工业炉前管道系统设计(design of piping around for industrial furnace)

是向工业炉周围分配燃料、冷却用水、空气及蒸汽等介质所配备的各种管道系统的设计。炉前管道系统设计包括根据设计要点敷设管道，确定介质流速和管径，配置管道支架、管道膨胀补偿器和吹扫放散管线以及必要的隔热保温措施的设计。管道设计还应提出试压要求和保证安全操作，注意送风管路和通风机的协调等。

设计要点   包括：(1)按照炉子额定生产能力的需要配置管道，并对可能的发展予以适当考虑。(2)力求系统简单、线路短、流动阻力小、便于操作和维护，但不得妨碍交通、不得敷设在吊车的主要操作区域内。(3)每座炉子的管道系统要能单独开闭和调节；炉子要求分段控制时，管道系统要满足分段操作的要求。每座炉子的煤气主管与车间总管的接点附近，要有能够严密 切断的闸阀、放散系统和煤气爆发试验管。(4)除了配合管道附件和在维护检修要求拆卸的部位采用法兰盘或螺纹连接外，管道一般都用焊接连接以保证其严密性。(5)在管道经常操作、维护和检修的部位设置操作平台，通往应急操作平台的梯子要用斜梯而不用直梯。(6)煤气和助燃用空气管道一般都架空敷设，其底面距离人员通过面的高度不小于2.5m。必须设置在地下的煤气管道要敷设在地沟内并保证通风良好，检修管道方便。必须设置在地下的空气管道，直径较小的可以在表面进行防腐处理后直接埋在地下，直径大的热空气管道要敷设在地沟内。燃油管道一般可敷设在地沟内或敷设在固定于炉体钢结构的支架上。(7)炉前煤气管道不设计排水坡度，但要在容易积水的部位设置带两个阀门的排水管以便及时将积水排出，如水平总管的流量孔板前后和主闸阀的前后、分段管的末端等。对积水在冬天有可能冻结的部分要采取防冻措施。接通烧嘴的煤气垂直支管，要从水平总管的顶部或侧面接出，以免总管内积水流入烧嘴。(8)煤气中含有腐蚀性介质时，不能在管路中采用带铜制密封件的阀门。要求严密关断的部位要采用闸阀。

介质流速和管径   管道内介质流速取决于通过介质的流量和由于合理的流动阻力损失所造成的压力降，并按流速计算管径。在一般情况下，管道内介质流速(m／s)可在下列范围内选取：

冷煤气和冷空气管道                                                                   8～12(标准状态)

预热煤气和预热空气管道                                                             6～8(标准状态)

天然气管道(>0.1MPa)                                                              15～30(标准状态)

燃油管道                                                                                               0.2～1m／s

饱和蒸汽管道(D<100mm)                                                                         15～30

过热蒸汽管道(D<100mm)                                                                         20～40

供水管道                                                                                                      0.5～1.5

压缩空气管道(<1MPa)                                                                                   8～15

采用绝热砌衬的管道，砌衬后的内径不小于500mm。当介质流量很小时，最小管径一般不小于10mm。

管道支架   炉前管道尽量利用炉子的钢结构设置支架。通常，管道容许在支架上滑动，因此支架不承受管道的轴向推力。当必须由支架承受管道的轴向推力时，支架设计要参考有关资料进行计算。支架的间距可将管道按简支梁计算其刚度和强度后确定，要求管道的挠度不大于间距的1／600。

管道膨胀补偿器   流通热介质的管道，当其敷设方式不容许其自由膨胀时，要根据介质温度、保温方式、管道长度等计算其膨胀量，然后选用合适的膨胀补偿装置(图1)。一般炉前管道由于直线段不长，可以利用管路中的弯头等进行自然补偿而不设置膨胀补偿器。管内砌衬保温材料的管道也常因管壁温度不高而可以不设膨胀补偿器。根据计算，当需要采取膨胀补偿措施时，可以选用波形补偿器(JB1121—83)或鼓形补偿器。对于不是十分严格要求其严密性的管道(如预热空气管道)，也可以采用轴向力小的用填料压紧的套管补偿器。由于补偿器本身不宜承受弯矩，因此需要在补偿器的两侧设置固定支架。补偿器产生的轴向推力也要有一对固定支架来承受。

吹扫放散管线   煤气管道在开始和停止输送煤气时，有可能在管道内形成煤气空气的混合物，在一定的比例范围内，混合物遇到明火将会发生爆炸。为了保证安全生产，在此期间通常要用蒸汽(或氮气)吹扫管道，将其中原有的空气或煤气经放散管道系统放入大气中。放散系统设计要考虑每座炉子能单独进行放散，多段操作控制的炉子可以根据生产和维修的需要考虑分段放散。在短时停炉时为了避免总管中的煤气可能因闸阀不严密而漏入炉内，在向炉子供气的煤气主管上第一个闸阀和第二个闸阀之间接放散管，将可能经闸阀泄漏的煤气排入大气而不致漏入炉内。管径小于50mm的炉前煤气管段可以不设放散管。管径小于100mm而体积小于0.3m³的管段要设放散管，但可不用蒸汽吹扫而直接用通入煤气进行放散。将煤气放散到大气中的放散管顶端要求比附近水平距离10m以内建筑物的通气口高出4m，并距离地面不少于10m。按照煤气管道的直径和管段长度等情况，考虑放散管的直径为25～100mm，吹扫用蒸汽接点的管径为13～25mm。燃油管道在停炉时也要用蒸汽将管内存油吹扫干净，吹扫用蒸汽可临时用软管接通。

隔热保温措施   热介质管道要采用隔热保温措施以减少介质在管内流动时的散热和降温。管道隔热保温的方式可以分为管外包扎和管内衬砌两种，按照介质温度和管径大小来选定。一般在介质温度低于350℃，管径小于700mm时，可采用管外包扎。当介质温度高于400℃或管径较大时可用管内砌衬，但砌衬后的内径不得小于500mm，并需每隔15～20m设置人孔。管外包扎材料常用矿渣棉制品、蛭石制品、珍珠岩制品和玻璃棉制品，用钢丝网捆扎后再涂10ram厚的石棉硅藻土粉保护层。为了避免包扎材料受机械损伤，表面常再用玻璃纤维布包扎涂漆或用镀锌薄钢板包扎。隔热层总厚度一般为50～70mm。管内砌衬用硅藻土砖、轻质粘土砖或其他隔热材料，砌衬厚度为115～230mm。蒸汽管道通常用预制隔热保温瓦块在管外包扎进行保温。高粘度燃油管道要用蒸汽伴管保温，以确保管内油温不致下降而造成流动困难。油管和蒸汽管用隔热材料包扎在一起。

试压和安全措施   炉前管道系统要求一定的严密性，设计中应对安装前的管件和安装完毕的管路系统提出试压要求。作为切断煤气用的阀门，在安装前要按产品技术性能规定的压力进行气密性试验，半小时的压降率不超过1％。煤气管道安装完毕后，要用比使用压力高出30kPa的压缩空气进行气密性试验，天然气管道要用最大工作压力的1.5倍进行试压，半小时的降压率都不超过1％。降压率A(％)的计算方法是：

式中T_s，T_z分别为试验开始与结束时管道内气体的绝对温度，K；P_s，P_z分别为试验开始与结束时管道内气体的绝对压力，Pa。

助燃用空气管道用工作压力试压，要求不得有明显的漏损。

为了保证安全操作，煤气管道上要装设煤气压力过低时的报警信号和煤气自动切断装置，以免此时在烧嘴不能工作的情况下煤气继续进入炉内形成爆炸性气体。助燃用空气的通风机在断电或发生空气压力过低故障时也要有报警信号并同时自动切断煤气，以免煤气可能漏入空气管路而形成爆炸性气体。

送风管路   工业炉燃料的助燃，通常使用离心通风机送风。离心通风机按其结构特点和转速，风量与风压的关系特性曲线见图2。一种风机与管路相连接后，送风时其特性曲线与管路特性曲线的相交点即为风机的工作点(如图2中的A)。此时风机送风的压力为H_A，风量为Q_A。在工业炉的生产操作中，经常需要改变燃料量和助燃用空气量以调节供热。例如助燃需要的空气量减少至Q_B时，可以采取的调节措施通常为：(1)经放风管将多余的风量放掉，此法耗能多，不经济。(2)改变管路特性曲线，即在管路中增加阻力使新的管路特性曲线与风机特性曲线相交在B₁点。(3)改变风机的特性曲线，即改变风机进风口的阻力或风机的转速，使新的风机特性曲线与管路特性曲线相交在B₂点。

在某些条件下，可以采用几台风机并联或串联的办法来满足管路特性要求的风量或风压，但最好采用特性曲线相同的风机。