1、秘管渡米 石油化工设计 Petrochemical Design 工艺装置蒸汽伴热管的设计与计算 张发有 (中国石化工程建设公司，北京100101) 摘要：石油化工装置有很多管道需要用伴热的方法以维持生产操作及停输期间管内介质的温度，蒸 汽是装置中广泛采用的一种伴热介质。蒸汽伴热设计在配管设计中占有重要的位置。但是大家不太重 视蒸汽伴热设计，伴热设计也不统一、不完善，给施工和操作带来不便。笔者旨在引导大家正确进行蒸汽 伴热管设计和计算。 关键词：蒸汽伴热管；保温厚度；伴热管根数；蒸汽疏水站 石油化工装置有很多管道需要用伴热的方法 以维持生产操作及停输期间管内介质的温度。工 艺装置中常见的伴热介
2、质有热水、蒸汽、热载体和 电伴热等。而蒸汽是装置中广泛采用的一种伴热 介质，取用方便，冷凝潜热大，温度易于调节，使用 范围广。1000 kta乙烯装置有超高压蒸汽(13 MPa)、高压蒸汽(4 MPa)、中压蒸汽(16 MPa或 10 MPa)和低压蒸汽(04 MPa)4个蒸汽系统；其 他工艺装置一般有高压、中压和低压三个蒸汽系 统。用于伴热的是中压和低压两个蒸汽系统，基 本上能够满足工艺装置中工艺管道的使用要求。 石油化工装置伴热管道的伴热方式有内伴热 管伴热、外伴热管伴热、夹套管伴热和电伴热。其 中，外伴热管伴热应用最广泛，一般操作温度在 170 oC以下的工艺管道都可以采用，同时，施工、
3、生 产管理及检修都比较方便。 1蒸汽伴热管设计的改进和完善 石化行业标准石油化工管道伴管和夹套管 设计规范SHT3040-2002对蒸汽伴热管设计做 出了规定 ，对统一和指导蒸汽伴热管设计起到 非常重要的作用。但在标准实施过程中，特别是 通过对最近几轮百万吨乙烯工程各装置蒸汽伴热 管设计进行认真研究和不断总结，发现石化行 业标准需要进一步修订和完善，蒸汽伴热管设 计需要进一步改进和统一，归纳修订建议意见 参见表1。 2管道伴热设计原则 管道伴热设计，一般情况下仅考虑管内介质 在输送过程或停输期间的热损失，以维持所需的 操作温度，不考虑管内介质的升温。对于工艺装 置的下列管道应采用伴热管伴热或夹
4、套管伴热。 (1)需从外部补偿管内介质热损失，以维持被输 送介质温度的管道。(2)在输送过程中，由于热 损失管内介质产生凝液，并可能导致腐蚀或影响 正常操作的气体管道。(3)在输送过程中，由于 管内介质压力突然下降而自冷，可能冻结导致堵 塞的管道。(4)在输送过程中，由于热损失管内 介质可能析出结晶的管道。(5)在输送过程中， 由于热损失造成管内介质粘度增高，系统阻力增 加，输送量下降，达不到最小允许量的管道。(6) 在切换操作或停输期间，由于热损失造成管内介 质温度下降，介质不能放净吹扫而可能凝固的管 道。(7)输送介质的凝固点等于或高于环境温度 的管道。(8)输送介质的露点等于或高于环境温
5、 度的管道。 3各种温度数据的选取 进行蒸汽伴热管设计与计算时，要正确选取 收稿日期：20100317。 作者简介：张发有，男，河南新郑人，1984年毕业于华 东石油学院基本有机化工专业，工学学士，高级工程 师，一直从事于石油化工装置配管设计工作。联系电 话：01084877316；Email：zhangfyseitomcn 第27卷 张发有工艺装置蒸汽伴热管的设计与计算 43 表1 SI-IT 30402002修订建议 序号 事项 现行标准 建议改为 说明 历年最冷月份平均温度 考虑管道全年运行，应取历年的年平均 1 环境温度取值 历年的年平均温度的平均值 的平均值 温度的平均值 2 伴热蒸
6、汽压力取值 03MPa、10MPa 04MPa、10MPa、16MPa 增加常用的伴热蒸汽 被伴热介质维持温度取 取输送介质终端温度或操作 3 没有规定 后者给出明确的定义和取值要求 值 温度 后者给出计算公式正确，计算的数据准 4 保温厚度计算 按SH3010规定 按GB50264规定 确 分4个不同环境温度进 从北到南取五个不同地区环 5 伴热管根数及管径 境温度进行计算，计算结果列 后者针对性强；计算的伴热管根数及管 行计算，计算结果列表 径准确、实用 表 没有伴热胶泥使用经验，建议取消了带 6 带伴热胶泥伴热 有 取消 伴热胶泥伴热的内容 蒸汽分配站和疏水站引 后者扩大了引入(出)管管
7、径，更合理， 7 DN25、DN40、DN50 DN40、DN50、DN50 入(出)管管径 前者管径偏小 疏水阀前没有设置切断 疏水阀前设置切断阀和排污 8 蒸汽疏水站的设计 阀和排污阀；凝液导管间 阀；凝液导管间距规定150 后者对蒸汽疏水站的压力试验、吹扫、 操作和检修提供了便利 距规定100 111133 Into，上下错开150 Into 各种温度数据，包括环境温度、伴热介质温度以及 被伴热介质温度。 (1)环境温度的选取：环境温度的选取应与管 道的运行情况有关。位于采暖建筑物内，环境温 度取2O c【=；位于室外、敞开或半敞开建筑物内，环 境温度取历年的年平均温度的平均值。当管道仅
8、 需要防冻伴热时，环境温度取运行期日平均温度 的平均值。 (2)伴热介质温度的选取：对于蒸汽伴热，伴 热介质温度取伴热蒸汽压力下对应的饱和蒸汽温 度。装置内蒸汽一般为过热蒸汽，过热5O左 右。但对于蒸汽伴热，主要利用蒸汽的潜热，所以 伴热介质温度取饱和蒸汽温度，而不是过热蒸汽 操作温度。石油化工装置伴热蒸汽压力一般为0 4 MPa、10 MPa和16 MPa，对应的饱和蒸汽温度 分别为151 oC、183 oC、203 oC。 (3)被伴热介质维持温度的选取：被伴热介质 维持温度应根据不同工况选取。当需要伴热维持 管内介质正常流动时，被伴热介质维持温度应选 取管内介质正常流体的最低温度；当需要
9、伴热保 持管内介质操作温度时，被伴热介质维持温度应 选取管内介质的操作温度。 被伴热介质维持温度取值的高低对于管道保 温厚度和伴热管根数的计算影响非常大，要正确 选取。伴热介质温度与被伴热介质维持温度有一 定的关系。伴热介质温度宜高于被伴热介质维持 温度30以上。如果伴热介质温度与被伴热介 质维持温度的温差较小，计算的伴热管根数会明 显增加，造成装置一次投资费用增加。 4伴热管材料及保温材料的选用 伴热管宜选用DN15、DN20无缝钢管；但对于 伴热管施工困难的场合，如机泵、阀门、过滤器、仪 表等不规则形状的表面，伴热管可采用dpl0mm、 dp12mm紫铜管或不锈钢管。 管道保温宜选用硬质或
10、半硬质圆形保温材料 制品，在被伴热管与保温层之间形成一个“加热空 间”，如图1所示。被伴热管道外壁与保温层内壁 之间的“加热空间”很重要，这样被伴热管通过隔 热层散失到四周大气中的热量，在伴热计算中可 以忽略不计，热损失和伴热管根数的计算公式大 为简化，计算的伴热管根数也较少。 (a)单根伴热管 (b1双根伴热管 图1加热空间 如选用软制保温材料时，应在伴热管与保温 层之间加铁丝网以保证加热空间。如图2所示 石油化工设计 第27卷 软制保温材料存在加热角(图中 )和散热角(图 中O)。在软制保温材料施工过程中，不能用保温 材料或勾缝用料堵塞或填充加热角，否则加热角 绝大部分转变为散热角，会大大
11、降低伴热效果，伴 热管根数也需要增加。 (a)单根伴热管 (b)双根伴热管 图2加热角和散热角 1一加热空间；2一保温材料；3一被伴热管道 2 3 5保温厚度的计算 当工艺无特殊要求时，保温厚度应采用“经济 厚度”法计算。若经济厚度偏小以致散热损失量 超过最大允许散热损失量标准时，应采用最大允 许热损失量下的厚度。采用“经济厚度”法计算保 温厚度无相关数据时，可采用最大允许热损失量 下的厚度。 本文表2中的保温厚度为不同管径的管道， 当被伴热介质维持温度分别为100 oC、150、200 时，按最大允许热损失量计算的并经过园整的 厚度。 计算保温厚度时，正确的导热系数参考方程 为工业设备及管道
12、绝热工程设计规范GB 50264-97附录A中的导热系数参考方程A：A。 +000018(Tm一70) 。石油化工设备和管道 隔热设计规范SH 3010-20003 的导热系数参考 方程A=A。+000018Tm有错，计算的保温厚度偏 厚，造成装置一次投资费用增加。 管道的最大允许热损失量可查阅工业设备 及管道绝热工程设计规范GB 50264-97附录B。 6伴热管根数的计算 在确定了管道保温厚度的基础上，可以通过 下式计算伴热管根数。 d=K(tt )(2A) In( ) + (oLDo)一 +( iDi)一 (t。 一t) n-ddo 以北京地区为例，当环境温度为114，蒸 汽伴热介质温度
13、分别为151、183、203时， 不同管径被伴热管的伴热管根数及管径见表2。 表2伴热管根数及管径(nDN) 被伴 保温厚度(mm) 伴热管根数及霄径(n x DN) 伴热管根数及管径(nDN) 伴热管根数及管径(n x DN) 蒸汽温度151 qc时 蒸汽温度183时 蒸汽温度203 oC时 热管 被伴热介质维 管径 持温度 被伴热介质维持温度，cc 被伴热介质维持温度C 被伴热介质维持温度 (DN) l0o l5O 200 70 I 80 90 100 I 110 120 90 l00 l1O 120 130 14O 15O 110 I 120 13O 140 l5O l6o l70 15
14、 40 50 50 20 40 50 50 25 40 50 60 40 40 50 60 50 40 50 60 1xl5 1xl5 1xl5 80 40 50 6o 100 40 60 70 150 50 60 70 J 2o0 50 60 70 3xl5 250 50 60 70 2xl5 3x15 3oo 50 60 80 350 50 60 80 2xl5 3xl5 2l5 3x15 4xl5 4oo 50 60 80 4x15 450 50 60 80 lx20 2x20 3x20 lZU 3x20 4x20 lx20 Z U jx u 4x20 500 50 60 80 第27卷
15、 张发有工艺装置蒸汽伴热管的设计与计算 45 7伴热管最大允许长度的计算 一般情况下不直接计算伴热管最大允许长 度，而是根据伴热管最大允许长度，计算蒸汽在伴 热管中的流速，从而判断伴热管最大允许长度数 据是否合适。工程规定中蒸汽伴热管最大允许伴 热长度见表3。 表3蒸汽伴热管最大允许伴热长度 m 可以通过下式计算最大允许伴热长度下蒸汽 在伴热管中的流速。最苛刻条件下(最苛刻条件 是指在本文表2中被伴热管管径最大、介质温度 最高同时伴热管根数最少的情况)蒸汽流速计算 实例见表4，其他条件下蒸汽流速都不会大于表4 中数值。 表4蒸汽流速计算事例 式中符号说明 计算l计算2计算3计算4 热损失附加系
16、数K 125 125 125 125 被伴热介质温度tE 80 8O 100 100 环境温度toC 114 114 114 114 放热系数o1(Wtn-2 ) 2244 2244 2244 2244 放热系数 _(Wm-2-1)1395 1395 1395 1395 保温 数a(wm )0040 0040 00418 0o4o9 伴热介质压力(表)PMPa 04 04 10 10 伴热介质温度 151 151 183 183 被伴热管公称直径DN 400 500 400 500 伴热管公称直径DN 15 20 15 20 被伴热管外径Dm 0406 0508 0406 0457 伴热管外经
17、dom 0，022 0027 0022 0027 保温厚度mm 50 50 50 50 保温层内经D；m 0428 0535 0428 0484 保温层外经 m 0528 0635 0528 0584 伴热管最大允许长度Lm 50 60 60 70 冷凝潜热( 一Hi)(kJkg )2108 2108 2001 2001 伴热介质密度p(kgmI3) 2612 2612 5507 5507 伴热管内经d m 0016 0021 0016 0021 伴热管根数no 1 1 1 1 计算的管道散姑 量g1W 46787 68837 75479 98483 计算的蒸汽耗量gl(kgh ) 999 1
18、470 1699 2215 计算的蒸汽流速u(ms ) 529 451 426 323 伴热管最大允许长度是否合适 合适 合适 合适 合适 q =1TK(tt )Ll(2A) In(D0Di)+ ( 。) +(aiDi) g1=36Kql(H 一Hi) g1=耵di (3600u)hop4 8蒸汽疏水站的设计 以前工程项目蒸汽疏水站的设计，由于想节 省一些管道材料，疏水阀前没有设置切断阀和排 污阀，凝结水导管问距大多为100 mm，这样对施 工、吹扫、操作和检修都非常不便。蒸汽疏水站 (见图3)疏水阀前不设切断阀，在伴热管系统压 力试验时，伴热管系统不能与疏水阀有效隔开，可 能造成疏水阀破坏；
19、没有排污阀，在伴热管系统吹 扫或停运再投运时，污物或铁锈全部冲进疏水阀， 造成疏水阀堵塞或破坏。所以建议蒸汽疏水站疏 水阀前需设置切断阀和排污阀，尽管增加了一些 费用，但对装置长、满、优运行是绝对有好处的。 高 图3蒸汽疏水站 标高：总管相对于平台或地面的管中心标高为500 mm 综上所述，设计好蒸汽伴热管并不简单，涉及 到温度数据的合理取值，保温厚度的合理计算，伴 热管根数的合理选择。蒸汽伴热管设计好，可以 做到节省投资、美化环境、施工容易、操作方便，对 装置的长、满、优运行起到有力的保证。 参考文献： 1 康美琴，张发有石油化工管道伴管和夹套管设计规范SI-I T 3040-2002S北京：中国石化出版社，2003 2 危道全，曹志湘，等工业设备及管道绝热工程设计规范GB 50264_97s北京：中国计划出版社，1997 3谷培韬，曹世雍，等石油化工设备和管道隔热技术规范 SH30102000s北京：中国石化出版社，2000
