化工工藝管道的蒸汽伴熱設(shè)計(jì)

陳逢春

惠生工程（中國(guó)）有限公司 （上海 201210）

化工工藝管道的蒸汽伴熱設(shè)計(jì)

陳逢春

惠生工程（中國(guó)）有限公司 （上海 201210）

介紹了化工工藝管道蒸汽伴熱的設(shè)計(jì)方法。依據(jù)工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實(shí)例，論述了蒸汽伴熱設(shè)計(jì)的相關(guān)注意事項(xiàng)。

化工工藝管道 蒸汽伴熱 設(shè)計(jì)

0 引言

伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍措施已廣泛應(yīng)用于化工工程建設(shè)中，其工作原理是利用伴熱媒體散發(fā)一定的熱量，通過直接或間接的熱交換補(bǔ)充被伴熱管道的熱損失，達(dá)到升溫、保溫及防凍等目的。工藝管道常用的伴熱介質(zhì)為熱水、蒸汽、熱載體和電熱。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、夾套伴熱和電伴熱。由于蒸汽取用方便、冷凝潛熱大、溫度易于調(diào)節(jié)、適用范圍較廣，一直是裝置中廣泛采用的伴熱介質(zhì)。本文對(duì)蒸汽伴熱管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些歸納總結(jié)。

1 蒸汽伴熱管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于低于環(huán)境溫度，易冷凝、凝固或因熱損失而黏度增高的工藝介質(zhì)或腐蝕性氣體中產(chǎn)生冷凝水而影響正常生產(chǎn)操作的管線、設(shè)備和儀表，除非有特殊加熱處理，一般都應(yīng)設(shè)蒸汽伴管。

蒸汽伴熱管道系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：（1）蒸汽總管；（2）蒸汽引入管；（3）蒸汽分配站；（4）蒸汽伴管；（5）冷凝水收集站；（6）冷凝水引出管；（7）冷凝水總管等。

1.1 蒸汽伴熱管道系統(tǒng)圖

蒸汽總管、蒸汽引入管、冷凝水總管、冷凝水引出管、蒸汽分配站及冷凝液收集站在伴熱系統(tǒng)圖中表示，分配站以及收集站應(yīng)有相應(yīng)的編號(hào)。分配站與收集站應(yīng)注明伴管的起始點(diǎn)、編號(hào)和被伴熱工藝管線號(hào)，每根伴管上應(yīng)有兩個(gè)相同的標(biāo)簽，一個(gè)安裝在蒸汽分配站上，另一個(gè)安裝在冷凝水收集站上，便于查找。

1.2 蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.2.1 蒸汽分配站管道布置設(shè)計(jì)的一般要求

（1）分配站的布置應(yīng)采用臥式（水平）或立式安裝的形式。

（2）分配站接管數(shù)如下：DN40蒸汽分配站每站設(shè)DN15或DN20的接管口不多于6個(gè)；DN50蒸汽分配站每站設(shè)DN15或DN20的接管口不多于10個(gè)。每個(gè)分配站留1～2個(gè)備用口，備用口應(yīng)配置閥門，并用螺紋管帽或法蘭蓋封閉。

（3）在3m半徑范圍內(nèi)至少有3個(gè)伴熱供氣組的地方應(yīng)提供伴熱站。

（4）分配站盡可能靠墻、柱、平臺(tái)欄桿等設(shè)置，其位置應(yīng)使伴前管道盡量短。

（5）每組伴熱供氣總管上的切斷閥通常安裝在蒸汽主管上的出口附近，且安裝在水平管上，該閥門宜采用截止閥。

（6）伴熱供氣總管應(yīng)從蒸汽主管頂部引出，伴熱供氣管應(yīng)從伴熱站的頂部或水平引出。

（7）分配站一般應(yīng)設(shè)置一個(gè)固定支架和一個(gè)滑動(dòng)支架。

（8）分配站應(yīng)設(shè)疏水閥，其低點(diǎn)應(yīng)有排液管、切斷閥。

1.2.2 冷凝液收集站管道布置設(shè)計(jì)的一般要求

（1）冷凝液收集站接管數(shù)如下：DN40冷凝液收集站每站設(shè)DN15或DN20的接管口不多于6個(gè)；DN50冷凝液收集站每站設(shè)DN15或DN20的接管口不多于10個(gè)。每個(gè)收集站留1～2個(gè)備用口，備用口應(yīng)配置閥門，并用螺紋管帽或法蘭蓋封閉。

（2）根據(jù)管道布置設(shè)計(jì)需要，收集站可采用臥式（水平）或立式安裝的形式。

（3）收集站的位置應(yīng)使伴后管道盡量短。

（4）冷凝液收集站的各伴管接管口應(yīng)帶有各自的蒸汽疏水閥及切斷閥。

（5）在3m半徑范圍內(nèi)至少有3根冷凝液管的地方應(yīng)提供冷凝液收集站。

（6）冷凝液站應(yīng)預(yù)留1～2個(gè)備用接頭。

（7）蒸汽冷凝液回水管應(yīng)從總管的頂部引入；冷凝液總水管高于收集站時(shí)，如果確認(rèn)冷凝液回水管可能有閃蒸蒸汽時(shí)，則收集管上應(yīng)加止回閥。

1.2.3 伴管設(shè)計(jì)的一般要求

（1）伴管蒸汽應(yīng)從主管蒸汽管頂部引出,并在靠近引出處設(shè)切斷閥,切斷閥宜設(shè)置在水平管道上。

（2）每根伴管宜單獨(dú)設(shè)疏水閥,不宜與其他伴管合并疏水;通過疏水閥后的不回收凝結(jié)水,宜集中排放。

（3）為防止蒸汽竄入凝結(jié)水管網(wǎng)使系統(tǒng)背壓升高,干擾凝結(jié)水系統(tǒng)正常運(yùn)行,疏水閥組不宜設(shè)置旁路閥。

（4）伴管蒸汽應(yīng)從高點(diǎn)引入,沿被伴熱管道由高向低敷設(shè),凝結(jié)水應(yīng)從低點(diǎn)排出,應(yīng)盡量減少U形彎,以防止產(chǎn)生氣阻和液阻。

（5）被伴管為水平敷設(shè)時(shí),伴管應(yīng)安裝在被伴管下方或兩側(cè),垂直敷設(shè)時(shí),伴管等于或多于3根時(shí)宜圍繞被伴管均勻敷設(shè)。

（6）伴管經(jīng)過閥門、管件時(shí),伴管應(yīng)沿其外形敷設(shè),且宜避免或減少U形。

（7）當(dāng)主管伴熱,支管不伴熱時(shí),支管上的第一個(gè)切斷閥應(yīng)予伴熱。

（8）被伴熱管道上的取樣閥、排液閥、放空閥和掃線閥等均應(yīng)伴熱。

（9）伴管連接應(yīng)采用焊接,在經(jīng)過被伴管的閥門、法蘭等處時(shí)可采用法蘭或活接頭連接。?12mm、?10mm紫銅或不銹鋼伴管宜采用卡套式接頭連接。

1.3 伴管管徑及根數(shù)選用

設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同環(huán)境及工藝操作條件，蒸汽伴管管徑及根數(shù)按SH/T 3040—2002《石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.0.2-1～表4.0.2-4選用[1]。

當(dāng)環(huán)境溫度、伴管介質(zhì)的操作條件、保溫材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)及放熱系數(shù)等數(shù)據(jù)與表4.0.2-1～表4.0.2-4不同時(shí)，伴管管徑及根數(shù)按公式（1）計(jì)算[2]。

式中：d為伴管計(jì)算外徑，m；do為伴管外徑，m；Di為保溫層內(nèi)徑，m；Do為保溫層外徑，m；K為熱損失附加系數(shù)，取1.15～1.25；n為伴管根數(shù)，根；t為被伴介質(zhì)溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；tst為伴管介質(zhì)溫度，℃；α為保溫層外表面向大氣的傳熱系數(shù)，W/ (m2·℃)；αi為保溫層內(nèi)加熱空間向保溫層的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)，一般取13.95W/(m2·℃)；αt為伴管向保溫層內(nèi)加熱空間的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ為保溫材料制品導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

1.4 伴管的最大長(zhǎng)度

伴熱蒸汽管的最大允許伴熱有效長(zhǎng)度與蒸汽壓力和伴熱管直徑有關(guān)。伴管起伴點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近伴熱分配站，伴熱供汽（伴前管）一般不超過15m，終伴點(diǎn)盡可能靠近收集站。蒸汽伴熱的伴熱供汽和回凝（伴后管）總長(zhǎng)度應(yīng)控制在30m以內(nèi)，若有超出，應(yīng)適當(dāng)縮短有效伴管長(zhǎng)度。在同一個(gè)蒸汽分配站的蒸汽伴管當(dāng)量長(zhǎng)度大致相等時(shí)，最短蒸汽伴管的當(dāng)量長(zhǎng)度不宜小于最長(zhǎng)伴管當(dāng)量長(zhǎng)度的70%。從伴管輸出點(diǎn)到冷凝器之間的總長(zhǎng)見表1。

表1 蒸汽伴管最大允許有效伴熱長(zhǎng)度

1.5 蒸汽伴熱允許U形彎累計(jì)上升高度

化工設(shè)計(jì)中伴熱蒸汽管難免會(huì)出現(xiàn)U形彎（袋形）的情況。U形彎會(huì)增加伴管中蒸汽的壓力降，產(chǎn)生氣阻。因此，當(dāng)伴管在最大允許有效伴熱長(zhǎng)度出現(xiàn)U形彎時(shí)，累計(jì)上升高度不應(yīng)大于表2中規(guī)定的數(shù)值。

表2 蒸汽伴管最大允許U形彎累計(jì)上升高度

1.6 蒸汽伴熱站和伴熱總管

蒸汽分配站和冷凝液收集站的管徑可按公式（2）計(jì)算出S值，然后按表3查取。

式中：A為DN15、?12mm、?10 mm伴管根數(shù)；B為DN20伴管根數(shù)；C為DN25伴管根數(shù)。S值超過16時(shí)，設(shè)立蒸汽分配站和疏水站的數(shù)量≥2個(gè)。

表3 蒸汽分配站及冷凝液收集站管徑DN

2 伴熱管材料及規(guī)格的選用

伴熱管材料的選用一般有3種：紫銅管、不銹鋼管及碳鋼管[3]。目前國(guó)內(nèi)化工裝置中常以碳鋼管和不銹鋼管作為伴熱管，但對(duì)于伴熱管施工困難的場(chǎng)合，如機(jī)泵、閥門、過濾器、儀表等不規(guī)則形狀的表面，伴熱管可采用紫銅管或不銹鋼管。蒸汽伴管常采用的規(guī)格：紫銅管?8×1，?10×1；不銹鋼管?12×1.2，?15×1.2；碳鋼管DN15、DN20、DN25。一般規(guī)定蒸汽伴管的材料與蒸汽主管一樣。如果被伴熱主管為不銹鋼，伴管通常僅選用304材質(zhì)不銹鋼。伴管采用卡套連接和對(duì)焊連接。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

已知條件：被伴熱工藝管線內(nèi)流體溫度保持80℃，伴熱蒸汽為0.6MPa的飽和蒸汽，最低環(huán)境溫度為-5℃，工藝管線尺寸DN80mm，被伴熱工藝管線長(zhǎng)度50m，保溫材料為環(huán)保型復(fù)合硅酸鹽，保溫厚度50mm。

查SH/T3040—2002表4.0.2-2，可知伴管n× DN應(yīng)為1×DN15，伴熱管采用單根DN15碳鋼管。從表2可知，給定蒸汽最長(zhǎng)能伴75 m，可滿足所需伴熱50 m的要求。從其附近蒸汽分配站引1根DN15的伴管即可。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了蒸汽伴熱系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要素，具體論述了設(shè)計(jì)及安裝中應(yīng)解決的伴管直徑、數(shù)量、最大允許長(zhǎng)度以及在最大允許長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)袋形累計(jì)上升的高度值等問題。蒸汽伴熱在化工管道設(shè)計(jì)中有著至關(guān)重要的地位，蒸汽伴熱管設(shè)計(jì)好，可以做到節(jié)約投資、施工方便，為裝置的正常運(yùn)行起到有力保證。

[1]康美琴,張發(fā)有.SH/T3040-2002石油化工管道伴熱和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)石化出版社,2003.

[2]張發(fā)有.工藝裝置蒸汽伴熱管的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].石油化工設(shè)計(jì),2010,27(3):42-45.

[3]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):55-57.

Steam Heat Tracing Design for Chemical Process Piping

Chen Fengchun

Introduced design methods of steam heat tracing for chemical process piping.According to the relevant regulations of engineering design and combining with project examples,discussed the matters needing attention in the steam tracing design.

Chemical process piping;Steam heat tracing;Design

TQ 025.1

2013年11月

陳逢春 男 1982年生 天津大學(xué)碩士學(xué)位管道工程師從事石油化工及煤化工管道設(shè)計(jì)工作