分体式蒸汽减温减压系统设计

徐文赓

（南京金凌石化工程设计有限公司，江苏南京 210042）

分体式蒸汽减温减压系统设计

徐文赓

（南京金凌石化工程设计有限公司，江苏南京 210042）

介绍了SP公司减温减压器的设计过程，包括蒸汽管道的计算和设计、减温减压器的计算和设计等，同时列出了主要的设计规范，通过实际的运行检验，达到了预期的设计效果。

蒸汽减温减压器；蒸汽；管道设计；减温减压器设计

1 概述

分体式蒸汽减温减压器是化工生产中常用的设备，包括减温器、减压阀、减温水调节阀、蒸汽管道、减温水管道及相关仪表，本文主要介绍分体式减温减压器工艺计算过程及管道布置。

2 工艺描述

2.1 工艺描述

SP公司使用中压蒸汽及低压蒸汽，中压蒸汽来自化工园区外管廊。进入SP界区的中压蒸汽管线首先进入减温器E-01，减温至280℃，一部分送往中压蒸汽用户直接使用，一部分进入减温减压器E-02，减温减压至0.7MPa（A），180℃，再送往装置低压蒸汽用户使用。

本项目的冷凝水将进行回收，中压蒸汽产生的冷凝水经闪蒸回收后并入低压蒸汽冷凝水系统；低压蒸汽冷凝水一部分送往循环水，另一部分由减温水泵送往减温减压器E-01、E-02作为减温水使用；减温水温度为100℃。系统流程图见图1。

图1 系统流程图

2.2 工艺参数

SP公司蒸汽来自化工园区中压蒸汽母管，蒸汽分配台出口蒸汽参数：

温度：410℃

压力：4.1MPa（A）

流量：65t/h

母管直径：DN300

SP公司使用的中压蒸汽及低压蒸汽，中压蒸汽参数：

温度：241℃

压力：3.4MPa（A）

流量：5.9t/h

低压蒸汽参数：

温度：165℃

压力：0.7MPa（A）

流量：3.6t/h

3 蒸汽管道设计

根据工艺参数，按照HG/T20570.1—1995 《设备和管道系统设计压力和设计温度的确定》确定管道设计参数为：

中压蒸汽：设计温度450℃

设计压力：4.4MPa（A）

设计用量：6t/h

低压蒸汽：设计温度210℃

设计压力：0.9MPa（A）

设计用量：3.6t/h

3.1 管径初选

根据《石油化工装置工艺管道安装设计手册》，中压蒸汽流速按20m/s，计算公式：

di：管内径，mm；

qv：在操作条件下流体的体积流率，m3/h；

u：流体的流速，m/s。

∵蒸汽在4.1MPa（A），410℃时的密度为15.05kg/m3

∴qv＝Q÷ρ

＝5 900÷15.05

＝392m3/h

＝83.23mm

初选管径DN100。

3.2 管道压力降计算

根据现场配管，中压蒸汽由化工园区管廊引入，由蒸汽分配台出口开始，配置DN300母管，开孔点距离蒸汽分配台1 350m，母管弯头数量106个；开孔点到SP公司界区间距长1 470m，弯头数量99个，法兰闸阀2台。

DN300母管计算压力降为2.15bar，即0.215MPa；

DN100管线计算压力降为7.68bar，即0.768MPa，界区压力＝4.1-0.215-0.768＝3.177MPa（A），压力降过大；

DN150管线计算压力降为2.87bar，即0.287MPa，界区压力＝4.1-0.215-0.287＝3.598MPa（A）较合适。

3.3 管径选择

根据上述计算，选择管径DN150。

3.4 壁厚、材质选择

管道设计温度450℃，根据TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程》选用15CrMoR合金钢管线，设计压力4.4MPa（A），根据SH3059—2012《石油化工管道设计器材选用规范》，直管计算壁厚为：

t：直管计算壁厚，mm；

P：设计压力，MPa；

D0：管子外径，mm；

（σ）t：计算温度下管子材料许用应力，MPa；查GB150—2011《压力容器》；取91MPa；

Φ：焊缝系数，对无缝钢管取1；

W：焊缝接头强度系数，单面对焊100％探伤取1.0；

Y：温度对计算直管壁厚的修正系数；≤482℃铁素体钢取0.4；_

T：名义厚度，标准规定的厚度，mm；

C1：材料厚度负偏差，按材料标准规定，mm；取0.4mm；

C2：腐蚀、冲蚀余量，mm；化工园区为轻微腐蚀，取1mm；

C3：机械加工深度，mm；取0.5mm；

C4：厚度圆整值，mm

∴直管计算壁厚为：t＝3.99

再根据HG/T20533—2011《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》壁厚按公式：

Sch.No.=P÷S×1 000

P：设计压力（MPa）；

S：设计温度下材料的许用应力，根据GB 150.2-2011查得15CrMoR在450℃下许用应力为91MPa；

∴Sch.No.＝4.4÷119×1 000＝48.35

可选用壁厚大于SCH40，根据SH/T3405—2012《石油化工钢管尺寸系列》选用SCH80壁厚10.97，大于管道计算名义厚度6mm，满足要求。即管道壁厚选择为SCH80，10.97mm。

4 减温减压器设计

4.1 减温减压器参数

蒸汽由蒸汽分配台送出，经过1 350mDN300管线，再经过1 470mDN150管线，至界区处有一定的压力降和温度降低，由计算得知，减温器E-01进口压力：3.598MPa（A），温度：396.4℃，流量6t/h；减温器E-01出口压力：3.598MPa（A），温度：280℃，流量6t/h；减压阀PCV-01进口压力：3.598MPa （A），温度：280℃，流量3.6t/h；减温器E-02出口压力：0.7MPa（A），温度：180℃，流量3.6t/h。减温减压器参数见表1。

表1 减温减压器参数

4.2 减温水量计算

按能量守恒，公式：

Win×（Hin-Hout）=Ws×（Hout-Hs）

Win：进入减温减压器的蒸汽流量，kg/h；

Ws：减温水量，kg/h；

Hin：进入减温器的蒸汽焓，kJ/kg；

Hout：减温器出口蒸汽焓，kJ/kg；

Hs：减温水焓

∵查表得3.598MPa（A），394.4℃下蒸汽焓Hin为3 214.204 kJ/kg

3.598MPa（A），280℃下蒸汽焓Hout为2 918.681kJ/kg

常压，100℃水焓Hs为417.5108kJ/kg

∴Ws=Win×（Hin-Hout）÷（Hout-Hs）

=6 000×（3 214.204-2 918.681）÷（2 918.681-417.5108）

=708.9

≈709

即减温器E-01减温水用量为709kg/h；

∵查表得0.7MPa（A），233.71℃下蒸汽焓Hin为2 919.26 kJ/kg

0.7MPa（A），180℃下蒸汽焓Hout为2 798.044kJ/kg

常压，100℃水焓Hs为417.5108kJ/kg

∴Ws=Win×（Hin-Hout）÷（Hout-Hs）

=3 600×（2 919.26-2 798.044）÷（2 798.044-417.5108）

=183.31kg

≈183kg

即减温减压器E-02减温水用量为183kg/h；

4.3 减温器E-01及E-02尺寸设计

减温减压器的尺寸设计主要根据管道内流速设定，减温减压器内流速过低，会出现减温水吸收不完全，甚至落到管壁上导致管道热应力破坏。在设计中，考虑管道内流速为30～70m/s。为取得最小压力降，流速按30m/s取值计算：

按流量计算公式： Q=V×A

Q：流量m3/h；

V：流速m/s；

A：流道面积m2。

E-01流道面积计算：

∵3.598MPa（A），396.4℃下蒸汽密度为12.195kg/m3，

∴A=Q÷V

=6 000÷3 600÷12.195÷30

=0.004 6m2

∵管道截面积 A=πR2

=0.038m

∴减温器E01可选用管径为76mm，

所以减温器管径选定为DN80。

E-02流道面积计算：

∵0.7MPa（A），280℃下蒸汽密度为2.797kg/m3，

∴A=Q÷V

=3600÷3600÷2.797÷30

=0.01192m2

∵管道截面积 A=πR2

=0.0616m

∴减温器E901可选用管径为123.2mm。

由于管道内压力不高，为防止出现减温水吸收不完全的情况，管内流速适当加大，所以减温器管径选定为DN100。

4.4 减压阀PCV-01的设计

蒸汽减压阀的作用是降低蒸汽压力，获得所需较低压力的蒸汽；根据SH3012—2011《石油化工金属管道布置设计规范》，减压阀宜安装在水平管段上，并在减压阀前后设置直管段和旁路，阀前直管段600mm，阀后直管段1500mm，阀前安装过滤器，阀后安装安全阀；PCV-01的减压阀压差为2.9MPa，选用膜片活塞式减压阀。

5 配管设计

减温器后应安装直管段，以保证最低雾化混合距离，防止水雾吸收不完全。本套减温器厂家给定的直管段安装距离分别为E-01直管段6m，E-02直管段4m。管道布置应保留足够的直管段并控制管道的柔性，由于布置场地空间有限，管道进行并排布置。管道布置图见图2。

图2 管道布置图

6 结论

分体式减温减压器的设计其核心内容为设计减温器的尺寸和减温水量的匹配，严格控制管道内蒸汽流速才能发挥出减温器的作用并保证管路的安全，流速过大将导致管路阻力过大，流速过小将影响水雾的吸收。不同品牌的减温器及减压阀其结构略有不同，在设计时应通过供货产品特性进行二次设计以完成项目的设计工作。SP公司的减温减压系统于2015 年11月建成投产，至今运行正常，佐证了设计的正确性。

[1]TSG D0001—2009.压力管道安全技术监察规程[S].

[2]SH3059—2012.石油化工管道设计器材选用规范[S].

[3]GB150—2011.压力容器[S].

[4]SH3012—2011.石油化工金属管道布置设计规范[S].

[5]李广军，王彦枝.喷水型减温减压器分体式结构的设计与分析[J].阀门，2015，（4）.

[6]周翔.浅谈减温减压器系统的设置及工艺计算[J]，科技创新导报，2015，（22）：153-154.

Steam Desuperheating & Decompression device Design

Xu Wen-geng

Introducing the design process for Steam Desuperheating & decompression device of SP CO.，LTD，including steam pipeline、desuperheating & decompression device calculation and design，etc.，and lists the main design specifications，it through the operation of the actual test，reached the desired effect。

steam desuperheating & decompression device；steam；piping design；desuperheating & decompression device design

TQ050

A

1003-6490（2016）08-0053-03

2016-08-10

徐文赓（1981—），男，江苏南京人，工程师，主要从事化工设计行业工作。