孫方莉,劉紅果

(惠生工程(中國(guó))有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州 450018)

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化工裝置中工藝管道蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

孫方莉,劉紅果

(惠生工程(中國(guó))有限公司 河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州 450018)

在化工生產(chǎn)裝置中，工藝管道通常需要進(jìn)行防凍及保溫，管道伴熱作為一種有效的保溫措施已得到廣泛應(yīng)用。伴熱管道中熱媒體散發(fā)出的熱量得到充分利用，通過(guò)不同方式的熱交換來(lái)補(bǔ)充工藝管道的熱損失，以滿(mǎn)足工藝介質(zhì)的防凍及升溫、保溫工作要求。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、材料選用以及相關(guān)注意事項(xiàng)，對(duì)化工裝置中工藝管道蒸汽伴管設(shè)計(jì)壓力、直徑、數(shù)量等參數(shù)的選取進(jìn)行探討。

化工工藝管道；蒸汽伴熱；設(shè)計(jì)探討

在化工生產(chǎn)裝置中，為了保證管道介質(zhì)的正常輸送，很多工藝管道都需要采取保溫和防凍措施。但是實(shí)際生產(chǎn)中，管道的輸送過(guò)程依然會(huì)存在熱損失，影響介質(zhì)的正常輸送，需要設(shè)置相應(yīng)的伴熱系統(tǒng)，利用伴熱介質(zhì)散發(fā)一定的熱量，通過(guò)不同方式的熱交換來(lái)補(bǔ)充工藝管道的熱損失，以滿(mǎn)足工藝介質(zhì)的防凍及升溫、保溫工作要求。通常情況下，工藝管道的伴熱方式有4種，即內(nèi)伴熱管伴熱、外伴熱管伴熱、夾套伴熱、電伴熱，[1]常用伴熱介質(zhì)的種類(lèi)分別為蒸汽、熱水、電熱、熱載體。化工生產(chǎn)裝置中通常設(shè)有蒸汽系統(tǒng)，蒸汽的取用較為方便，并且蒸汽具有冷凝潛熱大、溫度和壓力易于調(diào)節(jié)、對(duì)材料要求較低等特點(diǎn)，采用蒸汽作為介質(zhì)的伴熱方式應(yīng)用最為廣泛，有必要針對(duì)化工生產(chǎn)裝置中蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的探討和研究。

1 蒸汽伴熱系統(tǒng)的選用原則

1.1 需要伴熱的工藝管道工況

在化工生產(chǎn)裝置中，當(dāng)工藝管道存在以下工況時(shí)應(yīng)考慮采用伴熱：

(1)在環(huán)境溫度下，管內(nèi)介質(zhì)的熱量損失需要從外部得到補(bǔ)償，以便能維持被輸送工藝介質(zhì)溫度的管道。

(2)輸送的工藝介質(zhì)露點(diǎn)高于環(huán)境溫度并且高于40 ℃的氣體管道。

(3)輸送過(guò)程中工藝管道介質(zhì)由于熱損失，溫度降低產(chǎn)生凝液，從而導(dǎo)致腐蝕或影響正常操作的氣體管道。

(4)輸送過(guò)程由于熱損失，造成管內(nèi)介質(zhì)溫度降低從而可能析出結(jié)晶的管道。

(5)輸送過(guò)程中由于熱損失造成管內(nèi)溫度下降，導(dǎo)致工藝介質(zhì)黏度增高，管道系統(tǒng)內(nèi)阻力增大，輸送量達(dá)不到工藝要求的最小允許輸送量的管道。

(6)在切換操作或間歇停輸期間，管內(nèi)介質(zhì)由于熱損失造成溫降，不能進(jìn)行放凈吹掃工作而可能凝固的管道。

(7)輸送工藝介質(zhì)的凝固點(diǎn)不低于環(huán)境溫度的液體管道。

1.2 蒸汽伴熱及蒸汽物性參數(shù)的選用原則

在上述需伴熱的工況中，當(dāng)工藝管道輸送介質(zhì)的凝固點(diǎn)高于環(huán)境溫度，且粘度較大，管道所在區(qū)域處于較高的防爆等級(jí), 或者工藝管道介質(zhì)的熱敏性及腐蝕性較強(qiáng)時(shí), 通常都應(yīng)選擇蒸汽伴熱進(jìn)行管道保溫。伴熱蒸汽物性參數(shù)選用原則：

(1)蒸汽伴熱采用飽和蒸汽作為熱源介質(zhì),其蒸汽飽和度要足夠大。

(2)伴熱蒸汽溫度通常要求明顯高于工藝介質(zhì)的溫度，同時(shí)應(yīng)充分考慮工藝物料的特性(如結(jié)焦點(diǎn)、凝固點(diǎn)等)，不同的工藝介質(zhì)選用的蒸汽溫度會(huì)有一定的差異。

(3)蒸汽的壓力由蒸汽本身的溫度決定，一般不低于0.2MPa，通常為0.35～1.0MPa。[2]如果選用的伴熱蒸汽壓力過(guò)低, 輸送時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的管道阻力，導(dǎo)致蒸汽壓力降低產(chǎn)生冷凝液，從而降低伴熱效果，影響被伴熱工藝管道介質(zhì)的輸送。

2 蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

蒸汽伴熱適用于工藝管道內(nèi)介質(zhì)操作溫度低于150℃的工況。蒸汽伴熱系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：蒸汽分配站、蒸汽總管、蒸汽引出管、蒸汽伴管、冷凝液收集站、冷凝水總管、冷凝水引出管等。典型的蒸汽伴熱系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽伴熱管道系統(tǒng)圖

2.1 蒸汽分配站設(shè)計(jì)的一般要求

(1)一般情況下，蒸汽分配站的布置方式為臥式(水平)安裝，以利于蒸汽的均勻分配。

(2)蒸汽分配站的設(shè)置范圍應(yīng)合理，一般是在裝置3m的半徑范圍內(nèi)，至少需要3個(gè)伴熱供汽組的地方均應(yīng)設(shè)置分配站。其位置應(yīng)盡可能設(shè)置在靠欄桿、平臺(tái)、墻、柱等地方，并且盡量減短伴管前的長(zhǎng)度，以便于操作且容易支撐。

(3)分配站的蒸汽進(jìn)氣管應(yīng)從蒸汽總管自分配站的頂部引入，伴熱供汽管(即蒸汽伴管)則應(yīng)從分配站的頂部或水平方向引出。分配站應(yīng)設(shè)有疏水閥，低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排液管和切斷閥。供氣管的切斷閥門(mén)通常設(shè)置在出口位置的水平管上。

(4)對(duì)于分配總管為DN 40的蒸汽分配站，其DN 15(或DN 20)支管的設(shè)置數(shù)量不應(yīng)超過(guò)6個(gè)；而對(duì)于分配總管為DN 50的蒸汽分配站，其DN 15(或DN 20)支管的設(shè)置數(shù)量應(yīng)控制在10個(gè)以?xún)?nèi)。[3]一般情況下，每個(gè)分配站至少預(yù)留一個(gè)備用口，用作緊急情況下的蒸汽分配；備用口應(yīng)配置閥門(mén)，并采用螺紋管帽或法蘭蓋進(jìn)行封閉。蒸汽分配站和供汽管的布置見(jiàn)圖2。

圖2 蒸汽分配站和供汽管的布置

2.2 蒸汽伴管設(shè)計(jì)的一般要求

2.2.1 蒸汽伴管尺寸和數(shù)量

在進(jìn)行蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇合適的蒸汽伴管尺寸和數(shù)量。通常情況下，伴管尺寸選用DN 15，必要時(shí)也可選用DN 20。工藝管道所需伴管的數(shù)量是由工藝管道的公稱(chēng)直徑所決定的，一般情況下，工藝管道的公稱(chēng)直徑≤100mm時(shí)設(shè)置1根伴管，直徑在150～450mm時(shí)設(shè)置2根伴管，直徑≥500mm時(shí)設(shè)置3根伴管。[3]

2.2.2 蒸汽伴管的設(shè)置

(1)蒸汽伴管應(yīng)在工藝管道需要伴熱部位的最高點(diǎn)引入，沿著管道從高處向低處進(jìn)行設(shè)置，至最低點(diǎn)離開(kāi)，盡可能使冷凝水自流到冷凝液收集站，避免袋形彎或減少U形彎上行的總高度，以降低液阻和氣阻發(fā)生的可能性。[3]

(2)每根蒸汽伴管上都需要設(shè)置各自獨(dú)立的供汽閥和疏水閥, 不宜采用多根伴管合并疏水的方式，而對(duì)于通過(guò)疏水閥后不需要回收的蒸汽凝結(jié)水則應(yīng)集中排放。

(3)對(duì)于被伴熱的工藝管道上經(jīng)常需要檢修和拆卸的地方(如控制閥、安全閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等)，蒸汽伴管應(yīng)采用活接頭或法蘭連接的方式，伴管的分支采用三通連接。

(4)被伴熱工藝管道水平放置時(shí)，伴管應(yīng)設(shè)置在其下方或兩側(cè)；被伴熱工藝管道垂直放置時(shí)，伴管(數(shù)量≥3根)宜圍繞其均勻鋪設(shè)。蒸汽伴管的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置見(jiàn)圖3。

此外，設(shè)計(jì)蒸汽伴管時(shí)應(yīng)充分考慮其熱補(bǔ)償，并合理設(shè)置固定支架和導(dǎo)向支架；同時(shí)沿工藝管道每間隔約24m的地方，蒸汽伴管應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置膨脹彎或U形彎(見(jiàn)圖4)，DN 15伴熱管的膨脹彎伸出長(zhǎng)度及寬度應(yīng)為200mm，DN 20伴熱管的膨脹彎伸出長(zhǎng)度及寬度應(yīng)為300mm，[4]閥門(mén)和法蘭處的回彎可視為膨脹彎處理。

圖3 蒸汽伴管的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置

圖4 蒸汽伴管膨脹彎

2.2.3 蒸汽伴管的最大有效長(zhǎng)度

蒸汽伴管的最大有效長(zhǎng)度(指伴管與被伴熱管道相接觸的部分，包括盤(pán)繞的長(zhǎng)度在內(nèi))由所用蒸汽的壓力而定。目前，在國(guó)內(nèi)常用的兩個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HG/20549《化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定》和SH/T 3040《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)蒸汽伴管的最大有效長(zhǎng)度均有明確的要求。在國(guó)家石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3040《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》中，蒸汽伴管的最大允許有效伴熱長(zhǎng)度與蒸汽壓力的關(guān)系見(jiàn)表1。需要注意的是，SH/T 3040與HG/20549標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)略有不同，在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況來(lái)選用合適的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 蒸汽伴管沿被伴熱管道的最大允許有效伴熱長(zhǎng)度

需要注意的是，對(duì)于上述規(guī)定的最大允許有效伴熱長(zhǎng)度，當(dāng)出現(xiàn)下述情況時(shí)應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整：當(dāng)蒸汽凝結(jié)水不回收時(shí)，最大允許的有效伴熱長(zhǎng)度可延長(zhǎng)20%；當(dāng)采用導(dǎo)熱膠泥時(shí)，最大允許的有效伴熱長(zhǎng)度宜縮短20%；當(dāng)出現(xiàn) U形彎，在上升高度超過(guò)規(guī)定數(shù)值(蒸汽壓力為0.3～0.5MPa，累計(jì)上升4m；蒸汽壓力大于0.5～0.7MPa，累計(jì)上升5m；蒸汽壓力大于0.7～1.0MPa，累計(jì)上升6m)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少最大允許的有效伴熱長(zhǎng)度，但伴管累計(jì)上升高度不宜超過(guò)10m[3]。蒸汽伴熱的伴熱供汽管和伴后管總長(zhǎng)度應(yīng)控制在30m以?xún)?nèi)，若有超出，應(yīng)適當(dāng)縮短伴管的有效長(zhǎng)度。[5]

2.3 冷凝液收集站設(shè)計(jì)的一般要求

(1)冷凝液收集站的設(shè)置范圍應(yīng)合理，通常在裝置3m半徑范圍內(nèi)至少需要3根冷凝液管組時(shí)應(yīng)設(shè)置冷凝液收集站，其位置應(yīng)使伴熱后的管道盡量短，具體形式根據(jù)管道布置設(shè)計(jì)的需要而定。

(2)蒸汽伴管在離開(kāi)被伴熱工藝管道后，在進(jìn)入冷凝液收集站之前的各伴管接口處都需設(shè)置各自獨(dú)立的蒸汽疏水閥和切斷閥。冷凝液收集站上設(shè)置的接管數(shù)量應(yīng)合理，DN 40冷凝液收集站的接管口不應(yīng)多于6個(gè)，DN 50冷凝液收集站的接管口應(yīng)不多于10個(gè)。所有的冷凝液收集站均應(yīng)設(shè)置1～2個(gè)預(yù)留備用口，并配置相應(yīng)的閥門(mén)，用法蘭蓋或螺紋管帽予以封閉。

(3)蒸汽冷凝液回收管應(yīng)從冷凝液主管的頂部接入，蒸汽冷凝液支管應(yīng)從伴熱站的頂部或水平接出。[4]冷凝液總管上的切斷閥，應(yīng)就近安裝在出口附近的水平管段上，以便于安裝操作和檢修。當(dāng)冷凝液收集站的位置低于蒸汽冷凝液總管時(shí)，冷凝液會(huì)發(fā)生回流并可能會(huì)產(chǎn)生閃蒸蒸汽，因此需要在冷凝液總管上設(shè)置止回閥。

當(dāng)蒸汽伴管中的冷凝液不需要回收時(shí)，應(yīng)通過(guò)裝置附近的排污口，集中就地排放。排污口的設(shè)置應(yīng)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，且不會(huì)腐蝕周?chē)墓艿篮驮O(shè)備，確保正常生產(chǎn)。

3 伴管材料的選用

蒸汽伴熱管的材料有3種，即紫銅管、不銹鋼管和碳鋼管。[2]一般情況下，蒸汽伴熱管的材質(zhì)與蒸汽主管道應(yīng)保持一致。目前國(guó)內(nèi)化工裝置中的蒸汽伴熱管通常采用碳鋼管，只有在特殊情況下(如儀表、過(guò)濾器、閥門(mén)、機(jī)泵等不規(guī)則形狀設(shè)備的表面采用碳鋼伴熱管施工較困難時(shí))采用紫銅或不銹鋼伴熱管。

碳鋼伴熱管通常采用對(duì)焊連接，紫銅或不銹鋼伴熱管采用卡套式連接。伴管用緊固材料見(jiàn)表2。

表2 伴管用緊固材料

注：不銹鋼絲和不銹鋼帶應(yīng)用于不銹鋼設(shè)備及管道。

4 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

已知某裝置現(xiàn)場(chǎng)最低環(huán)境溫度為-10℃，某工藝介質(zhì)呈液態(tài)輸送，其凝固點(diǎn)溫度為119℃，輸送管道的尺寸為DN 100 mm，長(zhǎng)度約40 m，現(xiàn)需設(shè)計(jì)該管道的保溫方式。

設(shè)計(jì)工作的第一步是要掌握工藝介質(zhì)的物料特性。經(jīng)詳細(xì)查詢(xún)及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步了解，該工藝介質(zhì)在130～160℃時(shí)粘度較小、流動(dòng)性最好，而0.3MPa(表壓)的飽和蒸汽溫度是143℃，采用0.3MPa飽和蒸汽對(duì)該工藝管道進(jìn)行伴熱,既能保證工藝介質(zhì)流動(dòng)性最好,又能充分利用能源。從表1中可知， 伴熱飽和蒸汽為0.3MPa時(shí)，DN 15伴熱管的最大有效伴熱長(zhǎng)度為50m，能夠滿(mǎn)足需伴熱的工藝管道長(zhǎng)度40m的要求。同時(shí)，按照SH /T 3040—2012《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》中表6.2.2-1的內(nèi)容，DN 100mm的工藝管道應(yīng)選用單根DN 15的蒸汽伴熱管。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)該工藝管道設(shè)計(jì)的保溫方式為：從附近0.3MPa(表壓)的蒸汽分配站引出1根DN 15的碳鋼伴管進(jìn)行伴熱，管道外保溫層材料為環(huán)保型復(fù)合硅酸鹽，保溫厚度70mm。

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨著化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展，蒸汽伴熱系統(tǒng)在化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要作用也越來(lái)越明顯，優(yōu)秀的蒸汽伴熱設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約成本，也能夠有效地保證設(shè)備和管道運(yùn)行的安全性與耐久性。本文僅從設(shè)計(jì)角度，對(duì)化工生產(chǎn)中常用的蒸汽伴管設(shè)計(jì)的一般要求進(jìn)行了概述，對(duì)蒸汽伴管在設(shè)計(jì)壓力、直徑、數(shù)量等參數(shù)的選取方面進(jìn)行了探討，而實(shí)際工程中蒸汽伴熱管的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合各個(gè)方面因素綜合考慮，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障化工裝置的順利運(yùn)行。

[1]張慧穎.化工工藝管道蒸汽伴管的設(shè)計(jì)[J].石油和化工裝備，2011(14).

[2]周龍，文黨偉，常潔.石油化工裝置蒸汽伴熱管的設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程與裝備,2012(6).

[3]宋岢岢.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[4]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.SH/T 3040—2012 石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)石化出版社，2014.

[5]陳逢春.化工工藝管道的蒸汽伴熱設(shè)計(jì)[J].上?；?，2014，39(1)：22-24.

(責(zé)任編輯 姚虹)

On the Design of Steam Tracing System of the Process Piping in Chemical Plant

SUN Fang-li, LIU Hong-guo

(Henan Chemical Design Institute Branch, Wison Engineering Co.Ltd., Zhengzhou 450018, China)

In chemical production equipment, process piping usually need freeze protection and insulation, and pipeline heat tracing, as a kind of effective pipe anti-freeze and heat preservation measures, has been widely used.Its working principle is to make full use of heat tracing pipeline to emit heat, and hot media in different ways to supplement the process of heat exchange pipe heat loss, in order to meet the process medium of anti-freeze and heat, heat preservation work requirements.Combined with the engineering example, this paper introduces the design requirements, material selection and related matters needing attention, and discusses the design pressure, diameter, quantity and other parameters of steam tracing piping of the process piping in chemical plant.

chemical process pipeline; steam tracing; design

2016-03-01

孫方莉(1989—)，女，河南永城人，惠生工程(中國(guó))有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司助理工程師，主要從事石油化工及煤化工管道設(shè)計(jì)工作。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2016.02.026

TE65；TQ055.81

A

1008-3715(2016)02-0125-04