大型隔压站设计要点

于洪浩, 刘雪冬, 李 飞, 许国春, 李舒婷, 张雯雯

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司第一设计研究院，天津300381)

1 概述

随着我国城市的发展，城市供热规模不断扩大，太原、银川、石家庄、郑州等多座城市选择远郊(甚至相邻城镇)热电厂向市区长距离输送热量，作为城市热源的解决方案。长输热网的路由一般比较复杂，高差变化大，水力坡度线长，水力工况复杂，多采用2.5 MPa设计压力等级。市区热网设计压力通常为1.6 MPa，为保证市区供热系统安全运行，降低长输热网对市区热网的影响，宜采用隔压站连接。

与小型隔压站相比，长输热网隔压站的规模比较大(换热规模1 000 MW以上)，而且板式换热器设置数量多，管道口径大，换热端差小[1]。本文结合工程实例，对长输热网隔压站的设计要点进行探讨。

2 工程概况

① 工程概况

郑州某长输热网隔压站设计换热能力为1 200 MW，长输热网设计压力为2.5 MPa，设计供、回水温度为130、55 ℃，设计质量流量为17 200 t/h，管道规格为DN 1 600 mm。市区热网设计压力为1.6 MPa，设计供、回水温度115、50 ℃，设计质量流量为17 200 t/h，管道规格为DN 1 600 mm。隔压站允许占地尺寸为63 m×31 m。

② 隔压站工艺流程

隔压站工艺流程见图1。长输热网供水依次经过旋流除污器、螺旋除污器、快速除污器后进入板式换热器一级侧，与市区热网回水换热降温后返回热源。市区热网回水经旋流除污器、螺旋除污器、循环泵、快速除污器后进入板式换热器二级侧，与长输热网供水换热升温后作为市区热网供水。

图1 隔压站工艺流程1、8.旋流除污器 2、7.螺旋除污器 3、5.快速除污器4.板式换热器 6.循环泵

③ 设备选型

换热机组采用多台换热器串并联方案。由2台换热器串联，组成一个换热组。每4个换热组并联为1个换热阵列，站内共有4个换热阵列，共计32台换热器。单台换热器额定换热量为40 MW。

循环泵设置在换热器二级侧回水管道，5台循环泵并联运行，单台循环泵质量流量为4 200 t/h，单台循环泵电机功率为2 000 kW，设计扬程为130 m。

3 设备及管道布置

由于用地限制，隔压站占地面积仅为63 m×31 m，采用单层布置是不可能完成的，须采用多层布置。经过方案比较，隔压站采用3层布置，一层布置旋流除污器、螺旋除污器、循环泵及附属功能用房，二层布置管道，三层布置板式换热器、快速除污器等。

一层平面布置见图2，图中(1 600)表示DN 1 600 mm，以此类推。一层设计层高为12.8 m，附属功能用房布置于北侧，层高6.4 m。市区热网回水主管(DN 1 600 mm)在南侧站外直埋敷设，分为5根DN 800 mm支干管进入隔压站，分别经过旋流除污器、螺旋除污器后连接循环泵，加压后汇集为DN 1 600 mm母管，布置在附属功能用房顶部(夹层)。然后分为4根DN 800 mm支干管上升至二楼，分配为DN 350 mm支管进入三楼与换热器二级侧进水接口连接。换热器二级侧出水支管(DN 350 mm)下返至二层，汇集成DN 800 mm支干管，并在二层进一步汇集成DN 1 600 mm市区热网供水主管。市区热网供水主管由二层下返至一层后，由西侧外墙出隔压站。隔压站内的长输热网供水管道、回水管道的布置方式与市区热网回水管道、供水管道主管基本一致。循环泵旁通管规格为DN 1 200 mm。

二层设计层高为12.8 m，主要是为了解决DN 1 600、800、350 mm管道的布置问题。管道设计为上下层，下层管道沿南北方向设计，上层管道沿东西方向设计。三层设计层高为19.6 m，主要布置板式换热器，布置方式见图3，连接管道全部由二层接入。

图2 一层平面布置1.旋流除污器 2.螺旋除污器 3.循环泵

图3 三层换热器布置方式

4 应力计算

4.1 应力计算软件

为了保证管道安装、运行及维修安全，采用有限元软件Start对管子、管件的应力、换热器接口受力、力矩进行验算，对管道支吊架的受力进行计算。

先进行全局设置，埋地管道以CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》相关规定作为应力判别条件，架空管道以DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》相关规定作为应力判别条件。然后输入管子、管件的材质、壁厚等作为计算条件，建立几何模型，并输入温度、压力等边界条件。最后由Start软件完成立体几何模型建立、网格划分及有限元计算。隔压站市区热网回水管道系统、市区热网供水管道系统、长输热网回水管道系统、长输热网供水管道系统的立体几何模型分别见图4～7。

图4 隔压站市区热网回水管道系统立体几何模型

图5 隔压站市区热网供水管道系统立体几何模型

图6 隔压站长输热网回水管道系统立体几何模型

图7 隔压站长输热网供水管道系统立体几何模型

4.2 应力判别条件及壁厚

① 直埋管道

直埋管道的应力判别条件根据CJJ 81—2013第5.1.1条的相关规定执行：一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力；一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力；局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材的许用应力。

② 架空管道

a.架空管道在工作状态下，由内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和应符合DL/T 5366—2014式(7.3.3)给出的判别条件。

b.管系热胀应力范围应符合DL/T 5366—2014式(7.3.5-1)的判别条件。

③ 直管及管件的壁厚

隔压站内DN 600 mm及以上管道材质同长输热网管道(材质为L360m)，130 ℃下钢材许用应力取153 MPa。隔压站内DN 600 mm以下管道采用Q235B材质，130 ℃下钢材许用应力取110 MPa。管子采用螺旋缝焊接钢管。在确定直管及管件壁厚时，隔压站内所有管道系统的设计压力均按2.5 MPa考虑。

根据DL/T 5054—2016《火力发电厂汽水管道设计技术规定》式(5.2.1-1)、(5.2.2)、(5.2.3)按管子外径确定管子最小壁厚，进而确定直管的计算壁厚。式(5.2.1-1)中的修正系数Y取0.4，许用应力的修正系数η取0.9。在按式(5.2.3)计算管子壁厚负偏差附加值时，壁厚允许负偏差取20%。在确定直管计算壁厚后，确定直管设计壁厚(将计算壁厚向上圆整至市场上在售的螺旋缝焊接钢管壁厚)。对于DN 350 mm直管，在确定设计壁厚时，出于保险起见，向上圆整两个壁厚等级。4种规格直管的外直径、计算壁厚及设计壁厚见表1。

表1 4种规格直管的外直径、计算壁厚及设计壁厚

弯头采用热压弯头，弯头壁厚最薄处不小于同规格直管设计壁厚。三通采用热压三通成品件，壁厚按DL/T 5054—2016第5.4节补强计算方法进行核算计算，各规格三通最薄处壁厚见表2。表2中1 600-800-1 600表示主管规格为DN 1 600 mm，支管规格为DN 800 mm，以此类推。

表2 各规格三通最薄处壁厚

④ 应力判别结果

经计算发现，直管和弯头的应力水平基本满足判定标准，但个别三通存在不符合应力判别条件的情况。对于不符合判别条件的三通，通过披肩补强加大应力集中区域壁厚，从而满足应力判别条件。

4.3 换热器接口受力、力矩

从各地已运行隔压站发生的事故来看，板式换热器与管子接口位置容易出现撕裂，因此板式换热器的接管设计非常重要[2]。根据NB/T 47004.1—2017《热交换器 第1部分：可拆卸板式热交换器》表5，该隔压站板式换热器接口受力、力矩在耐压5.0 MPa等级(苛刻工况)下选取为：14 119 N、20 539 N·m。

板式换热器接口受力、力矩应同时满足上述要求，对于不满足判别条件的接口，应结合管道的空间构型，通过管道柔性设计降低接口受力及力矩。该隔压站的DN 350 mm支管连接板式换热部位采用方形、Z形设计，所有接口受力均满足判定要求，个别接口力矩不能满足的，在水平管道上设置大拉杆补偿器予以解决。

4.4 支吊架受力

隔压站支架数量逾300个，采用传统手工计算方法不仅费时，还不能保证计算精度。使用有限元计算软件可以分别计算支吊架冷态、热态受力，便于管道冷热态分析。但有限元计算软件严格按照模型进行计算，计算结果往往与现场实际情况存在差别。因此，宜先采用有限元软件对模型进行计算，分别计算支吊架冷态、热态受力。再根据现场情况，进行手工计算。比较有限元软件与手工计算结果，取较大值作为依据。

5 结语

结合实际工程，分析大型隔压站的设计要点，主要包括隔压站工艺流程、设备及管道布置、应力计算等。大型隔压站设备体型大，管道管径大，采取三层布置虽然减小了占地面积，但是对设计、施工、检修等提出了更高要求。