旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器在高壓蒸汽管道中的應(yīng)用及節(jié)能效果

朱小波

(上海眾一石化工程有限公司，200540)

隨著石油化工聯(lián)合裝置規(guī)模的擴(kuò)大，裝置間的工藝管道和公用工程管道也趨于大型化。為了節(jié)約用地，經(jīng)統(tǒng)一規(guī)劃，石化企業(yè)將各裝置的物料管線、蒸汽管道、火炬管道及電氣儀表槽盒等疊加在同一系統(tǒng)的管廊上，因而管廊寬度加大，層數(shù)增多。以目前新建的5～10 Mt/a煉油項(xiàng)目為例，一般管廊寬度達(dá)到9～12 m，管廊層數(shù)達(dá)4～6層，管廊高度達(dá)到16～22 m。多種管道疊加在同一系統(tǒng)管廊上，導(dǎo)致管廊的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，管廊的造價(jià)也成倍增加。

在以往的蒸汽管道設(shè)計(jì)中，管道的熱脹冷縮通常采用管道自然補(bǔ)償以及波紋管補(bǔ)償?shù)男问郊右晕?。由于管廊上管道?shù)量多、受力復(fù)雜，自然補(bǔ)償與波紋管補(bǔ)償所產(chǎn)生的巨大內(nèi)壓推力與彈性力會(huì)對(duì)整個(gè)管廊產(chǎn)生很大的推力，影響整個(gè)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。解決這一問題的方法是增加土建工程量、增大固定支柱的尺寸［1］。但是，由于波紋補(bǔ)償器的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量及安裝精度等原因，管道經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕、拱起、泄漏和爆裂等問題，導(dǎo)致非計(jì)劃停車或發(fā)生危及人身及設(shè)備安全的事故。自然補(bǔ)償形式雖然安全性好、推力大，但補(bǔ)償量小，而且每隔幾十米就需繞一圈，導(dǎo)致管線數(shù)量增加，不僅浪費(fèi)材料，還增加了管道的沿程阻力，降低了管道使用性能，增加了運(yùn)行成本，而旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的出現(xiàn)使得管廊上管道的布置設(shè)計(jì)有了新的理念。

文章闡述了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在高溫(≥450℃)、高壓(≥5.0 MPa)蒸汽管道上的應(yīng)用。通過實(shí)際應(yīng)用案例，對(duì)自然補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償方案進(jìn)行比選，論證旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的節(jié)能效果及應(yīng)用意義。

1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的原理和布置方式

1.1 結(jié)構(gòu)

除了采用傳統(tǒng)的環(huán)面密封結(jié)構(gòu)外，端面密封采用高強(qiáng)度剛?cè)釓?fù)合密封材料，在管道介質(zhì)壓力增大時(shí)，內(nèi)部倒掛機(jī)構(gòu)可以巧妙地利用管道內(nèi)部端面密封所具有的介質(zhì)壓力越高密封效果越好的特點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)介質(zhì)壓力在0.5 MPa以下時(shí)，彎管中盲板受到的拉力較小，環(huán)面密封起主導(dǎo)作用;而當(dāng)壓力超過0.5 MPa時(shí)，端面密封逐漸壓緊，最終所有壓力逐漸由環(huán)面承壓轉(zhuǎn)向端面承壓，環(huán)面密封只起到雙保險(xiǎn)作用。

試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用表明，自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償是目前最可靠的管道補(bǔ)償技術(shù)［2］。自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)

1.2 布置方式

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的布置方式如圖2所示。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器由2個(gè)旋轉(zhuǎn)筒、4個(gè)90°彎頭及1段短管組成，每個(gè)旋轉(zhuǎn)筒與兩端的90°彎頭連接成旋轉(zhuǎn)節(jié);每個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)一端的90°彎頭與同一短管連接成橫臂;當(dāng)每個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)的另一端90°彎頭與前后直管連接后，即完成補(bǔ)償裝置安裝［3］。

圖2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器布置

2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的應(yīng)用效果

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有補(bǔ)償距離長(zhǎng)、安全性好、壓降小等優(yōu)勢(shì)，適宜設(shè)置在系統(tǒng)管廊或從電廠長(zhǎng)距離輸送線路上。

與傳統(tǒng)補(bǔ)償方式相比，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)理念發(fā)生了較大的變化:由軸向補(bǔ)償變?yōu)樾D(zhuǎn)補(bǔ)償。由于補(bǔ)償量提高了5～10倍，大幅度減少了彎頭的使用數(shù)量，管道的當(dāng)量長(zhǎng)度相應(yīng)大幅減小，從而減少了蒸汽管道的壓降和溫降，項(xiàng)目建設(shè)的一次性投資及長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)成本明顯減少，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.1 節(jié)約項(xiàng)目建設(shè)投資

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的補(bǔ)償距離能夠達(dá)到200～300 m，補(bǔ)償能力比自然補(bǔ)償高8～10倍。由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蒸汽管道運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生內(nèi)壓推力，在蒸汽管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不用再考慮蒸汽管道產(chǎn)生的水平推力。蒸汽管道的當(dāng)量長(zhǎng)度由自然補(bǔ)償?shù)?.3～1.5倍直線長(zhǎng)度降低到1.05～1.15倍，節(jié)省材料的效果是顯而易見的。據(jù)測(cè)算，與采用自然補(bǔ)償方式的同等級(jí)管網(wǎng)相比，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的管網(wǎng)可節(jié)約一次性建設(shè)投資20%～30%，尤其在直徑不低于250 mm、設(shè)計(jì)壓力大于1.3 MPa的蒸汽管道上，其節(jié)能效果更為顯著。

2.2 提高運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)效益

由于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的壓降較小，管網(wǎng)熱損失將由傳統(tǒng)的7%～8%下降到2%左右。以供汽能力200 t/h的蒸汽管網(wǎng)為例，每年可減少86.4 kt的蒸汽損失。如果蒸汽按150元/t計(jì)算，也就意味著每年可以多產(chǎn)生1 296萬(wàn)元效益。同時(shí)，由于壓降減小，蒸汽抽汽端可以使蒸汽輸送壓力損耗減少2～3 MPa，將更多的蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電。由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀的。

2.3 實(shí)現(xiàn)蒸汽的長(zhǎng)距離輸送

傳統(tǒng)補(bǔ)償方式帶來(lái)的壓力下降導(dǎo)致蒸汽輸送距離只能達(dá)到3～6 km，而使用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可以使蒸汽輸送半徑達(dá)到20 km，而且在供熱半徑范圍內(nèi)不再需要重復(fù)建設(shè)小鍋爐，降低了能耗，減少了排放，起到了節(jié)能減排的作用。

2.4 節(jié)約運(yùn)行成本

以某化工企業(yè)為例，自然補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償相比，當(dāng)蒸汽輸送流量均為300 t/h時(shí)，二者的壓降相差0.95 MPa;在蒸汽輸送流量為500 t/h時(shí)，二者的壓降相差2.61 MPa。如果換算成能耗，在蒸汽輸送流量為300 t/h時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償每時(shí)小可節(jié)約標(biāo)煤5 t，即每年40 kt。若以煤價(jià)500元/t計(jì)算，每年可節(jié)約運(yùn)行成本2 000萬(wàn)元。同理，輸送500 t/h蒸汽時(shí)，每年可節(jié)約標(biāo)煤147 kt，節(jié)約運(yùn)行成本約7 350萬(wàn)元。

這類旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)已經(jīng)在中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司600 kt/a芳烴項(xiàng)目、煉油改造項(xiàng)目和熱電部3#煤總管項(xiàng)目中得到應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

3 應(yīng)用實(shí)例

中國(guó)石油化工股份有限公司湖北化肥分公司200 kt/a合成氣制乙二醇工業(yè)系統(tǒng)示范裝置(在建)需要通過超高壓蒸汽管道，將老廠區(qū)的高壓蒸汽輸送至該裝置偶聯(lián)反應(yīng)工段的蒸汽透平機(jī)。管道的輸送能力為180 t/h，直徑為325 mm，壁厚為23 mm。老廠界區(qū)的超高壓蒸汽操作壓力為10.3 MPa，操作溫度為545℃，偶聯(lián)反應(yīng)工段蒸汽透平機(jī)入口蒸汽壓力要求不低于9.8 MPa，操作溫度不低于520℃。老廠區(qū)至偶聯(lián)反應(yīng)工段蒸汽透平機(jī)的直線距離為401.5 m，故選用進(jìn)口的P91合金管。

在超高壓蒸汽管道方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)自然補(bǔ)償方案(方案A)和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償方案(方案B)進(jìn)行了比選，具體參數(shù)見表1(只比較一次性建設(shè)投資，不含土建、鋼結(jié)構(gòu)等其他間接費(fèi)用)。

表1 超高壓蒸汽管道技術(shù)方案比較

根據(jù)表1，與采用自然補(bǔ)償方案相比，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償方案，管道總的當(dāng)量長(zhǎng)度縮短404.8 m，壓降可以減少0.266 MPa，溫降減少1.5 K。采用自然補(bǔ)償方案不能滿足偶聯(lián)反應(yīng)工段的蒸汽透平機(jī)入口蒸汽壓力要求，因此管徑還需要放大一級(jí)至直徑356 mm、壁厚28 mm。管材費(fèi)用的增加將使投資額上升24%，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的優(yōu)勢(shì)顯而易見。

該工程所用保溫材料為180 mm厚的硅酸鋁，每米管道的熱損失為300.57 kW·h。由于展開長(zhǎng)度不一樣，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器補(bǔ)償方案總的熱損失為126.48 kW·h，采用自然補(bǔ)償方案總的熱損失為175.38 kW·h。二者相比，采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的方案熱量損耗可減少48.9 kW·h。

將老廠區(qū)的高壓蒸汽輸送到偶聯(lián)反應(yīng)工段的蒸汽透平機(jī)，在保持供汽流量180 t/h、透平機(jī)入口蒸汽壓力不低于9.8 MPa、操作溫度不低于520℃的情況下，根據(jù)蒸汽透平機(jī)絕熱等熵做功的原理，有用能相差為4.88 kJ/kg，透平機(jī)做功增加243.9 kW·h。

綜合溫降和壓降這2種因素，高壓蒸汽輸送過程中的能量損耗下降292.8 kW·h，折合標(biāo)煤約0.097 6 t/h。按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)，可年節(jié)約標(biāo)煤780.82 t，減少CO2排放1 913 t，減少 SO2排放12.88 t。

4 結(jié)語(yǔ)

目前中高壓蒸汽管道的補(bǔ)償形式都是自然補(bǔ)償，存在投資大、管道阻力大、容易產(chǎn)生蠕變和疲勞等問題，給管網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響。旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器具有補(bǔ)償距離長(zhǎng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)，可以替代自然補(bǔ)償?shù)葌鹘y(tǒng)補(bǔ)償形式，能節(jié)省項(xiàng)目的一次性投資。采用旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器后蒸汽管道的壓降和溫降減少，管道末端透平機(jī)功率增加，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期節(jié)能的目標(biāo)。

隨著國(guó)家節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境政策和法規(guī)的實(shí)施，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器的成功應(yīng)用有助于推動(dòng)國(guó)內(nèi)石化行業(yè)高壓管道補(bǔ)償器的更新?lián)Q代，耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器更經(jīng)濟(jì)、更安全、更高效的優(yōu)勢(shì)得以顯現(xiàn)，在中高壓蒸汽管網(wǎng)工程中將得到更加廣泛的應(yīng)用，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大作用。

［1］湯蕙芬.熱能工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］宋章根.管道用耐高壓自密封旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器:中國(guó)，10041301.4［P］.2006 －08 －11.

［3］施振球.動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.