工厂热水伴热系统设计计算

王宝全 东华工程科技股份有限公司 合肥 230024

根据操作介质的温度、浓度、凝固点或结晶点，以及环境温度等参数的要求，石油化工企业有大量的管道、仪表、设备需要伴热。尤其我国新疆、内蒙等严寒地区的大型石油化工工厂［1］，对伴热系统的设计、施工、运行有较高的要求［2］。伴热的主要方式有伴管伴热、夹套伴热和电伴热，其中伴管和夹套伴热的热媒通常为蒸汽或热水。由于蒸汽伴热系统存在疏水阀容易损坏、蒸汽温度偏高、能源浪费严重等问题［3－5］，热水伴热也成为一种重要的选择。但过去行业内的工程设计人员对伴热系统的处理普遍较为随意，较少进行理论计算，或计算过程不够清晰准确［4］。本文以新疆某大型新建化工厂的热水伴热系统设计为例，介绍了伴热方式的分类、选择及热水伴热系统的实际设计计算过程，包括流程设计、热水循环量和蒸汽消耗的计算、泵扬程计算等，供工程设计人员和项目建设人员参考。

1 伴热系统

1.1 伴热方式的分类和选择

石油化工企业常用的伴热方式有伴管伴热、夹套伴热和电伴热。

电伴热的成本较高，一般只有在不方便采用蒸汽或热水伴热，或蒸汽与热水伴热不能满足要求的情况下才使用。如室外洗眼器，为防止冬季结冰或水温过高，可以考虑电伴热［2］。

夹套伴热效果较好，但施工成本较高。通常需要采购大量的夹套法兰、短半径弯头、横/纵切三通等，外管的焊接工作量很大，而且夹套内管必须100%探伤［6］。一般以介质凝固点50℃为界，高于50℃时采用夹套伴热，低于50℃时采用伴管伴热［7］。

伴管伴热又分为外伴管伴热和内伴管伴热两种形式。内伴管伴热需要将整根的伴热管伸入主管内部，且伴管在主管内不应有焊缝，施工工程量大［8］，应用较少;外伴热管伴热是最常见的伴热方式，一般采用蒸汽或热水作为热媒。

化工厂中通常会有蒸汽管网连接到各个工段，如果采用蒸汽伴热，热源的引用和回水设置都会比较方便，而且不会明显增大锅炉的运行负荷。因此低压蒸汽成为化工厂伴热应用最多的热媒。但蒸汽伴热系统也存在几个明显的缺点:

(1)蒸汽伴热系统需要设置大量的小口径疏水阀，而且冷凝液通常需要回收利用，容易出现疏水阀损坏却难以被及时发现的情况。

(2)伴热蒸汽的用量不好调节，蒸汽伴热会造成被伴热介质温度上升，多消耗能量［3］，而且对工艺操作不一定有利。

(3)有些介质需要限制热媒的温度，温度太高容易造成物质变性，造成烫伤等事故的危险性增大［4］。

(4)再次投用时伴热管线容易产生水击现象，缩短管线使用寿命，跑冒滴漏严重［5］。

此时，热水伴热系统就成为一种非常有利的选择，能够有效解决上述问题。新版仪表伴热规范中［9］，也提出优先考虑热水伴热。有些业主亦明确要求，新建工厂中除了必须采用蒸汽伴热的地方以外，全部采用热水伴热，建立独立的热水循环系统。可以预见，热水伴热的应用会越来越广泛。

1.2 热水伴热的通常做法

工艺设计中通常不重视伴热系统的设计计算。当采用蒸汽伴热时，伴热蒸汽的用量一般仅为工艺设备蒸汽用量的零头，即使不计算出可靠数值，也不会对全厂的工艺设计造成明显影响。当改用热水伴热时，有些工艺设计人员就将类似项目中未经计算的伴热蒸汽用量直接转化为热值来计算热负荷;还有些工艺设计人员通过设定伴管中热水的流速来估算热水用量。其实，这两种做法均不妥当。

(1)未经计算的伴热蒸汽用量可能会有较大偏差，虽然对全厂的锅炉、蒸汽管网等设计没有明显影响，但如果以此数值作为依据设置单独的伴热水循环系统，则误差难以预料，可能会造成100%甚至更高的偏差。

(2)被伴热管道、仪表或设备操作工况不一样，伴管的热量消耗也不一样，因此实际需要的伴热水量、伴热水流速都可能不同。如果实际运行中使各伴管的流速趋于一致，则各伴热回水温度可能大幅偏离设计值，而且各伴热点难以达到预期的效果;如果设计计算中假定各伴管流速为同一值，则难以代表实际运行工况，而且依然难以计算准确。

设计过程中应该对热水伴热系统进行必要的能耗等计算，以计算值作为基础数据，才能使工程设计有据可依，既满足使用要求，又不至于盲目扩大。

2 热水伴热系统的设计与计算

2.1 流程设计

热水伴热系统的流程见图1。伴热上水和回水温度分别定为110℃和85℃ (规范要求上水不得高于130℃，回水不宜低于70℃)［7］。

图1 热水伴热系统流程示意图

一般推荐热水伴热系统做成闭式循环系统。但为了吸收热水温度变化引起的膨胀量，更好的保护循环泵，并与其它工艺流程保持一致，此次设计增加了常压热水缓冲罐。参考暖通专业采暖水循环系统的做法，为防止因为泄漏等造成伴热水量损失，缓冲罐液位逐步下降，故设置补水管线连接至缓冲罐。系统第一次注水通常采用脱盐水，补水可考虑脱盐水或蒸汽冷凝液。

伴热水循环泵设置备用泵，为减少投资，循环泵不采用变频泵，故系统内伴热水的循环量基本恒定。如果系统的热负荷有变化，可通过小幅改变上水、回水温度的方法进行匹配。

伴热水在加热器中被低压蒸汽加热，蒸汽用量通过伴热水出口温度调节控制。疏水阀后蒸汽冷凝液直接送往全厂管网，集中处理。

伴热水通过管廊连接至各工段，进入各热水分配站，伴热后进入各热水回水站。分配站和回水站有水平和立式两种，可根据空间合理选择，并预留两个左右备用接头。热水伴管宜从被伴热管最低点开始伴至最高点，最大允许有效伴热长度通常为60m。为方便调节各伴热管线流量，建议热水分配站采用闸阀，热水回水站采用截止阀。这样就可以通过控制各伴热管线阀门的开度，主要是后方截止阀的开度，控制各伴热管内热水的流速，使伴热水流量满足各被伴热管的实际需求。

2.2 伴热水循环量和加热蒸汽消耗

按照规范SH/T 3040－2012的要求，热水伴管的管道热损失量计算公式为:

式中，K为热损失附加系数，此处取1.25;t为被伴热介质维持温度，通常为介质自身的温度，冬季防冻管线要求值一般在50℃以下，但考虑到热水伴管直接与保温层接触，参考绝热设计的通常方法，此处取100℃;ta为环境温度，对于防冻伴热，取历年最冷月份平均温度的平均值，根据当地气象资料，此处为－16.1℃;λ为保温材料制品导热系数;Di为保温层内径，可取被伴热管和伴管外径的加和;D0为保温层外径，此处以保温层厚度50mm来进行估算;α为保温层外表面向大气的放热系数，可根据最大风速计算出最不利工况下的最大放热系数;αi为保温层内加热空间空气向保温层的放热系数，规范［7］推荐取13.95 W/(m2·K)。

对于伴管的公称直径，规范推荐被伴管DN≥450时采用DN20伴管，但实际设计时建议全厂伴管尽量采取相同口径 (如DN15)，不仅采购材料可以统一，伴热站备用接口也不会出现口径不同无法使用的问题，对设计、施工、使用都有利。几种伴热工况的具体计算结果见表1。

表1 不同工况下伴热计算举例

计算总热负荷时，通常在单位长度热损失计算值的基础上再乘以一次热损失附加系数，以补偿管托、阀门等引起的额外热量损失。而仪表伴热点的热量损失通常较小［10］，规范SH 3126－2001中推荐单个仪表保温箱热损失取为500×4.1868 kJ/h，余量系数取1.05。按本项目的设计工况计算，对应的蒸汽消耗仅为 1.1kg/h，伴热水21kg/h。

由表1中计算结果可以简单估算:如果一个工段内设置5个伴热站，约40根伴热管同时在使用，每根伴热管对应25kg/h的蒸汽消耗，则该工段的伴热用蒸汽消耗为1t/h。因此，使用低压蒸汽直接作为伴热热媒时，如果工段内有其他消耗蒸汽的设备，如再沸器等，伴热蒸汽用量不进行单独计算也是可以接受的。

经过统计，该新建工厂内某装置各工段共需约14t/h伴热蒸汽，对应275t/h的伴热水循环量。

为对主管的热损失有一个半定量的概念，以便最终确定伴热水循环量，参考绝热设计规范［11］对主管的热量损失进行近似计算:

主管为Φ273无缝钢管，保温层暂定为80mm厚玻璃棉，则Di=0.273m，D0=0.433m。α取为38.925W/(m2·K)，λ≈0.042W/(m·K)。可以计算出伴热上水管和回水管的热量损失分别为166 W/m和133 W/m。如果上水和回水总管各长500m，热损失附加系数取1.25，则对应187 kW热损失，意味着要多消耗0.33t/h的低压蒸汽。

由于计算工况已经接近最苛刻工况，故设计的余量系数不建议取很大，伴热水循环量设计为300t/h，对应的加热蒸汽消耗为15.3t/h。

2.3 伴热水循环泵扬程确定

由于此次设置的伴热水缓冲罐为常压，回水主管压力应偏低一些，定为0.2MPa。伴热水循环泵的扬程必须能够克服整个伴热系统的阻力损失。

通过流体力学计算可知，当伴热水主管DN≥200时，即使流速达到1.5m/s，每100m管路阻力损失也只有10kPa左右，意味着1000m主管直管，也只有约0.1MPa的压力损失。根据表1中的计算结果，DN15伴管内热水流速通常小于1m/s，可以算出此段管路的阻力损失在0.02～0.1MPa之间。要匹配、平衡各工段、各伴热站、各伴热点之间流量和压力，就需要通过阀门来调节。考虑到伴热水经过循环泵后，还要经过多个阀门以及流量计、换热器等，而且工段内部弯头等管件数量较多，伴热水缓冲罐的安装高度也高于循环泵 (液位约距地坪9m高)，循环泵出口压力定为0.6MPa。

可以预见，伴热水在进入热水收集站前压力约0.3MPa，为防止伴热水因势能升高而引起压力降低，发生汽化，此伴热水使用高度不应超过25m。更高位置的伴热点数量较少，如果为其增加循环泵扬程，是不经济的，而且对整个伴热系统的压力平衡不利，也是不合理的。装置内如果有个别伴热点高度在25m以上，则仍然采用蒸汽伴热。

3 结语

(1)热水外伴管伴热是一种重要的伴热方式，应用范围广泛，有望得到越来越多的应用。

(2)热水伴热系统可参考图1设置，主要由循环泵、加热器、热水分配站和回水站、缓冲罐组成。

(3)热水循环量应根据工段内被伴热管道的管径、温度、长度等，以及当地气象资料进行估算、汇总，计算方法见公式 (1)。一个北方典型装置的热水循环量为300t/h(热水温差25℃)，对应15.3t/h的低压蒸汽消耗。此数值量级供工程设计和项目建设人员参考。

(4)伴热水循环泵扬程的确定不仅要计算主管和伴热管阻力损失，还要考虑阀门等调压设施，取值应适当加大。

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