偿器补偿的条件较苛刻, 必须遵循五大黄金原则, 套筒补偿器要“严格找中”的原则, 并要考虑波纹管补偿器、套筒补偿器的应力、盲板力等。旋转补偿器的型式多样, 可根据管道的走向不同, 选择适合的旋转补偿器型式, 即可解决管道的补偿问题。
产品的寿命可达20年以上。
补偿量可达1800 mm (其他的补偿器, 如波纹管补偿器的补偿量最大补偿量在300~400 mm) , 对于DN 200以上的管线, 单边补偿量可达到130~200 m, 对于≤DN 200的管线, 单边补偿量可达到100~130 m, 可以长距离输送蒸汽管线补偿使用。
使用旋转补偿器补偿, 由于补偿器补偿距离增长, 比自然补偿和套筒补偿减少弯头, 从而减少压降, 使热网的管损减少, 作为长距离输送热网的主要补偿方式之一。
根据管线的走向, 结合现场的地形, 选择旋转补偿器补偿的型式, 解决蒸汽管道的补偿问题, 工程安装方便, 无需冷拉、预紧等施工工艺, 对焊即可。
因旋转补偿器的补偿距离长, 采用的补偿器数量减少, 且对土建的固定墩推力小, 固定墩的设置数量比较少, 固定墩的规模比较小, 大大节省了土建的投资, 与其它的补偿器相比, 工程总投资要节约20%~40%, 经济效益可观。
一共三种型式: (1) 同一直线 (上翻式) 。 (2) 同一直线 (高差式) 。 (3) 同一直线 (倒挂式) 。具体参见厂家样本。
一共五种型式: (1) 错位式 (直线型上翻) 。 (2) 错位式 (直角型) 。 (3) 高差型错位 (直线型) 。 (4) 高差型错位 (直角型) 。 (5) 错位式 (直线型下翻) 。具体参见厂家样本 (见图2) 。
根据工程设计中的实际应用, 旋转补偿器在供热管网设计时, 总结出以下的布置原则。
(1) 旋转补偿器补偿的两固定点距离根据设计温度、管径大小、旋转补偿器的补偿量选取, 一般对于≤DN200的管线, 两固定点之间补偿距离为200~250 m之间, 对于>DN200的管线, 两固定点之间补偿距离为250~400 m, 根据热网管线的设计温度, 可更长, 小管径及固定点之间有升降的情况下, 补偿距离应缩短, 具体要根据实际情况计算确定
(2) 管托的偏装, 应计算热位移量, 并采用向两侧固定点做相应的偏装。
(3) 根据经验设计, 旋转补偿器的两侧通常采用挡块墩 (架) , 以防止旋转补偿器暖管或运行时管子滑脱。
(4) 旋转补偿器两侧一定距离内不得设置导向支架, 导向支架距补偿器的距离应根据管径, 参照旋转补偿器样本上的距离设置。
(5) 旋转补偿器的臂长应根据管径和需要补偿的距离计算确定, 一般在1.5~20 m, 特殊情况可根据现场的情况确定。
(6) 旋转补偿器的高度H=旋转补偿器筒高+2个弯头 (弯头通常常用1.5DN) , 必要时增加一定的直管段, 但直管段最好上下对称。
(7) 原则上, 一组固定点之间只布置一组旋转补偿器, 且补偿器应成对布置。
(8) 旋转补偿器应预留偏转角θ, 偏转角θ根据旋转补偿器的臂长和补偿量确定。
(9) 旋转补偿器布置时拐角处宜采用成品弯头切割。
以淮阴电厂至安邦线改造为例
淮阴电厂至安邦线改造:低压蒸汽管道Φ377×9, 原设计为自然补偿和波纹管补偿器补偿相结合, 设计的流量为40 t/h, 起点参数:压力为1.4 MPa, 温度为340℃, 全线直线长度为3178 m, 弯头共239个, 末端参数压力为0.7 MPa, 温度为280℃, 保温材料为岩棉, 容重为150 kg/m3, 保温厚度为150 mm, 保护层采用镀锌铁皮0.5 mm。
由于该管线的流量增加, 增加到60 t/h, 末端参数不能满足用户用汽需求 (P≥0.7 MPa) , 因此须对原管线进行改造或新建, 以满足安邦化工厂内的用汽需求。
方案一:须增加一根复线DN250, 但由于现场位置的限制, 沿道路边无新建管线位置, 因此规划局不同意新建复线方案;方案二:对原管线进行改造, 由于原设计大部分为自然补偿, 且设计较保守, 将原来的自然补偿根据现场的实际布置情况, 更换成旋转补偿器补偿。根据现场的布置, 原设计30~50 m之间就有一组门型补偿, 现200~300 m设置一组旋转补偿器, 固定墩利用原有的固定墩, 导向架设置在原有的固定墩位置, 共减少158个弯头, 保留部分过厂门及道路的自然补偿, 并将原管道的保温材料更换为高温玻璃棉, 容重为48 kg/m3。
式中:△p为介质沿管道内流动总阻力 (Pa) ;ω为介质的平均计算流速 (m/s) , 根据计算为20.53 m/s;ρ为介质的平均密度 (kg/m3) ;λ为摩擦阻力系数, 0.0148;d为管道内径 (mm) , 359 mm;L为管道直线段总长度 (m) , 3178 m;∑ξ为局部阻力系数之和 (m) ;弯头部分的当量长度为239×10.5=2509.5 m;H2、H1为管道起点和终点的标高 (m) 1.15为安全系数。
根据以上公式计算, 原设计至末端的压力为P2=P1-△p=0.52 MPa;改造后管道的水力计算至末端的压力为P2=P1-△p=0.875 MPa。
(1) 管道的荷重, 按《动力管道设计手册》P474计算方法计算如下:管道计算荷重=管道重+保温重+附加重管道重=81.11 kg/m, 保温外径DW=377+150×2=677 mm。
铁皮重=0.6 7 7×3.1 4×0.0 0 0 5×78 00=8.2 9 kg/m
凝结水重=充满水重×10%=101.2×10%=10.12 kg/m
管道计算荷重q=111.42 kg/m
管道设计荷重q=111.42×1.0 5≈1 1 7 k g/m
管道荷重q=117 kg/m=1170 N/m, 20#材质, 按《动力管道设计手册》P474计算方法计算如下: (1) 按强度条件确定管道支架允许跨距
式中:Lmax为管架最大允许跨距, m, q—管道单位长度计算荷载, N/m, w为管道断面抗弯距,
φ为管道横向焊缝系数, 参见《动力管道设计手册》p475页表7-3, 本管, φ=1, [σt]为钢管热态许用应力, MP a, [σ]t=93.8 MP a, t取34 0℃, 参见《工业金属管道设计规范》p10 2页表∴。
(2) 按刚度条件确定管道支吊架允许跨距:
式中:Et为在计算温度下钢材弹性模数, MPa, 参见《动力管道设计手册》p443, Et=1.667×105MPa;J为管道断面惯性距,
∴Lmax=15.0 m.因此, 根据计算本设计跨距可按15.0 m, 原设计为10 m, 数据较保守。
改造前原固定管墩的推力:根据原设计图纸固定墩轴向推力为4.0 t, 侧向为1.8 t, 导向架侧向推力1.2 t;改造后固定点推力, 即旋转补偿器推力, 若不考虑固定点左右两侧推力相互平衡, 固定点推力由两部分组成:蒸汽管道滑动摩擦力、旋转式补偿器旋转时摩擦力 (见图3) 。
(1) 蒸汽管道滑动摩擦力F摩计算:F摩=μ×L×qF摩=0.1×150×117=1755 kg
式中:μ为滑动摩擦系数, 钢对钢滚动摩擦μ=0.1, L为固定点至旋转式补偿器距离150 (m) ;q为蒸汽管单位长度计算荷重, q=1 1 7 k g/m。
(2) 旋转式补偿器旋转摩擦力F旋计算:旋转转矩Mz查厂家样本, 公称直径D N 3 5 0、P N 2.5的旋转补偿器转矩为Mz=22.50 (kN·m) 。
F旋=2 Mz/L=2×22.50×1000 Nm/2.5 m=18000 N=1800 kg。
(3) 固定点轴向总推力F总, F总=F摩+F旋=1755 kg+1800 kg=3555 kg<4.0 t。
(4) 导向支架侧向推力由两部分组成。
旋转式补偿器旋转摆动对导向支架产生的侧向弹性力, 本设计根据样本查出, DN350导向支架距离旋转式补偿器≥40 m, 补偿臂长, 产生的弹性力小, 本设计约在500 kg以下。
导向支架侧向摩擦力Fcm=15 m×117 kg/m×0.1=175.5 kg, 导向支架侧向力合计:175.5 kg+500 kg=675.5 kg。
一般根据经验值及现场的一些水击等其他因素, 按固定点轴向总推力的0.3取, 因此, 导向架的侧向推力为:3555 kg×0.3=1066 kg<1.2 t, 因此原设计固定墩 (架) 、导向墩 (架) 、滑动墩 (架) 均能够满足旋转补偿器布置的要求。
(1) 根据现场实际情况, 选择布置方式, 旋转臂长L=2~4 m, 选用L=2.5 m, (2) 旋转补偿器偏转角θ的确定 (参考图Ⅲ) , 补偿量△=αL△t=0.013 2×15 0×34 0=673.2 mm, 其中:α为线膨胀系数mm/cm·℃;L为补偿器到固定点之间的距离, m;△t为管道内介质温度与设计安装温度差值, ℃;θ=2arcsin (△/2L) =2arcsin (△/2L) =7.8, 因此θ取10。
(3) 旋转补偿器H的确定, H=2×R弯头半径+旋转补偿器筒高度=2×533+310=1376 mm, 施工投入运行后, 本项目达到预期的效果, 并得到规划局的一致好评。
通过实践运行, 采用旋转补偿器比自然补偿的弯头减少, 减少了管道的压力损失, 提高了末端的用户压力参数, 达到很好的经济效果。从旋转补偿器的产生和使用, 在市场上已经有五年多的时间, 被电厂热网和设计院应用, 运行可靠性能高, 投资较省, 已逐渐普及, 因此旋转补偿器的应用前景是相当的广阔的。
摘要：旋转补偿器是一种新型无推力的管道补偿器, 在城市供热管网工程的应用中具有极大的优越性和灵活性, 本文简述旋转补偿器的工作原理和特点, 并探讨在热网工程中布置的形式以及布置原则, 通过工程实例阐述旋转补偿器在热网管道补偿中的应用, 以及与其他热网补偿方式相比的优点。
关键词：旋转补偿器,热网,应用
[1] 动力管道设计手册.机械工业出版社.
[2] GB 50316-2000 (2008年版) , 工业金属管道设计规范.
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