工业小区热电联产设计与分析.doc

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1、本 科 毕 业 设 计（论文）工业小区蒸汽动力厂工艺设计热电联产系统的分析与计算 学生姓名：龚 波学 号：08123217专业班级：热能与动力工程08-2班指导教师：杨德伟 2012年6月15日摘 要据国内外最新电力工业动态表明，以大电厂、大电网为代表的第一代能源工业，由于效率不高，在生态和环境巨大压力下，正面临以小型、清洁热电联产为代表的第二代能源系统的严重挑战。本设计以工业小区蒸汽动力厂工艺设计为模型，如果单纯设置供应源（锅炉），必然造成锅炉过渡分散，效率不高，加大环境污染等不利情况。为了避免上述情况发生，在用能比较集中的地方采用热电联产，是一种比较有效的方法。在已知生产、采暖、生活热负荷

2、以及其他资料的基础上，进行锅炉与汽轮机的选型，锅炉热平衡的计算；汽水系统的设备选择与计算，送汽与供水主要管路管径的计算；换热站中换热器的选择与计算；管道敷设与保温的计算；热经济性评价等。关键词：锅炉；汽轮机；水处理；管道；换热器ABSTRACTAccording to the latest domestic and international developments show that the power industry to large power plants, large power grids to represent the first generation of the ene

3、rgy industry, the efficiency is not high, in ecological and environmental pressures, are faced with small, clean CHP as the representative Second-generation energy systems a serious challenge. The design of an industrial district steam power plant process design as a model, if only set up supply sou

4、rces (boilers), will inevitably lead to boiler transition scattered, low efficiency, increase pollution and other adverse situations. If it is just set the boiler, it cannot supply high efficiency or results in some bad instances, such as boilers excess decentralization, the low efficiency and incre

5、asing environment pollution. In order to avoid these circs, its a very effective way that adopting supply of heat and electricity combination in the place of using energy concentrated Concretely, on the basic of the hot burden of production, heating, living and other datum, this thesis has entered o

6、n the following content: the selection of boiler and steam turbine, the thermal balance calculation of boiler, the selection and calculation of the steam-water system installation, the calculation of main pipes diameter which supply steam or water, the selection and calculation of the interchanger i

7、n heat exchange station, the calculation of spreading to establish and the heat preservation for pipe, the evaluation of heat economic and so on.Keywords: Boiler; Turbine; Water Treatment; Pipeline ; Heat Exchange目 录第1章 前 言11.1 热电联产的背景11.2 热电联产的意义11.3 热电联产产生的效益1第2章 锅炉与汽轮机的选型22.1 原始资料22.2 热负荷的计算22.2.

8、1 采暖季最大计算热负荷22.2.2 非采暖季节最大计算热负荷32.3 锅炉与汽轮机选型32.3.1 汽轮机型号的选定32.3.2 锅炉型号的选定32.4 锅炉热平衡计算3第3章 水处理系统73.1 软化系统的选择73.2 锅炉房总软化水量的计算73.2.1 锅炉房总给水量73.2.2 锅炉房凝结水总回收量73.3 离子交换器的选择计算（表3-1）83.4 锅炉给水的除氧103.4.1 决定除氧方法、选择除氧设备103.4.2 凝结水箱中混合水温的计算103.5 锅炉排污113.5.1 锅炉的排污系统113.5.2 排污扩容器的选择计算11第4章 汽水与送汽系统124.1 给水系统的选择124

9、.1.1 给水系统的组成124.1.2 给水泵的选择124.1.3 给水箱的容积和安装高度134.2 除氧水泵和凝结水箱选择134.2.1 除氧水泵的选择134.2.2 凝结水箱的选择14第5章 换热站155.1 换热站热系统的选择155.2 换热站热负荷的计算155.3 汽-水换热器设计计算165.4 水-水换热器的设计计算18第6章 主要管道的敷设与保温226.1 主要管道内径的计算和选择226.2 供热管道的计算226.2.1 供热管道的敷设226.2.2 管道保温方案的选择226.2.3 保温经济厚度的计算236.2.4 热损失和保温层外表面温度的计算24第7章 热电厂的热经济性评价2

10、67.1 机组的发电热耗率（HR）267.2 年平均发电标准煤耗率277.3 供热标准煤耗率287.4 全年用热量287.5 年标准煤耗287.6 年均热电比287.7 全场总热效率287.8 凝气发电工况效率28第8章 结 论30致 谢31参考文献32第1章 前 言1.1 热电联产的背景工业小区用能比较集中，其中既有需要过热蒸汽的工业用能，也有需要热水的供暖用能，生活用能及通风用能。如果单纯设置供应源（锅炉），必然造成锅炉过渡分散，效率不高，加大环境污染等不利情况。为了避免上述情况发生，在用能比较集中的地方采用热电联产，是一种比较有效的方法。1.2 热电联产的意义 我国的能源政策是开发和节约

11、并重，近期把节能放在优先地位。实行热电联产是我国现代化建设中节约能源的有效措施之一，除具有较高的经济效益外，还对提高劳动生产率、改善劳动条件、保证供热质量、改善城镇环境、提高人民健康水平、良化生态平衡等方面具有明显的社会效益和环境效益，是社会主义城市现代化的必由之路。11.3 热电联产产生的效益（1）节能效益热电联产集中供热因其热源为较大容量的供热发电机组，锅炉燃烧效率高，充分发挥能源的梯级利用率，节能效益明显。（2）环境效益热电联产集中供热的实施，使大气环境质量有了明显的改善，减轻了环境污染。（3）社会效益热电联产集中供热的实施，使过去强度大、环境差、能源利用效率低的锅炉房供热改为先进的集中

12、供热方式，不仅节约大量的城市用地，而且从根本上改善了工作环境，劳动生产率大为提高。2第2章 锅炉与汽轮机的选型2.1 原始资料（1）用户热负荷记录见表（2-1）表2-1 用户热负荷记录表用户蒸汽回水率 备注压力温度汽耗量最大平均生产4-7过热251860可调采暖4-7饱和3090热水供暖生活3饱和50可调（2）燃料成分碳 46.55%，氢 3.06%，氧 6.11%，氮 0.86%，硫 1.94%，灰分 32.48%，水分 9%。其它资料： 气象与地质资料海拔2m，冬季采暖室外温度-9，冬季通风室外温度-2，采暖期室外平均温度1，采暖期室内计算温度18，采暖天数 120天，年主要风向 东北，大

13、气压力 冬 760mmHg，夏 753 mmHg，平均风速 冬 4m/s，夏 3 m/s，厂地最高地下水位 -2.5 m，土壤冻结深度0.5m。 水质资料 给水总硬度 13.14.15度任选，碳酸盐硬度13.14.15度任选，非碳酸盐硬度0度，总碱度6.7.8度任选，固形物含量434mg/L，PH值为8，溶解氧9 mg/L，氯根 24.6 mg/L，硫酸根 17.3 mg/L，夏季平均水温 20,冬季平均水温 13，供水压力 3bar，供水来源 自来水。2.2 热负荷的计算2.2.1 采暖季最大计算热负荷=(+ (2-1)式中，为管网热损失及锅炉房用蒸汽系数，一般取1.11.2 ，本设计取=1

14、.2；为生产、采暖、及生活的最大小时热负荷，=25，=30，=5；为生产、采暖、及生活同时使用系数 ，一般取0.70.9，一般取1.0，一般取0.51.0；本设计=0.8，=1，=0.5。3所以最大计算热负荷为：=1.2（0.8251300.55）=63 2.2.2 非采暖季节最大计算热负荷=(+=1.2（）=27 2.3 锅炉与汽轮机选型除了热负荷的数量外，还应知道热负荷所需供热介质的种类和供热参数。以上是选择锅炉类型的主要依据。而热负荷的数量及变化情况则是选择锅炉容器和台数的主要依据。由于本设计采用热电联产的形式，故由热负荷确定汽轮机的抽汽量，从而确定汽轮机型号，由汽轮机输入蒸汽量确定锅炉

15、的蒸发量。2.3.1 汽轮机型号的选定根据最大计算热负荷为63t/h，及生产、采暖、生活的压力值，以及锅炉蒸汽的温度与压力，本设计选用青能汽轮机公司生产3-3.43/0.490型抽汽凝汽式汽轮机三台，具体参数如下4：进汽压力3.43MPa，进汽温度435，总进汽量25t/h，排气压力0.073ata，抽汽量20/25 t/h，抽汽压力0.49 MPa。2.3.2 锅炉型号的选定根据汽轮机的总进气量75 t/h、进气压力3.43 MPa以及锅炉燃料成分，本设计锅炉选用：YG-3.5/3.82-M型两台。全年满负荷运行，多余蒸汽量用于发电。锅炉的维修保养可在非采暖季进行，故本锅炉房不设备用锅炉。2

16、.4 锅炉热平衡计算(一)锅炉参数6：1.额定蒸发量 35 2.蒸汽压力P 3.82 3.蒸汽温度 450 4.给水温度 150 5.冷空气温度 20 6.排烟温度 1487.锅炉排污率 5% (二)锅炉燃料与燃烧计算 1. 锅炉燃料本锅炉的设计燃料为燃煤，其元素成分如下：表2-2 燃煤的成分应用基成分（%）46.553.066.110.861.9432.489.00（三）锅炉燃料与燃烧计算1.锅炉燃料应用基低位发热量7 （2-2） 2.燃料燃烧的计算（1）锅炉受热面过量空气系数及漏风系数（表2-3）8表2-3 受热面过量空气系数受热面名称入口过量空气系数漏风系数出口过量空气系数炉膛1.050

17、.11.15凝渣管1.1501.15蒸汽过热器1.150.051.2锅炉管束1.20.11.3省煤器1.30.11.4空气预热器1.40.11.5（2）燃料理论空气消耗量及烟气理论容积（表2-4）5表2-4 理论空气和烟气理论容积序号名称符号单位计算公式结果1理论空气量4.812三原子气体0.883理论氮气容积3.84理论水蒸汽容积0.53（3）锅炉受热面烟气特性（表2-5）5表2-5 锅炉受热面烟气特性表序号名称符号单位计算公式炉膛与凝渣管蒸汽过热器锅炉管束省煤器空气预热器1平均过量空气系数1.11.1751.251.351.452实际水蒸气容积0.5380.5440.5490.5570.5

18、653烟气容积5.6696.0666.4326.9217.414容积份额0.1540.1450.1370.1270.1195容积份额0.0940.090.0850.080.0766三原子气体总容积份额0.2480.2350.2220.2070.195（4）锅炉热平衡及燃料消耗量计算（见表2-6）5表2-6 锅炉热平衡即燃料消耗量计算序号名称符号单位计算公式数值1低位发热量kJ/kg给定18246.62冷空气温度设计给定203冷空气焓kJ/kg127.04排烟温度设计给定1485排烟焓kJ/kg根据查烟气焓温表1550.0续表2-6序号名称符号单位计算公式数值6固体未完全燃烧热损失%根据锅炉原理

19、教材选取67气体未完全燃烧热损失%根据锅炉原理教材选取0.58排烟热损失%79散热损失%查锅炉原理课程设计指导书1.210灰渣物理热损失%查锅炉原理教材0.6311锅炉总热损失%15.3312锅炉热效率%84.6713过热蒸汽焓kJ/kg按查水蒸气焓熵图333514饱和水焓kJ/kg查水蒸气表1079.915给水焓kJ/kg查水蒸气表63416锅炉排污焓kJ/kg锅炉参数517锅炉有效利用热kJ9531532518燃料消耗量Bkg/h6169.519计算燃料消耗量kg/h5799.320保热系数0.998第3章 水处理系统3.1 软化系统的选择YG-35/3.82-M型锅炉对给水和锅水的水质要

20、求9： 给水总硬度 溶解氧 PH 7.09.0 给水总碱度 含油量 锅水含盐量 本锅炉房原水为自来水，其硬度不符合锅炉给水要求，需要进行软化处理。阳离子交换软化法处理效果稳定，设备及运行管理都比较简单。而低流速逆流再生钠离子交换系统具有出水水质好，再生液的耗量低，且再生效果亦比顺流再生好等优点，故本设计水处理确定选用“低流速固定床逆流再生”钠离子交换系统。磺化煤作为交换剂，还原剂采用食盐。选用三台钠离子交换器，其中一台备用。3.2 锅炉房总软化水量的计算本设计锅炉房总软化水量等于锅炉房总给水量与锅炉房凝结水回收量之差。= (3-1)3.2.1 锅炉房总给水量= (3-2)式中，D为锅炉房额定总

21、蒸发量，t/h；Pls为给水管路的漏损率，取0.5%；Ppw为锅炉排污率，取5%。 锅炉房总给水量3.2.2 锅炉房凝结水总回收量锅炉房凝结水总回收量Ghs等于生产负荷、采暖负荷、通风负荷等厂区凝结水回收量Ghs，及除氧器凝结水回收量Ghs之和。生产负荷凝结水回收量为；采暖负荷凝结水回收量为；生活负荷凝结水回收量为0；发电回水 =7厂区热用户凝结水回收量为 。 热力喷雾式除氧器工作压力为0.02MPa除氧器水温tgs为104，除氧器效率为0.98。根据除氧器进出口介质和热平衡关系有： （3-3）式中，分别为软水的流量及焓, 及54；为 厂区用户凝结水回水的焓，凝结水经疏水器加热后能达到100左

22、右，本设计取 ，所以；分别为除氧器耗气量及进入除氧器的蒸汽焓, 及；为锅炉总给水量，73.85；为除氧器出口水焓，435。5进入除氧器的蒸汽压力可以近似等于扩容器的工作压力，在此取，查水和水蒸汽性质表得：饱和蒸汽焓 ，故。代入数据并由式(3-3)解得： 锅炉房凝结水总回收量为： 锅炉房总软水量： 锅炉房待除氧的最大水量： 3.3 离子交换器的选择计算（表3-1）表3-1离子交换器的选择计算10序号计算项目符号单位计算公式或图表数值1总软水量计算值23.082软水进水硬度已知2503软化水出水硬度已知水质标准（0.005）0.0254离子交换剂选定树脂5软化速度查附录表A1236总软化面积F1.

23、0037交换器同时工作时间台选定1续表3-1 序号计算项目符号单位计算公式或图表数值8交换器选用台数台或29交换器直径选定1.210实际软化面积1.1311交换层高度选定或根据产品资料212压层高度查附录表A2或根据产品资料0.213实际软化速度20.414交换器工作交换容量查附录表A14515交换剂体积台2.2616交换剂的装载量台或查附录表A2198917每台换热器的工作交换容量或查附录表A2101.718软化水产量台407.219再生置换水自耗量（台次）查附录表A22.620软水供水量（台次）404.621交换器运行延续时间17.522再生一次耗盐量台203.423配置再生剂耗水量（台次

24、）2.7 续表3-1序号计算项目符号单位计算公式或图表数值24再生清水总耗量（台次）查附录表A214.125交换器周期总耗水量台42126交换器平均小时进水量24.127交换器正洗流速查附录表A12028交换器进水小时最大流速45.73.4 锅炉给水的除氧3.4.1 决定除氧方法、选择除氧设备因热力喷雾式卧式除氧器有较好的除氧效果，而且当除氧器的出力在较大范围内变动时，除氧效果仍能保持稳定。除氧后的水含氧量可降至0.03以下，能满足锅炉给水的水质要求。综合考虑本锅炉房待除氧的最大水量为69.08，所以本设计选用青岛宏卫压力容器有限公司生产的旋模式热力除氧器一台：额定出力 ，工作压力 ，工作温度

25、 ，进水温度 20，选配两个25除氧水箱，以作锅炉给水之用。该除氧器具有体积小、重量轻、除氧效果稳定等优点。113.4.2 凝结水箱中混合水温的计算凝结水和软水混合后的水温可由下式决定9：= (3-4)式中， 、为软水量、厂区凝结水回水量，分别为23.08、46；、为软化水、凝结回水温度，分别为13、95。因此，混合水温：= 64.76能满足所选全补给水热力除氧器对进水温度（20）的要求。3.5 锅炉排污3.5.1 锅炉的排污系统此锅炉有连续排污装置，设计中选用了连续排污扩容器一台，以回收部分排污水的热量。扩容器产生的二次蒸汽用于给水除氧，排污的高温热水引至锅炉房浴室水箱，通过盘管加热器加热洗

26、澡水。锅炉的定期排污引入排污降温池中，冷却至40以下在排入下水道中。为了锅水化验的需要，每台锅炉单独设有一台锅水取样冷却器。3.5.2 排污扩容器的选择计算在排污扩容器中，由于压力降低而汽化所形成的二次蒸汽量用下式计算9 (3-5)式中，为进入扩容器的排污水量，； 为锅炉工作压力下的饱和水焓，；为扩容器工作压力下饱和水焓，；为扩容器工作压力下饱和蒸汽焓，；为二次蒸汽的干度，0.98；为排污管热损失系数，0.97。近似取用锅炉排污量，由锅炉工作压力，查水和水蒸汽性质表得：；由扩容器工作压力查水和水蒸汽性质表得：，。 扩容器所需的容积： (3-6)式中，为容积富裕系数，一般=1.31.5 ，本设计

27、=1.4；为二次蒸汽的比容，=0.9018；为扩容器中，单位容积的蒸汽分离强度 ，=4001000 一般取=600 根据计算所的扩容器的容积，本设计选用连云港博大机械设备制造有限公司生产的型号为连续排污扩容器一台，直径为，其容积为2。12第4章 汽水与送汽系统4.1 给水系统的选择 4.1.1 给水系统的组成锅炉房给水系统指由给水设备和管道组成的连接系统。最简单的锅炉房给水系统是由给水箱、给水泵、给水管道及配件组成。根据锅炉房容量，凝结水位余压回水以及给水采用热力喷雾除氧等因素，本锅炉采用二级给水系统。凝结回水及软水都流入锅炉房凝结水箱，然后又除氧水泵将水送至出氧气除氧。除氧后，由锅炉给水泵升

28、压，经省煤器进入锅炉。13（见图4-1）图4-1 汽水系统图1排污扩容器 2锅炉 3汽轮机 4发电机 5冷凝器6凝结水箱 7凝结水泵 8除氧水箱 9给水泵 10加热器 11除氧器 12排污降温池4.1.2 给水泵的选择锅炉给水泵应设置备用泵，以保证在某台水泵停止运行时，亦能满足给水泵计算流量的要求。所以给水泵不少于两台。本设计选用四台电动给水泵，其中两台电动给水泵作为常用水泵，另外两台电动给水泵作为备用水泵。按规范规定，本设计两台并联工作电动给水泵所需满足的流量为：锅炉给水泵的流量5： (4-1)式中，为附加系数，1.11.2，取1.2；为锅炉额定出力时的总给水量；为其他用水量，如减温器等用水

29、量，可忽略不予考虑。 每台电动水泵的流量为44.3 。给水泵的扬程： (4-2)式中，为锅炉工作压力，公斤力/。 故根据计算，本设计选用的电动给水泵四台，单台流量为，扬程为400米水柱，电动机功率为。54.1.3 给水箱的容积和安装高度给水箱的容量主要根据锅炉房的容量和软水设备的设计出力、运行方式等确定。本锅炉按30分钟的总蒸发量计算，选用容积为25的除氧水箱一个作为锅炉的给水箱。给水箱检修或清洗时，短期内锅炉除氧水箱出口水温104，为使水泵安全靠的运行，给水箱设于标高为7m的除氧平台上。54.2 除氧水泵和凝结水箱选择4.2.1 除氧水泵的选择回锅炉的凝结水和软水混合输送的混合水量为： 除氧

30、水泵流量为： =82.9除氧水泵的扬程： m式中，为除氧器的工作压力，。 由于凝结水水温最大为95，所以选择系列离心泵，此离心泵适用于输送清水或物理化学性质类似清水的液体，最高温度为。本设计选用型号为的离心泵两台，并联运行，选型号为一台备用，每台水泵的流量为，扬程为257KPa。54.2.2 凝结水箱的选择由于软水全部通入凝结水箱，当除氧器检修时，凝结水箱还兼作锅炉的给水箱使用，故凝结水箱容积确定的原则与给水箱相同。选用两台凝结水箱，容积为30。凝结水池由混凝土砌筑而成，并用隔板一分为二，以便检修和互相切换使用。安装于锅炉房-7m标高处，凝结水箱至凝结水泵高度不小于2m。5第5章 换热站5.1

31、 换热站热系统的选择本设计中，换热系统采用汽水和水水两级串联的方式（见图5-1） 图5-1 两级加热系统 1汽-水换热器 2水-水换热器 3凝结箱5.2 换热站热负荷的计算具体计算如下表所示10：表5-1 换热站热负荷的计算序号计算项目符号单位计算公式或图表数值1循环水回水温度已知702循环水供水温度已知953循环水平均比热查传热学附录104.24蒸汽消耗量已知305水水换热器出口凝结水温取定806水水换热器出口比热查水蒸汽表4.1977水水换热器出口凝结水热焓335.78蒸汽压力取定0.499饱和蒸汽温度查水蒸汽表151.1 续表5-1 序号计算项目符号单位计算公式或图表数值10饱和蒸汽热焓

32、查水蒸气表274811计算热负荷21.312循环水量730.5813饱和凝结水热焓查水蒸气表637.114汽水换热器循环水比热查水蒸气表4.1915流入汽水换热器循环水水温74.45.3 汽-水换热器设计计算计算过程及步骤如下表所示10：表5-2 汽水换热器传热计算序号计算项目符号单位计算公式或图表数值1汽水换热器传热量W2汽水换热器循环水平均温度84.73汽水换热器循环水密度查物性表968.84汽水换热器循环水粘度查物性表0.0003365管壁平均温度117.96汽水换热器循环水流速初选1.07循环水流通截面积0.0524由以上数据初选N1074，Dg800，Pg6型汽水换热器四台，技术数据

33、为如下10：N1074，Dg800，Pg6型汽水换热器技术指标技术指标符号单位数值管内水流总净断面积0.0141单位长度加热面积12.77总管数/行程-180/4最大一排管数-根14每纵排管数根13 续表5-2序号计算项目符号单位计算公式或图表数值8管内循环水实际流速3.710管子内径 取用0.0211管子外径取用0.02512管壁对循环水换热系数查工业锅炉房设计手册图7-92382913蒸汽冷凝薄膜平均温度134.514计算数值10.7915壳侧蒸汽凝结换热系数查工业锅炉房设计手册图7-9581516管子壁厚查手册取用0.0025续表5-217管壁导热系数查手册取用5018水垢厚度查手册取用

34、0.000319水垢导热系数查手册取用320汽水换热器传热系数274721对数平均温差65.922传热面积25.7723有效长度m2.0故选用N1074，Dg800，Pg6型汽水换热器四台并联工作。5.4 水-水换热器的设计计算计算过程及步骤如下表所示10：表5-3 水水换热器传热计算序号计算项目符号单位计算公式或图表数值1蒸汽凝结水量已知302凝结水流速0.53饱和凝结水温度查水蒸汽表151.14水水换热器出口凝结水温度取定805凝结水平均温度115.66凝结水密度查物性表947.07凝结水黏度查物性表0.000244 续表5-38管内凝结水流通断面积0.01769循环水量计算值730.58

35、10循环水回水温度已知7011流入汽水换热器循环水水温计算值74.412循环水平均温度72.213循环水密度查物性表976.414循环水黏度查物性表0.000392515循环水流速m/s取定0.616管间循环水流通截面积0.346由以上数据初选N1078，DN800，PN6型水水换热器，技术数据为如下10：N1078，DN800，PN6型水水换热器技术指标技术指标符号单位数值管内流通总净断面积0.0204管间流通净断面积0.1016管子当量直径m0.0795单位长度加热面积9.18一回程管子数根65 续表5-3序号计算项目符号单位计算公式或图表数值17管内凝结水实际流速0.4318管子内径 取

36、用0.0219雷诺数-3338020凝结水与管壁换热系数查工业锅炉房设计手册图7-10315121管间实际循环水流速2.0522雷诺数-40540023管壁与循环水换热系数查工业锅炉房设计手册图7-9972224管子壁厚查手册取用0.002525管壁导热系数查手册取用5026水垢厚度查手册取用0.000327水垢导热系数查手册取用328水水换热器传热系数175429平均温差33.2续表5-3序号计算项目符号单位计算公式或图表数值30循环水的比热查传热学附录104.1931水水换热器传热量Kw)3744.38532传热面积F68.1633有效长度m7.4故选用N1078，DN800，PN6型水水换热器，单程长度。第6章 主要管道的敷设与保温6.1 主要管道内径的计算和选择锅炉房中各管道内经，可按推荐流速由下式计算5： 毫米 （6-1）式中，为管道介质的流量，；为管内介质的比容，主要管道直径的计算结果及选用直径见表7-1。表6-1 主要管道直径的计算结果及选用直径管道名称流量（）推荐流速（）计算直径（）选用直径