煤制甲醇项目蒸汽系统管网的设计

郭平利 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

煤制甲醇项目蒸汽系统管网的设计

郭平利*华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

介绍煤制甲醇项目中蒸汽管网的压力分级、母管水力学计算、管网控制及余热利用等内容。

煤制甲醇蒸汽系统管网设计

蒸汽系统指工业企业中，担负蒸汽生产、输送、回收凝结水、余热、废汽、提供热能动力、以蒸汽或热能形式联系在一起的各种装置和设备，并借助各种仪表所组成的统一、协调、平衡的系统。蒸汽系统的设计对工厂的安全、可靠、稳定、灵活的运行有重要的意义，对工厂的能耗指标也有重要的影响，本文介绍煤制甲醇项目中蒸汽系统管网的设计。

1 蒸汽系统

1.1 蒸汽来源

(1)生产高压过热蒸汽的蒸汽锅炉。

(2)副产蒸汽主要有:①变换工序:一般产汽压力为2.5～4.0MPa(G)，可产过热蒸汽;②甲醇合成工序:一般产汽压力为2.5～4.0MPa (G);③硫回收工序:根据工艺不同，产汽压力可能不同。

1.2 蒸汽用户

(1)大型机组:如空分压缩机、甲醇合成压缩机、冰机等，选用汽轮机驱动，一般选用高、中压过热蒸汽。

(2)净化、甲醇精馏等工序间接加热:根据工艺要求，一般选用约1.0MPa(G)蒸汽加热。

(3)变换工序汽提、净化工序间接加热、各工序伴热、公用工程站等，一般选用约0.5MPa (G)低压蒸汽加热。

2 蒸汽管网的压力分级

蒸汽管网的压力可按高压蒸汽管网、中压蒸汽管网和低压蒸汽管网分级。

2.1 高压蒸汽管网

高压蒸汽管网为蒸汽系统的初级管网，主要用于空分汽轮机用汽。根据锅炉蒸汽参数系列，考虑蒸汽发生系统、汽轮机等的用材要求和制造成本、项目投资等，一般初级管网选用压力9.8MPa(G)，温度540℃的高压蒸汽。

2.2 中压蒸汽管网

中压蒸汽主要用于甲醇合成压缩机和冰机的动力蒸汽，为空分汽轮机的抽汽气。因抽汽式汽轮机的进汽压力宜大于抽汽点压力的2倍，最小为1.65倍［1］，从而空分汽轮机抽汽压力应在4.9～5.9MPa(G)比较合适。结合工艺副产蒸汽的压力及用汽特点，一般空分汽轮机抽汽压力为2.5～4.0MPa(G)。

2.3 低压蒸汽管网

根据工艺需要，一般煤制甲醇项目设有两级低压蒸汽管网:分别为1.0MPa(G)和0.5MPa(G)。

3 蒸汽管网的母管水力学计算

3.1 流量确定

根据系统各工序的正常工况、部分负荷工况、开车、停车工况和其他特殊工况分别做平衡计算，得到母管在各工况下的流量负荷情况。

3.2 管径及压降的确定

母管管径及压降的确定是蒸汽系统管网设计中很重要的一个环节，管径、管道压降选取是否合适，对项目能耗、经济性等均有影响。

(1)常用流体推荐选取的流速，见表1。

(2)根据式(1)，初算管径:

式中，d为管道的内径，mm;W为管内介质的质量流量，kg/h:μ为介质在管内的平均流速，m/ s;ρ为介质在工作条件下的密度，kg/m3。

表1 常用流体流速表［2］

(3)根据初算的管径，核算管网的压降。

根据管道压力降计算［2］中的说明:对绝热流动，当管道L＞60m时，可按等温流动计算，误差一般不超过5%。对煤制甲醇项目来说，一般蒸汽母管的长度均大于60m，因此仍可按等温流动计算。

此计算可重复多次，直到满足工程需要为止。与之对应的压力降见表2［2］。

表2 某些管道中流体允许压力降范围

3.3 实例

该项目设有两套空分，单套产氧能力45000Nm3/h，高压蒸汽操作压力9.8MPa(G)，操作温度540℃，蒸汽密度28.9m3/h，空分汽轮机采用抽凝式，单套抽中压过热蒸汽90t/h，蒸汽锅炉与空分之间直线距离约1700m，单根母管输送。两套空分装置需要蒸汽约400t/h。

3.3.1 初选流速

高压蒸汽为过热蒸汽，此项目空分与锅炉之间距离较远，考虑有可能管径大，压降高，因此按表1选蒸汽流速μ为40m/s。

3.3.2 初算管径

根据式(1)计算:

据此，根据材料控制专业给出的材料外径、壁厚等数据，初选公称直径为14″的管道，具体规格为377×32mm(外径×壁厚)。

3.3.3 核算压降

在初选管径后，用ASPEN PLUS软件计算整个管网的压力降:其中管线长度计入应力补偿，管线升高、降低、管件等因素的影响，按1.6倍管网当量长度考虑。因此，计算程序中管长按2700m取值。计算结果:母管管径太小，压降太大，需重新计算。

3.3.4 最终确定

经再次计算，其结果见表3。

表3 某项目管径与压力降计算结果

根据计算结果，考虑蒸汽压力对汽轮机耗汽的影响及经济性、运行可靠性、操作弹性等情况，分别计算18″和20″管径，最大负荷工况时的管道压降。最终确定选用公称尺寸为20″的管子。

4 蒸汽系统的管网控制

4.1 压力控制

(1)为保护高压蒸汽和下一级蒸汽管网的需要，高压蒸汽管网设有秒阀及减温减压器，一旦高压汽轮机跳车，立即开启秒阀，通过快速泄放，来保证高压蒸汽管网和下一级管网系统的安全。

(2)其他压力级的管网，均在母管上设置压力自控调节放空阀，以维持各级管网压力的稳定。

(3)各级母管均设安全阀，考虑若选用单个安全阀，当安全阀因长期不用而失灵时，可能起不到安全保护作用，因此一般系统均设有2～3个安全阀。

(4)进入每级母管的主汽源均设压力跟踪调节，以稳定母管压力。

(5)通常各管网将安全阀或压力调节放空阀排放至大气的蒸汽，先引入一个公用的消音器中，通过此消音器降低噪音后，再排入大气。

4.2 温度控制

各级母管一般均设有温度检测仪表，对过热蒸汽管网来说，因汽轮机用汽必须保证一定的过热度，因此设低温报警。

5 余热利用

根据余热的温位高低，坚持按质用能和分级回收利用的原则，做到热尽其用。本项目的余热利用主要体现在:

(1)根据工艺特点及余热品位，分级产汽或预热水:如变换工段，工艺要求将变换后的工艺气温度从400℃降至40℃，此过程设计一般会副产中压过热蒸汽及两级低压饱和蒸汽进入蒸汽管网。而后低品位的余热还可预热系统中的锅炉给水、脱盐水等。

(2)各级管网对间接加热设备的蒸汽、凝液均分级回收，以充分利用各级凝液的热量，如1.0MPa(G)饱和蒸汽管网的凝液，可通过闪蒸扩容罐，副产0.5MPa(G)饱和蒸汽，并入蒸汽管网。

(3)工艺各工序产汽设备的锅炉排放水，可通过闪蒸扩容罐，副产低压饱和蒸汽，并入蒸汽管网。

6 结语

在煤制甲醇项目蒸汽系统管网的设计中，设计是否合理，会直接关系到整个项目运行的可靠性、经济性、安全性和灵活性。

1 HG/T 20521－92，化工蒸汽系统设计规定［S］．

2 HG/T 20570－95，化工装置工艺系统工程设计规定［S］．

This paper presents the pressure rating of steam piping system，hydraulic calculation of pipe main，piping system control and waste heat utilization etc．in coal-to-methanol project．

Steam System Piping Design of Coal-to-Methanol Project

Guo Pingli
(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

coal-to-methanolsteam systempiping system design

*郭平利:工程师。2002年毕业于西北大学化学工程专业。从事化工工艺设计工作。联系电话:(029)87988696，E－mail:gpl1945 @chinahualueng.com

2012－05－07)