1、浅谈工艺管道的伴热设计摘要:随着社会环保意识的增强,优化管道伴热设计以实现节能降耗愈发具有重要的意义。从 4 个方面探讨了通过管道伴热的优化设计实现节能降耗的可行性:统筹规划装五内伴热方案以实现伴管热量的充分利用, 减少了伴管的使用长度;将工艺管道伴热需求分类,按需求开启伴热;优化配管布置以实现减少伴管长度的目的;合理选用伴热介质以降低热量的消耗。 关键词: 管道伴热；节能；统筹规划；配管布置 中图分类号： TE08 文献标识码： A 管道伴热主要是防止管内介质冻结、凝固、组分分离、结晶、气体冷凝以及维持管内介质操作温度(粘度)。典型的应用实例有:管道水的防冻;熔融化学物质的传输如磷酸、硫、对
2、二甲苯;维持泵输送流体的低粘度如石油产品、聚合物等;避免燃料气的冷凝及其所导致的不正常燃烧;防止管送天然气里的湿气冷凝;防止调节阀组、备用泵的冻结;消除湿气冷凝引起的管道硫化氢腐蚀。 管道的伴热与否、伴热强度一般在基础设计阶段就已经确定, 而伴热方案的确定(如伴热站的设置)往往在详细工程设计阶段进行, 在当前石化行业快速发展的大背景下, 紧张的设计周期在一定程度制约了伴热方案的设计优化。那么, 在伴热设计上花更多的设计时间是否有必要? 答案是肯定的:(l) 伴热的成本并非一次成本还需加上后期的运行成本; (2 )借鉴商界的“长尾理论”即众多小市场可汇聚成与主流相匹敌的市场能量, 表明管道伴热的
3、节能优化设计有巨大的市场潜力。石油化工装置伴热管道的伴热方式分为内伴热管伴热、外伴热管伴热、夹套管伴热和电伴热。 1 伴热按装置统筹设计的方案的优势 一般来说, 一个装置都会划分成几个分区分别进行配管设计, 有时管道伴热设计也由各自的分区设计人来完成。管道的走向基本上是从设备到设备, 而两个设备常常会在不同的分区, 即一根管道经常要横跨不同的设计分区。分区管道伴热设计在应对这种情况时就会显得捉襟见肘, 它不仅会增加伴管长度和阀门数量, 而且相应地造成伴热效率降低。本文以一个极端的例子说明分区管道伴热设计的弊端,详见图 1 和图 2 。 图 1 和图 2 中的例子假定了有一根工艺管道同时跨越了
4、4 个分区, 图 1 表示的是管道按分区伴热时的方案, 图 2 表示的是管道按装置统筹伴热时的方案。图 l 的方案会在分区界面处产生或短或长的双伴热部分;而图 2 的方案不仅满足了工艺伴热的要求, 而且使伴管的热量充分利用, 节省了伴管长度与阀门数量。 图 1 管道按分区伴热时的方案 图 2 管道按装置统筹伴热时的方案 2 伴热按工艺需求的合理分类 需要伴热的管道有 7 类:(l)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, 由于热损失而产生凝液, 并可能导致腐蚀或影响正常操作的气体管道;(3)在操作过程中, 由于介质压力突然下降而自冷, 可能冻结导致堵塞的管
5、道;(4)在切换操作或者停输期间, 管内介质由于热损失造成温度下降, 介质不能放净吹扫而可能凝固的管道;(5)在输送过程中,由于热损失可能析出结晶的管道;(6)输送介质由于热损失粘度增高, 系统阻力增加输送量下降, 达不到工艺最小允许量的管道;(7)输送介质的凝固点等于或高于环境温度的管道。 这 7 类管道亦可分为:需连续伴热与间断伴热的管道。需连续伴热的管道还可以细分成受环境温度影响的与不受环境温度影响的;前者的判断标准是:当环境温度超过一定数值, 管道可不用伴热。SH/T3040石油化工管道伴管和夹套管设计规范规定了环境温度取历年最冷月份平均温度的平均值, 此规定可以最大程度地保证管道的全
6、年平稳运行, 但能源的浪费也是显而易见的,原因是我国大部分地区一年的气温变化是比较明显的。因此, 本文建议伴热强度的计算仍取历年最冷月份平均温度的平均值为环境温度, 但可将一年根据不同地区的气候变化规律划分成几组连续的时间段, 再分别取每段时间最冷月份平均温度的平均值, 然后按被伴热介质的工艺要求分别判定在各自环境温度下伴热开启的必要性。至于一年如何划分成几组连续的时间段,结合上述的分析,本文将被伴热管道分为 3 类: (1)不受环境温度影响的被伴热管道。此项可归为一类单独伴热, 例如, 同一(几)根蒸汽伴管只对此类管道伴热。 (2)受环境温度影响的被伴热管道。此项可根据上述几组时间段的环境温
7、度对被伴热管道的需求进行区分,合并同类项分开伴热。在装置运行期间,按不同时间段的需求开启或关闭伴热。 (3)间断伴热的管道。此项可归为一类单独伴热,只在需要时开启伴热。 3 被伴热管道的合理布置 被伴热管道的配管设计优化可以在一定程度上降低伴热投人和节约能耗。 3 .1 被伴热管道的集中布置 在符合工艺流程要求的前提下, 将具备条件的被伴热管道集中、靠近布置后,伴热导管的长度会缩短,热损失也相应减少,从而提高伴热效率。3 .2 管径较小的被伴热管道共用伴管 伴管(碳钢管)最小口径为 DN15,一般情况下其伴热能力对于管径较小的被伴热管道是过剩的,尤其是当伴热介质为蒸汽时。将伴热分类相同的小管径
8、被伴热管道集中在一起共用伴管,不仅可以最大程度地利用伴热能力,而且可以减少伴管长度和阀门数量。 3 .3 细化局部被伴热管道的设计 局部被伴热管道在工艺流程上可以较容易识别出来,但对于目前普遍采用三维模型( 以 PDMs 为例)进行配管设计的背景下,很难设置一根管道不同部位的伴热属性。局部被伴热管道的伴热对象如调节阀组、备用泵进出口管道(分支后、汇合点前),伴热目的是为了防止管道盲端部分的介质凝固,被伴热管道自身的温度有可能较高而且其下游可能是去换热器冷却。因此,如果将此类管道整根伴热,能源的浪费有叠加的可能。为了避免这种情况发生,可以在进行配管设计时将管道对应的管号人为拆分即给需伴热的管段单
9、独设置管号,对拆分出来管号单独设置管道伴热属性。 4 伴热介质的合理选用 外伴热管的伴热介质有:蒸汽、热水以及其他介质。本文讨论蒸汽和热水这两种伴热介质。 4 .1 蒸汽伴热 蒸汽伴热的优点是:(1)蒸汽的高热输出性可用于加热或伴热高凝点油品;(2)蒸汽伴热为管道提供了大量热量,具有可靠的伴热效果;(3)充分利用了石化行业中的季节性过剩蒸汽。 4 .2 热水伴热 热水伴热的优点是:热水伴热适用于管道维持操作温度不高或不能采用高温介质伴热的管道。热水伴热具有运行平稳、伴热均匀、易于操作等特点,不仅能有效利用余热,节约大量蒸汽,而且可以控制被伴热物料的温度,能防止物料变质。 4 .3 蒸汽伴热与热
10、水伴热的对比 首先,热水伴热本身就是将低温热充分利用的实践, 它的应用在一定意义上也是降低能耗的一种方法。此外,热水伴管的介质温度比蒸汽伴管低,采用热水伴热时的散热损失相应地会小于蒸汽伴热的散热损失达 20% 或以上,这在一些实践中也得到了证明。因此,在条件允许的情况下,尽量选择热水伴热对伴热系统的节能具有一定的效果,比如(l)介质温度要求较低的的工艺管道、输送介质温度或环境温度接近或低于其凝固点的管道,宜采用热水伴热;(2)液体介质凝固点低于 40的管道、气体介质露点高于环境温度且低于 40的管道及热敏性介质管道,宜采用热水伴热。虽然热水伴热在节能上有一定优势, 但是对于被伴热介质温度要求较高的场合,选用蒸汽伴热保证管道的平稳运行也是很有必要的。
