寒冷地區(qū)水泥廠壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)

彭延松，謝 穎，房明慧（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

0 前言

蒙欣水泥廠項(xiàng)目所在地蒙古國中央省冬季最低環(huán)境溫度能達(dá)到零下40℃，項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)線年運(yùn)轉(zhuǎn)率不低于85%。故在設(shè)計(jì)過程中，工藝、土建、電氣等專業(yè)都進(jìn)行了應(yīng)對(duì)極寒氣候的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，尤其是在容易被忽略的壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)方面，我們進(jìn)行了充分的方案分析及論證，通過這個(gè)項(xiàng)目也形成了一套寒冷地區(qū)水泥廠壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)流程，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)的思路

1.1 寒冷地區(qū)壓縮空氣管道需要保溫的必要分析

目前水泥廠常用的螺桿式空壓機(jī)排氣溫度在40℃左右，排氣壓力在0.5～0.8MPa，此時(shí)的壓縮空氣中的水蒸氣一般是飽和狀態(tài)，然后通過空氣干燥機(jī)，將壓縮空氣露點(diǎn)降低，使其在后續(xù)溫降過程中不析出水，避免因環(huán)境溫度低導(dǎo)致水在用氣點(diǎn)孔徑小的管路里結(jié)冰堵塞管路造成生產(chǎn)事故。目前寒冷地區(qū)壓縮空氣干燥機(jī)一般都采用效果好的微熱吸附式干燥機(jī)，壓縮空氣理論露點(diǎn)能降到零下40℃。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因干燥機(jī)介質(zhì)更換不及時(shí)、干燥機(jī)壓縮空氣理論處理量小于實(shí)際通過量等問題，在寒冷地區(qū)水泥廠冬季生產(chǎn)中，即便采用了微熱吸附式干燥機(jī)，還是會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)壓縮空氣管道用氣點(diǎn)析出水結(jié)冰后堵塞管路的現(xiàn)象。故為了徹底避免寒冷地區(qū)壓縮空氣管道用氣點(diǎn)結(jié)冰堵塞問題，一個(gè)是在壓縮空氣源頭即空壓機(jī)站就把壓縮空氣溫度降到比室外環(huán)境溫度還低，這樣就能保證在整個(gè)壓縮空氣輸送管路中不會(huì)有水析出，但這個(gè)方案的投資及運(yùn)行成本決定了這個(gè)方案幾乎是不可能的；另一個(gè)是對(duì)從空壓機(jī)站至各用氣點(diǎn)的壓縮空氣管道進(jìn)行外保溫甚至是電伴熱，保證整個(gè)壓縮空氣輸送管路中的溫度不會(huì)低于水的“冷凝點(diǎn)”，這個(gè)方案投資及運(yùn)行成本低，適合寒冷地區(qū)水泥廠壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 寒冷地區(qū)壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)的計(jì)算方案

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，我們將復(fù)雜的從空壓機(jī)站至各用氣點(diǎn)的壓縮空氣輸送過程中的換熱過程理解為簡(jiǎn)單的管路散熱過程，采用距空壓機(jī)站最遠(yuǎn)端用氣點(diǎn)進(jìn)行核算，管道散熱量按照“水泥廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)上生產(chǎn)管路中的管道保溫?zé)釗p失參考”進(jìn)行估算，熱源考慮壓縮空氣自身溫度、管路電伴熱及用氣點(diǎn)車間內(nèi)采暖對(duì)壓縮空氣管道的局部加熱，熱量平衡示意圖見圖1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析各熱源對(duì)壓縮空氣用氣點(diǎn)溫度的影響、指導(dǎo)壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)過程、總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況驗(yàn)證該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

圖1 寒冷地區(qū)壓縮空氣管道熱量平衡示意圖

2 壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)過程

2.1 設(shè)計(jì)條件

壓縮空氣出空壓機(jī)站時(shí)的溫度約40℃，冬季生產(chǎn)時(shí)室外環(huán)境最低溫度約-30℃，空壓機(jī)站至最遠(yuǎn)用氣點(diǎn)距離約1 000 m，電伴熱功率約20 W/m，用氣點(diǎn)車間采暖后室內(nèi)溫度約15℃。

2.2 各熱量分項(xiàng)計(jì)算

各熱量分項(xiàng)計(jì)算見表1。

2.3 計(jì)算結(jié)果

（1）當(dāng)壓縮空氣管道全程保溫，但不采取電伴熱及用氣點(diǎn)車間采暖時(shí)，該項(xiàng)目壓縮空氣在用氣點(diǎn)處溫度為-7℃。

表1 各熱量分項(xiàng)計(jì)算

（2）當(dāng)壓縮空氣管道全程保溫、壓縮空氣管道上全程采用電伴熱時(shí)，該項(xiàng)目壓縮空氣在用氣點(diǎn)處溫度為3℃。

（3）當(dāng)壓縮空氣管道全程保溫、壓縮空氣管道上全程采用電伴熱且對(duì)壓縮空氣用氣點(diǎn)車間采暖時(shí)，該項(xiàng)目壓縮空氣在用氣點(diǎn)處溫度為4℃。

2.4 結(jié)果分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在該項(xiàng)目壓縮空氣管道輸送過程中，對(duì)用氣點(diǎn)處壓縮空氣溫度影響最大的熱源是壓縮空氣自身熱量，其次是電伴熱、最后是用氣點(diǎn)車間采暖；

在寒冷地區(qū)壓縮空氣管道上是否需要保溫、是否需要增設(shè)電伴熱等措施是通過計(jì)算得出的，當(dāng)計(jì)算出的壓縮空氣在用氣點(diǎn)處溫度低于“冷凝點(diǎn)”時(shí)，就需要設(shè)計(jì)管道保溫甚至是增設(shè)電伴熱等措施。

根據(jù)以上計(jì)算及分析結(jié)果，該項(xiàng)目決定對(duì)壓縮空氣管道全程保溫、全程采用電伴熱。

3 使用效果

我公司蒙古國蒙欣水泥廠項(xiàng)目自2016年順利投產(chǎn)至今沒有出現(xiàn)過任何因壓縮空氣用氣點(diǎn)管道內(nèi)結(jié)冰堵塞的事故，壓縮空氣管道各排水點(diǎn)在冬季生產(chǎn)時(shí)運(yùn)行正常，說明以上寒冷地區(qū)壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)流程可行。

（1）在寒冷地區(qū)的水泥廠冬季生產(chǎn)室外最低環(huán)境溫度低于零下20℃時(shí)，就必須在壓縮空氣管道設(shè)計(jì)時(shí)考慮壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)；

（2）壓縮空氣管道電伴熱每米功率低，壓縮空氣管道局部增加電伴熱意義不大，故建議壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)增加電伴熱時(shí)采用全程電伴熱設(shè)計(jì)；

（3）用氣點(diǎn)車間內(nèi)采暖對(duì)壓縮空氣用氣點(diǎn)處溫度影響幾乎可以忽略，且此措施投資大，故沒有必要僅為了增加壓縮空氣在用氣點(diǎn)處溫度就對(duì)用氣點(diǎn)整個(gè)車間或車間內(nèi)局部進(jìn)行采暖。

4 結(jié)語

國內(nèi)很少會(huì)遇到如此寒冷的水泥廠建設(shè)項(xiàng)目，就算是北方有極寒氣候，大部分水泥廠也會(huì)在冬季因市場(chǎng)停產(chǎn)，之前我們沒有對(duì)寒冷地區(qū)水泥廠壓縮空氣管道保溫設(shè)計(jì)給予足夠重視。隨著我國水泥廠建設(shè)在國際市場(chǎng)的延伸，越來越多的極寒地區(qū)的水泥廠建設(shè)項(xiàng)目需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此過程中要充分考慮環(huán)境對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，在設(shè)計(jì)過程中解決壓縮空氣管道保溫問題，避免現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行整改工作，保證項(xiàng)目冬季順利穩(wěn)定運(yùn)行。