工廠熱水伴熱系統(tǒng)設(shè)計計算

王寶全 東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

根據(jù)操作介質(zhì)的溫度、濃度、凝固點或結(jié)晶點，以及環(huán)境溫度等參數(shù)的要求，石油化工企業(yè)有大量的管道、儀表、設(shè)備需要伴熱。尤其我國新疆、內(nèi)蒙等嚴寒地區(qū)的大型石油化工工廠［1］，對伴熱系統(tǒng)的設(shè)計、施工、運行有較高的要求［2］。伴熱的主要方式有伴管伴熱、夾套伴熱和電伴熱，其中伴管和夾套伴熱的熱媒通常為蒸汽或熱水。由于蒸汽伴熱系統(tǒng)存在疏水閥容易損壞、蒸汽溫度偏高、能源浪費嚴重等問題［3－5］，熱水伴熱也成為一種重要的選擇。但過去行業(yè)內(nèi)的工程設(shè)計人員對伴熱系統(tǒng)的處理普遍較為隨意，較少進行理論計算，或計算過程不夠清晰準確［4］。本文以新疆某大型新建化工廠的熱水伴熱系統(tǒng)設(shè)計為例，介紹了伴熱方式的分類、選擇及熱水伴熱系統(tǒng)的實際設(shè)計計算過程，包括流程設(shè)計、熱水循環(huán)量和蒸汽消耗的計算、泵揚程計算等，供工程設(shè)計人員和項目建設(shè)人員參考。

1 伴熱系統(tǒng)

1.1 伴熱方式的分類和選擇

石油化工企業(yè)常用的伴熱方式有伴管伴熱、夾套伴熱和電伴熱。

電伴熱的成本較高，一般只有在不方便采用蒸汽或熱水伴熱，或蒸汽與熱水伴熱不能滿足要求的情況下才使用。如室外洗眼器，為防止冬季結(jié)冰或水溫過高，可以考慮電伴熱［2］。

夾套伴熱效果較好，但施工成本較高。通常需要采購大量的夾套法蘭、短半徑彎頭、橫/縱切三通等，外管的焊接工作量很大，而且夾套內(nèi)管必須100%探傷［6］。一般以介質(zhì)凝固點50℃為界，高于50℃時采用夾套伴熱，低于50℃時采用伴管伴熱［7］。

伴管伴熱又分為外伴管伴熱和內(nèi)伴管伴熱兩種形式。內(nèi)伴管伴熱需要將整根的伴熱管伸入主管內(nèi)部，且伴管在主管內(nèi)不應(yīng)有焊縫，施工工程量大［8］，應(yīng)用較少;外伴熱管伴熱是最常見的伴熱方式，一般采用蒸汽或熱水作為熱媒。

化工廠中通常會有蒸汽管網(wǎng)連接到各個工段，如果采用蒸汽伴熱，熱源的引用和回水設(shè)置都會比較方便，而且不會明顯增大鍋爐的運行負荷。因此低壓蒸汽成為化工廠伴熱應(yīng)用最多的熱媒。但蒸汽伴熱系統(tǒng)也存在幾個明顯的缺點:

(1)蒸汽伴熱系統(tǒng)需要設(shè)置大量的小口徑疏水閥，而且冷凝液通常需要回收利用，容易出現(xiàn)疏水閥損壞卻難以被及時發(fā)現(xiàn)的情況。

(2)伴熱蒸汽的用量不好調(diào)節(jié)，蒸汽伴熱會造成被伴熱介質(zhì)溫度上升，多消耗能量［3］，而且對工藝操作不一定有利。

(3)有些介質(zhì)需要限制熱媒的溫度，溫度太高容易造成物質(zhì)變性，造成燙傷等事故的危險性增大［4］。

(4)再次投用時伴熱管線容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，縮短管線使用壽命，跑冒滴漏嚴重［5］。

此時，熱水伴熱系統(tǒng)就成為一種非常有利的選擇，能夠有效解決上述問題。新版儀表伴熱規(guī)范中［9］，也提出優(yōu)先考慮熱水伴熱。有些業(yè)主亦明確要求，新建工廠中除了必須采用蒸汽伴熱的地方以外，全部采用熱水伴熱，建立獨立的熱水循環(huán)系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，熱水伴熱的應(yīng)用會越來越廣泛。

1.2 熱水伴熱的通常做法

工藝設(shè)計中通常不重視伴熱系統(tǒng)的設(shè)計計算。當采用蒸汽伴熱時，伴熱蒸汽的用量一般僅為工藝設(shè)備蒸汽用量的零頭，即使不計算出可靠數(shù)值，也不會對全廠的工藝設(shè)計造成明顯影響。當改用熱水伴熱時，有些工藝設(shè)計人員就將類似項目中未經(jīng)計算的伴熱蒸汽用量直接轉(zhuǎn)化為熱值來計算熱負荷;還有些工藝設(shè)計人員通過設(shè)定伴管中熱水的流速來估算熱水用量。其實，這兩種做法均不妥當。

(1)未經(jīng)計算的伴熱蒸汽用量可能會有較大偏差，雖然對全廠的鍋爐、蒸汽管網(wǎng)等設(shè)計沒有明顯影響，但如果以此數(shù)值作為依據(jù)設(shè)置單獨的伴熱水循環(huán)系統(tǒng)，則誤差難以預(yù)料，可能會造成100%甚至更高的偏差。

(2)被伴熱管道、儀表或設(shè)備操作工況不一樣，伴管的熱量消耗也不一樣，因此實際需要的伴熱水量、伴熱水流速都可能不同。如果實際運行中使各伴管的流速趨于一致，則各伴熱回水溫度可能大幅偏離設(shè)計值，而且各伴熱點難以達到預(yù)期的效果;如果設(shè)計計算中假定各伴管流速為同一值，則難以代表實際運行工況，而且依然難以計算準確。

設(shè)計過程中應(yīng)該對熱水伴熱系統(tǒng)進行必要的能耗等計算，以計算值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，才能使工程設(shè)計有據(jù)可依，既滿足使用要求，又不至于盲目擴大。

2 熱水伴熱系統(tǒng)的設(shè)計與計算

2.1 流程設(shè)計

熱水伴熱系統(tǒng)的流程見圖1。伴熱上水和回水溫度分別定為110℃和85℃ (規(guī)范要求上水不得高于130℃，回水不宜低于70℃)［7］。

圖1 熱水伴熱系統(tǒng)流程示意圖

一般推薦熱水伴熱系統(tǒng)做成閉式循環(huán)系統(tǒng)。但為了吸收熱水溫度變化引起的膨脹量，更好的保護循環(huán)泵，并與其它工藝流程保持一致，此次設(shè)計增加了常壓熱水緩沖罐。參考暖通專業(yè)采暖水循環(huán)系統(tǒng)的做法，為防止因為泄漏等造成伴熱水量損失，緩沖罐液位逐步下降，故設(shè)置補水管線連接至緩沖罐。系統(tǒng)第一次注水通常采用脫鹽水，補水可考慮脫鹽水或蒸汽冷凝液。

伴熱水循環(huán)泵設(shè)置備用泵，為減少投資，循環(huán)泵不采用變頻泵，故系統(tǒng)內(nèi)伴熱水的循環(huán)量基本恒定。如果系統(tǒng)的熱負荷有變化，可通過小幅改變上水、回水溫度的方法進行匹配。

伴熱水在加熱器中被低壓蒸汽加熱，蒸汽用量通過伴熱水出口溫度調(diào)節(jié)控制。疏水閥后蒸汽冷凝液直接送往全廠管網(wǎng)，集中處理。

伴熱水通過管廊連接至各工段，進入各熱水分配站，伴熱后進入各熱水回水站。分配站和回水站有水平和立式兩種，可根據(jù)空間合理選擇，并預(yù)留兩個左右備用接頭。熱水伴管宜從被伴熱管最低點開始伴至最高點，最大允許有效伴熱長度通常為60m。為方便調(diào)節(jié)各伴熱管線流量，建議熱水分配站采用閘閥，熱水回水站采用截止閥。這樣就可以通過控制各伴熱管線閥門的開度，主要是后方截止閥的開度，控制各伴熱管內(nèi)熱水的流速，使伴熱水流量滿足各被伴熱管的實際需求。

2.2 伴熱水循環(huán)量和加熱蒸汽消耗

按照規(guī)范SH/T 3040－2012的要求，熱水伴管的管道熱損失量計算公式為:

式中，K為熱損失附加系數(shù)，此處取1.25;t為被伴熱介質(zhì)維持溫度，通常為介質(zhì)自身的溫度，冬季防凍管線要求值一般在50℃以下，但考慮到熱水伴管直接與保溫層接觸，參考絕熱設(shè)計的通常方法，此處取100℃;ta為環(huán)境溫度，對于防凍伴熱，取歷年最冷月份平均溫度的平均值，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，此處為－16.1℃;λ為保溫材料制品導(dǎo)熱系數(shù);Di為保溫層內(nèi)徑，可取被伴熱管和伴管外徑的加和;D0為保溫層外徑，此處以保溫層厚度50mm來進行估算;α為保溫層外表面向大氣的放熱系數(shù)，可根據(jù)最大風速計算出最不利工況下的最大放熱系數(shù);αi為保溫層內(nèi)加熱空間空氣向保溫層的放熱系數(shù)，規(guī)范［7］推薦取13.95 W/(m2·K)。

對于伴管的公稱直徑，規(guī)范推薦被伴管DN≥450時采用DN20伴管，但實際設(shè)計時建議全廠伴管盡量采取相同口徑 (如DN15)，不僅采購材料可以統(tǒng)一，伴熱站備用接口也不會出現(xiàn)口徑不同無法使用的問題，對設(shè)計、施工、使用都有利。幾種伴熱工況的具體計算結(jié)果見表1。

表1 不同工況下伴熱計算舉例

計算總熱負荷時，通常在單位長度熱損失計算值的基礎(chǔ)上再乘以一次熱損失附加系數(shù)，以補償管托、閥門等引起的額外熱量損失。而儀表伴熱點的熱量損失通常較小［10］，規(guī)范SH 3126－2001中推薦單個儀表保溫箱熱損失取為500×4.1868 kJ/h，余量系數(shù)取1.05。按本項目的設(shè)計工況計算，對應(yīng)的蒸汽消耗僅為 1.1kg/h，伴熱水21kg/h。

由表1中計算結(jié)果可以簡單估算:如果一個工段內(nèi)設(shè)置5個伴熱站，約40根伴熱管同時在使用，每根伴熱管對應(yīng)25kg/h的蒸汽消耗，則該工段的伴熱用蒸汽消耗為1t/h。因此，使用低壓蒸汽直接作為伴熱熱媒時，如果工段內(nèi)有其他消耗蒸汽的設(shè)備，如再沸器等，伴熱蒸汽用量不進行單獨計算也是可以接受的。

經(jīng)過統(tǒng)計，該新建工廠內(nèi)某裝置各工段共需約14t/h伴熱蒸汽，對應(yīng)275t/h的伴熱水循環(huán)量。

為對主管的熱損失有一個半定量的概念，以便最終確定伴熱水循環(huán)量，參考絕熱設(shè)計規(guī)范［11］對主管的熱量損失進行近似計算:

主管為Φ273無縫鋼管，保溫層暫定為80mm厚玻璃棉，則Di=0.273m，D0=0.433m。α取為38.925W/(m2·K)，λ≈0.042W/(m·K)?？梢杂嬎愠霭闊嵘纤芎突厮艿臒崃繐p失分別為166 W/m和133 W/m。如果上水和回水總管各長500m，熱損失附加系數(shù)取1.25，則對應(yīng)187 kW熱損失，意味著要多消耗0.33t/h的低壓蒸汽。

由于計算工況已經(jīng)接近最苛刻工況，故設(shè)計的余量系數(shù)不建議取很大，伴熱水循環(huán)量設(shè)計為300t/h，對應(yīng)的加熱蒸汽消耗為15.3t/h。

2.3 伴熱水循環(huán)泵揚程確定

由于此次設(shè)置的伴熱水緩沖罐為常壓，回水主管壓力應(yīng)偏低一些，定為0.2MPa。伴熱水循環(huán)泵的揚程必須能夠克服整個伴熱系統(tǒng)的阻力損失。

通過流體力學(xué)計算可知，當伴熱水主管DN≥200時，即使流速達到1.5m/s，每100m管路阻力損失也只有10kPa左右，意味著1000m主管直管，也只有約0.1MPa的壓力損失。根據(jù)表1中的計算結(jié)果，DN15伴管內(nèi)熱水流速通常小于1m/s，可以算出此段管路的阻力損失在0.02～0.1MPa之間。要匹配、平衡各工段、各伴熱站、各伴熱點之間流量和壓力，就需要通過閥門來調(diào)節(jié)?？紤]到伴熱水經(jīng)過循環(huán)泵后，還要經(jīng)過多個閥門以及流量計、換熱器等，而且工段內(nèi)部彎頭等管件數(shù)量較多，伴熱水緩沖罐的安裝高度也高于循環(huán)泵 (液位約距地坪9m高)，循環(huán)泵出口壓力定為0.6MPa。

可以預(yù)見，伴熱水在進入熱水收集站前壓力約0.3MPa，為防止伴熱水因勢能升高而引起壓力降低，發(fā)生汽化，此伴熱水使用高度不應(yīng)超過25m。更高位置的伴熱點數(shù)量較少，如果為其增加循環(huán)泵揚程，是不經(jīng)濟的，而且對整個伴熱系統(tǒng)的壓力平衡不利，也是不合理的。裝置內(nèi)如果有個別伴熱點高度在25m以上，則仍然采用蒸汽伴熱。

3 結(jié)語

(1)熱水外伴管伴熱是一種重要的伴熱方式，應(yīng)用范圍廣泛，有望得到越來越多的應(yīng)用。

(2)熱水伴熱系統(tǒng)可參考圖1設(shè)置，主要由循環(huán)泵、加熱器、熱水分配站和回水站、緩沖罐組成。

(3)熱水循環(huán)量應(yīng)根據(jù)工段內(nèi)被伴熱管道的管徑、溫度、長度等，以及當?shù)貧庀筚Y料進行估算、匯總，計算方法見公式 (1)。一個北方典型裝置的熱水循環(huán)量為300t/h(熱水溫差25℃)，對應(yīng)15.3t/h的低壓蒸汽消耗。此數(shù)值量級供工程設(shè)計和項目建設(shè)人員參考。

(4)伴熱水循環(huán)泵揚程的確定不僅要計算主管和伴熱管阻力損失，還要考慮閥門等調(diào)壓設(shè)施，取值應(yīng)適當加大。

1 李紅星.國內(nèi)新型煤化工發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析［J］.現(xiàn)代化工，2014，34(8):1－5.

2 段中華，張洪偉.化工裝置設(shè)備及管道防凍設(shè)計要點分析［J］.化工設(shè)計，2014，24(4):26－29.

3 張國明，徐仁飛，王 建等.伴熱介質(zhì)的優(yōu)化及合理選用［J］.石油石化節(jié)能，2012，(03):52－54.

4 何秉善，周 睿.蒸汽伴熱改熱水伴熱的計算和分析［J］.甘肅科技，2009，25(11):58－60.

5 徐文豪，張正斌，魏敬乾.利用裝置低溫余熱蒸汽伴熱改熱水伴熱淺析 ［J］.廣州化工，2010，38(4):202－204.

6 GB 50184－2011，工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

7 SH/T 3040－2012，石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國石化出版社，2013.

8 周小剛.石油化工裝置中工藝管道的伴熱設(shè)計討論 ［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013，(18):265.

9 SH/T 3126－2013，石油化工儀表及管道伴熱和絕熱設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國石化出版社，2013.

10 龐曉明，劉一笑，郭紹貞.儀表熱水伴熱時熱水量的計算［J］.石油化工自動化，2001，(1):11－12.

11 GB 50264－2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2013.