化工工藝管道蒸汽伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

胡寶玉

摘要：化工管道運(yùn)輸過程中蒸汽伴熱系統(tǒng)在其中起到至關(guān)重要的作用。針對(duì)目前生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)蒸汽伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏重視，設(shè)計(jì)存在不夠完善、不夠統(tǒng)一、不規(guī)范，同時(shí)現(xiàn)有的計(jì)算方式較為落后等問題，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確計(jì)算伴熱效果和傳熱效率，優(yōu)化蒸汽伴管設(shè)計(jì)，減少熱損失。

關(guān)鍵詞：化工工藝管道；蒸汽伴熱系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

作為一個(gè)有效的管道保溫和防凍措施，伴熱已廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程建設(shè)。其工作原理是利用伴熱介質(zhì)放出一定的熱量，通過直接或間接的換熱來(lái)補(bǔ)充伴熱管道的熱損失，達(dá)到加熱、保溫、防凍的目的。由于蒸汽使用方便，凝結(jié)水潛熱大，溫度調(diào)節(jié)方便，應(yīng)用范圍廣，在設(shè)備中被廣泛用作伴熱介質(zhì)。

2 蒸汽伴熱管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在化工工藝管道伴熱系統(tǒng)中應(yīng)用的伴熱管道主要有：蒸汽管道伴熱、夾套伴熱、電伴熱等幾種形式。而其中因?yàn)檎羝闊峁艿赖娜∮梅浅７奖?，并且在?yīng)用過程中其冷凝潛熱大，對(duì)于其溫度也非常容易進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以化工工藝伴熱管道中蒸汽伴熱是一種非常常見的伴熱方式。蒸汽伴熱管道系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：總管、支管、伴熱管、保溫箱、疏水器、冷凝液管、回水支管、回水總管、切斷閥等。

2.1 蒸汽伴熱管道系統(tǒng)圖

伴熱系統(tǒng)圖中為蒸汽總管、蒸汽進(jìn)口管、冷凝水總管、冷凝水引出管、蒸汽分配站、冷凝水收集站。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。

2.2 蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

2.2.1 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道（即蒸汽伴熱管道）應(yīng)從配汽站頂部或水平方向拉拔。分配站應(yīng)設(shè)置疏水閥，低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排水管道和截止閥。供應(yīng)管道的截止閥通常位于出口位置的水平管道上。

（4）對(duì)于DN40主管道的配汽站，DN15（或DN20）支管數(shù)量不應(yīng)超過6支，而對(duì)于DN50主管道的配汽站，DN15（或DN20）支管數(shù)量應(yīng)控制在10支以內(nèi)。一般情況下，每個(gè)配汽站應(yīng)預(yù)留至少一個(gè)備用出口，以便在緊急情況下進(jìn)行配汽。備用出口應(yīng)該配置閥門，并用螺紋帽或法蘭帽密封。

2.2.2 蒸汽伴管設(shè)計(jì)的一般要求

在設(shè)計(jì)蒸汽伴熱系統(tǒng)時(shí)，需要選擇合適的蒸汽伴熱管的尺寸和數(shù)量。伴管尺寸通常情況下選用DN15，必要時(shí)也可選用DN20。工藝管道所需的配套管道數(shù)量由工藝管道的公稱直徑?jīng)Q定。一般情況下，工藝管公稱直徑小于100mm時(shí)設(shè)置一根伴管，直徑150-450mm時(shí)設(shè)置兩根伴管，直徑大于500mm時(shí)設(shè)置三根伴管。

2.2.3 蒸汽伴管的設(shè)置

（1）在需要伴熱的工藝管道的最高點(diǎn)引入蒸汽伴熱管。它們應(yīng)該沿管道從高到低設(shè)置，并保留在最低點(diǎn)。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。

（2）每個(gè)蒸汽伴流管都需要配置單獨(dú)的蒸汽供應(yīng)閥和疏水閥。不宜同時(shí)使用多個(gè)蒸汽伴管和疏水閥。蒸汽凝結(jié)水通過疏水閥后不需要回收的，應(yīng)當(dāng)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)。

2.2.4 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，DN40冷凝液收集站的接管口不應(yīng)多于6個(gè)，DN50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，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。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)蒸汽伴生管中的凝結(jié)水不需要回收時(shí)，應(yīng)通過裝置附近的污水出口就地集中排放。排污口的安裝不得對(duì)人體造成危害，不得腐蝕周圍的管道和設(shè)備，保證正常生產(chǎn)。

2.3 伴熱管材料的選用標(biāo)準(zhǔn)

伴熱管一般有碳鋼管、不銹鋼管以及紫銅管三種材料可供選擇。目前國(guó)內(nèi)化工廠的伴熱管道主要有碳鋼管和不銹鋼管。這主要是基于成本考慮。雖然銅管具有較好的傳熱效果，但其成本遠(yuǎn)高于前兩種。

蒸汽伴管的規(guī)格一般為碳鋼管有DN15、DN20和DN25三種，不銹鋼管則主要為φ15×1.2、φ12×1.2兩種。正常情況下，伴汽管的選材與蒸汽總管選材一致。即蒸汽伴流管為不銹鋼時(shí)，蒸汽總管也為不銹鋼，便于兩者之間的焊接。

3 蒸汽伴熱設(shè)計(jì)存在問題和優(yōu)化策略

目前，環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的要求使得化工蒸汽伴熱管道的設(shè)計(jì)具有更高的要求。此外，流動(dòng)數(shù)值傳熱方法和商用軟件的發(fā)展為提高傳熱效率、降低能耗提供了計(jì)算工具和依據(jù)。工廠集成化設(shè)計(jì)思想運(yùn)用，為蒸汽伴熱管道設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路和方案存在以下3個(gè)問題：

（1）蒸汽伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在著不完善、不均勻、不規(guī)范等問題，給現(xiàn)場(chǎng)施工人員帶來(lái)了不便。

（2）伴熱效果和傳熱效率的計(jì)算精度不夠。目前，大多采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算伴熱效果和傳熱效率。誤差較大，造成不必要的熱損失，成本增加。

（3）目前設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)工程的思想，設(shè)計(jì)理念落后，創(chuàng)新性不足。

針對(duì)目前存在問題，結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，調(diào)研當(dāng)今工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和成果，研究認(rèn)為：首先，行業(yè)需要提高設(shè)計(jì)師規(guī)范意識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)范，建立嚴(yán)格的檢查監(jiān)督機(jī)制。其次，樹立精細(xì)設(shè)計(jì)的理念，利用流動(dòng)數(shù)值傳熱軟件進(jìn)行傳熱和過程模擬，計(jì)算準(zhǔn)確的蒸汽消耗，優(yōu)化配套管道的設(shè)計(jì)，減少不必要的熱損失。最后，采用綜合設(shè)計(jì)的方法來(lái)促進(jìn)整體設(shè)計(jì)。利用三維軟件對(duì)蒸汽跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。通過建模，形成更加直觀的整體設(shè)計(jì)。修改前的碰撞檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了問題，使設(shè)計(jì)更加合理有效。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著化工的不斷發(fā)展，蒸汽伴熱系統(tǒng)在化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要作用越來(lái)越明顯。優(yōu)良的蒸汽伴熱設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約成本，而且可以有效地保證設(shè)備和管道運(yùn)行的安全性和耐久性。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，蒸汽伴熱管道的設(shè)計(jì)應(yīng)多方面考慮，并結(jié)合各種因素的綜合考慮，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)?；み^程管道蒸汽伴熱設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約化工過程成本，而且可以有效地保證設(shè)備的安全性和耐久性，具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：洪陽(yáng)冶化工程科技有限公司）