寒冷地区蒸汽伴热系统的优化设计

赖智乐 郑 勇 刘 焱 於潜军

中国五环工程有限公司 武汉 430223马燕娟** 武汉凯迪电力环保有限公司 武汉 430223

寒冷地区蒸汽伴热系统的优化设计

赖智乐*郑 勇 刘 焱 於潜军

中国五环工程有限公司 武汉 430223马燕娟**武汉凯迪电力环保有限公司 武汉 430223

本文根据伴热的目的和寒冷地区的气候特点并结合煤化工的工程实例，从疏水阀的选型、蒸汽分配站和冷凝液收集站的设置、伴管直径与根数的选择、伴管长度的选择、导热胶泥的运用5个方面探讨了寒冷地区伴热系统的优化措施，这些措施对寒冷地区伴热系统的设计有重要的借鉴意义。

寒冷地区 蒸汽伴热 疏水阀 蒸汽分配站 冷凝液收集站 伴热管

在化工装置中，伴热是一种常见的补充设备或者管线热量损失、维持介质特性的方法。根据伴热介质的不同，主要分为蒸汽伴热(低压蒸汽和中压蒸汽)、热水伴热、热载体、电伴热四种。蒸汽伴热具有操作方便、升温速度快、加热范围大和运行成本低等特点，在现代化工装置中得到广泛的应用。本文结合寒冷地区煤化工装置的蒸汽伴热工程实例对蒸汽伴热系统的设计进行探讨。

1 管道系统伴热的目的

根据《石油化工管道伴热和加套管设计规范》SH/T 3040-2012的要求和煤化工的特点，下列类型的管道需要进行伴热设计[1]：① 需从外部补偿管内介质热损失，维持被输送介质温度的管道。如：冷却水管线，一旦环境温度低于0℃就有结冻的风险，就需要进行防冻伴热；② 在输送过程中，由于热损失而产生凝液并可能导致腐蚀或影响正常操作的气体管道。如：煤气化中的合成气管线，由于热损失合成气中的酸性气体冷凝造成管道材料的冷点腐蚀，需要进行伴热；③ 在操作过程中，由于介质压力突然下降而自冷，可能冷冻导致堵塞的管道。如：高压CO2的安全阀泄放，安全阀突然的减压CO2降温形成干冰，造成安全阀排放口的堵塞，从而造成安全事故；④ 输送介质的凝固点等于或者高于环境温度的管道。在寒冷地区除了要满足工艺管线对伴热要求，还要重点关注管线的防冻问题。在年最低气温低于0℃的地区许多无工艺伴热要求的管道都需要进行伴热，例如，不流动的液体管道如消防水管、仪表测量元器件如液位计等。

2 寒冷地区蒸汽伴热系统的合理划分

蒸汽伴热系统要满足工艺、防冻和装置开车顺序要求。在寒冷地区还需设计蒸汽伴热系统的退汽置换方案来预防伴热管的冻裂或冻堵；专门用于防冻、先运行和后运行工序的伴热子系统要做到可以独立切断。

根据北方寒冷地区某Shell煤气化装置的工程实例来优化蒸汽伴热系统的设置。项目所在地的最冷月平均气温在-18～-30℃之间，极端气温为-50℃以下。煤气化装置中磨煤及干燥工序和煤加压及进料工序需先开车直至煤粉粒度合格，后序的气化工序、除渣工序、湿洗工序、水处理工序才能进行开车，因而磨煤及干燥工序和煤加压及进料工序需设置单独的总管，并且一分为二，一路为工艺要求的伴热总管(常开)，另一路为冬季防冻伴热总管，当无需防冻时关闭防冻伴热总管的阀门，避免伴热温度过高损坏仪表测量元件和蒸汽浪费[2]。同时设置吹扫气管线，可以在装置停车后及时排净伴热系统内的冷凝液，避免冻管现象。煤气化装置伴热系统的设置见图1。

3 寒冷地区加强伴热的措施

3.1 合理选择疏水阀的类型

疏水阀是自动排除加热设备和蒸汽管道中的蒸汽凝结水及空气等不凝气体且不漏出蒸汽的设备。由于疏水阀主要作用为阻汽排气，它可使蒸汽加热设备均匀给热，充分利用蒸汽的潜热防止蒸汽管道发生水锤。

图1 蒸汽伴热系统图

在疏水阀选用时，首先要根据使用条件和安装位置比较各种疏水阀的技术性能选用最为适宜的疏水阀形式，再依据疏水阀的前、后的工作压差和凝结水量，选定疏水阀的规格和数量[3]。

根据北方寒冷地区项目的经验，当采用间断排水的疏水阀时，在-10℃的室外环境中不足12h，倒吊桶疏水阀的底盖焊缝就被冻裂，甚至由于冷凝液结冻体积膨胀将疏水阀的底盖撑掉的现象。因此在寒冷地区疏水阀类型必须是具备连续排水的功能，从而保证伴热系统中的冷凝液可以及时的排出，例如自由浮球式。目前该煤气化装置的伴热系统运行已满2年，经历了-30℃的严寒，目前选用的自由浮球式疏水阀运行稳定，没有出现伴管和疏水阀冻坏的现象。伴热系统中常用的机械式疏水阀的特点见表1。

3.2 分配站和收集站的设置

蒸汽分配站和冷凝液收集站一般集中布置，便于分配站和收集站的检修、维护，而且整齐美观。每个分配站和收集站一般要预留2个备用口，便于在不影响伴热系统下增加伴热。在寒冷地区室外布置分配站和收集站时，要将备用口设计在分配管或收集管的非端部，来避免管道死区。蒸汽分配站的布置见图2；冷凝液收集站的布置见图3。

图2 蒸汽分配站的布置

图3 冷凝液收集站的布置

3.3 伴管直径与根数的选择

目前，国内外工程公司常用的伴热管直径有DN15、DN20和DN25三种。采用多根小直径的伴管可以增加伴热的接触面积，但是小直径的管道汽量相对较小，伴管的长度相对较短。伴热根数的选择与被伴管线的口径、伴热蒸汽的压力、被伴介质的输送温度、环境的温度、是否采用伴热胶泥等因素密切相关。根据SH/T 3040-2012并结合本公司的工程经验，设备的伴热一般采用DN25的管子，管道的伴热一般采用DN20的伴管。当采用DN15的蒸汽伴管，由于蒸汽伴管大多采用现场煨弯，对弯管的完全半径有要求，且伴管内径较小，现场施工制作出的弯管往往造成流道面积减小，从而造成蒸汽流动不畅，再加上极端的气温，易造成伴管冻堵和冻裂。因而建议采用直径为DN20的伴管。伴管的根数，见表2。

表2 伴热根数的设置

3.4 伴管长度的确定

伴热蒸汽管的长度和伴管的直径、蒸汽压力和环境温度等诸多因素有关，且传热效果的计算复杂且影响因素众多，目前无确切的计算方法[4]。各工程公司都是结合本公司的经验来规定伴管的长度，见表3。

表3 不同压力下伴热蒸汽管最大长度比较 (m)

综上所述，中石化允许的伴管长度相对较长，过长的伴管长度会造成管道阻力降和热损失的增大。在寒冷地区建议缩短伴管的长度，避免因热损失的不断增大，影响伴热的效果。

3.5 导热胶泥的运用

伴热管的热损失主要来自伴热管和被伴热管道之间的间隙。伴热管和被伴热管道之间为线接触，通过导热胶泥传热为面接触，增大热传导的面积、建立高效低热阻的传热通道，从而提高传热效率、降低能耗、改善传热均匀性。但是由于传热面积的增大和单位长度伴热管传递能量的增加，会使有效伴管长度减小。埃索公司做的三种伴热方式的对比见图4[2]。

图4 三种伴热方式的对比

该图清楚的表明采用伴热胶泥后，伴热效果得到了明显的增强。在设计寒冷地区的伴热系统时，应在伴管和被伴管间填充导热胶泥来增强伴热效果。

4 寒冷地区伴热的工程实例

4.1 液体管线旁路的伴热

在化工装置中，介质为液体的工艺管线由于介质的连续流动，这些管线可以不采取防冻措施；但是管线上调节阀组旁路存在管道布置的死区，见图5。该部位需要设计伴热来解决旁路结冻问题。

图5 阀组旁路死区需要伴热

4.2 消防水和楼面冲洗水管线的伴热

在煤气化装置中设计的消防水管线和楼面冲洗水管线是不需要经常启用的，因而这些管线就需要在装置界区阀前采取防冻措施，例如建立水循环、增设长流水阀或者增加伴热。利用水循环需要泵不间断的运转比较耗能，同时增加了巡检的任务；增设长流水阀可以起到一定程度的防冻，但是在运行时常常出现收集槽结冻的现象，还需要定期的清理收集槽[5]；采用长流水阀防冻、增加伴热保温防冻、具体防冻形式见图6。

图6 长流水阀和伴管的防冻形式

4.3 消音器排液口的伴热

在化工装置中通常将消音器布置在框架的顶部，这样既可以满足标准规范对气体排放的要求，也可以减小噪音，改善工作环境。但是当气体中含有水分时，在通过消音器放空减压时会有液体析出。消音器的排液口通常为DN25，在寒冷地区由于这些液体不能及时排出，会在消音器内大量的积聚结冻，逐渐将消音器的进口堵塞，使管道憋压存在安全隐患。为避免该种情况的发生，可以在消音器底部的排液管线增加防冻伴热，并集中收集。

4.4 液位计的伴热

由于液位计上下2个管口之间的液位不流动，在低温的情况极易发生结冻现象。因此选择液位计可选择自带伴管接口的夹套型液位计，直接连接伴管即可，安装方便、伴热均匀、也利于液位计的检修。针对没有伴管接口的液位计，需要利用伴管煨弯进行伴热并对液位计进行局部保温。

5 结语

在设计寒冷地区化工装置的伴热系统时要综合考虑工艺、防冻、开车顺序、伴热系统内部二级系统的相对独立性、退汽置换方案等要求；还必须在疏水阀的选型、蒸汽分配站和冷凝液收集站的设置、伴管直径与根数的选择、伴管长度的选择、导热胶泥的运用5个方面合理优化伴热系统以增强伴热效果，从而保证整个装置可以稳定高效长周期的运行。

1 SH/T 3040-2012. 石油化工管道伴热和加套管设计规范[S].

2 张德姜，赵勇等.石油化工工艺管道设计与安装[M].北京：中国石化出版社，2002.

3 陈 蓉，沈显超.浅析疏水阀的选型和配管[J].化肥设计.2014(4):25-28.

4 陈让曲.石油化工厂蒸汽伴热系统问题讨论[J].配管技术，1996(26)：51-56.

5 郑学锋，段中华. 化工厂工艺管道防冻保温设计方法[J].化肥设计.2008(19):19-22.

*赖智乐：工程师。2010年毕业于郑州大学化学工程与工艺专业获硕士学位。从事化工工程设计工作。联系电话：17786535901，E-mail：yuqianjun@cwcec.com。

**马燕娟为本文第二作者。

2017-08-14)