化工装置设备及管道防冻设计要点分析

2014-10-11段中华张洪伟中国五环工程有限公司武汉430223

化工设计 2014年4期

段中华张洪伟中国五环工程有限公司武汉430223

北方的寒冷地区，合理的管道防冻设计对于化工装置的正常运行尤为重要。由于管道防冻设计失误而造成系统或装置停车的案例时有发生，由此带来的后果轻者停车检修、整改、疏通，重者管道、管件以及设备冻坏，进而给生产带来重大的经济损失，这种由小小的防冻问题而引起的重大生产事故是应该避免发生的。

下面，笔者从几个方面来分析和论述化工装置管道防冻设计需要注意的问题。

1 设备布置

在北方寒冷地区，化工装置中合理的设备布置尤为重要，在国家现行有关规范的许可下，从管道防冻设计出发，有针对性地对设备进行优化布置，可降低化工装置中管道的防冻设计难度。

1.1 利用框架封闭布置

对于装置框架内EL0.000层布置的设备，可利用框架第一层的局部空间，在方便检修的前提下将泵及转动设备集中封闭布置，分为以下三种情况进行考虑。

(1)工艺介质为比空气轻的易燃、易爆的介质(气体)，其泵房内可开水沟(收集泵房内地表面冲洗污水用)，沟与泵房外的污水收集井相连(沟在泵房外是封闭的，有防冻功能)。

(2)工艺介质为比空气重的易燃、易爆的介质(气体)，其泵房内则不能开沟。此时，可利用土建的自然坡度坡向泵房内一侧，在低点设一处或多处带水封的地漏(室内)，用来收集泵房内的地表面冲洗污水，地漏管线与泵房外污水收集井相连。

(3)工艺介质为易燃、易爆的液体介质，其泵房内也不能开沟。此类情况可采取防火隔离(分区)、单独布置、增加围堰、监控和安全连锁等措施来解决。

以上三种方式都能较好地解决设备的防冻问题，同时也可将泵所需的冷却水管道引入泵房内，这样冷却水管道的防冻问题也得到较好的解决。

1.2 利用管廊封闭布置

对于露天布置的设备，可利用装置管廊或全厂管廊下方的空间将泵及转动设备集中封闭布置。其布置方式、措施及优势同1.1条所述。

1.3 半封闭布置

框架中的设备防冻，可采用半封闭的设备布置方式(将冬季的主导风向侧封闭)，从而实现半封闭布置的防冻设计。

1.4 蒸汽冷凝液回收系统的布置

蒸汽冷凝液回收系统应布置在尽可能低的地方，便于蒸汽冷凝液的回收与利用。

2 管道布置

2.1 蒸汽及冷凝液管道的防冻设计要点

(1)蒸汽冷凝液回收总管宜坡向冷凝液回收设备，管道设计尽量减少“液袋”的出现。

(2)冷凝液回收总管高度的设计应充分考虑疏水器的“背压率”问题是否能够满足要求。

(3)疏水器组不宜设旁路，见图1。

(4)疏水器组应设置可检测疏水器是否工作的检测阀(布置在疏水阀的下游)，见图1。

图1 疏水器组示意图

(5)疏水器及其前后切断阀宜采用法兰连接面形式，见图1。

2.2 放空与导淋管道的防冻设计要点

北方寒冷地区化工装置开车实例表明，包括蒸汽管在内的易冻介质管线上的导淋阀均出现过冻结或者冻坏的现象。因此，在设计和施工中，一定要保证易冻介质管道上的放空与导淋用切断阀门距离主管尽量近，一般而言，切断阀前的短管长度不宜超过100mm。对于承插焊阀门来说，两道焊缝之间的长度取值50mm是可行的，见图2。对于法兰阀门来讲，其配对法兰最好为对焊法兰，这样可以做到配对法兰与主管根部补强件之间直接焊接，保证两者之间距离最短，见图3。

图2 有短管的导淋示意图

图3 无短管的导淋示意图

2.3 循环冷却水的防冻设计要点

(1)循环冷却水总管的防冻措施一般采用在上水管和回水管的末端设连通管的形式，连通管距总管末端(盲板)最近，见图4。连通管自身的防冻可用伴热管来解决，或用微开阀门的方式，保持管道内小流量常流水以达到防冻的目的。

(2)循环冷却水总管在无法加连通管的部位，可利用支管靠近总管末端(盲板)连接，尽量消除死角，防止管道端部冻结，见图5。

图4 上水与回水连通管示意图

图5 支管与主管连接示意图

2.4 公用物料站的新鲜水及蒸汽的防冻设计要点

凡是有易燃、易爆工艺介质存在的化工装置，通常需要设置公用物料站，公用物料站在消防及安全检修等方面的作用是不可或缺的。在正常运行中，公用物料站的使用很少，蒸汽(盲端死角处多数凝结成冷凝液)、新鲜水处于静止状态，而一旦遇到低温的环境，此类管线盲端死角极易冻结。因此在进行蒸汽、新鲜水管道的设计时必须要考虑管道的防冻设计问题，特别是框架布置的生产装置，要尽量减少管线死角，避免冻结隐患。

新鲜水管道防冻设计见图6，应尽可能减小各个支管与总管之间的距离，新鲜水总管在被伴热的条件下，支管可避免冻结，各支管不需要伴热。

图6 新鲜水防冻设计示意图

同理，蒸汽管道防冻设计见图7。通过将支管切断阀门与主管之间的距离设置成最短，可有效解决管道的防冻问题。不同的是在蒸汽总管低点处应设置疏水阀组，在高点处设置放空阀(放空阀门微开，保持管道内蒸汽适当流动)，蒸汽总管可不需要伴热，各支管也不需要伴热。

图7 蒸汽管道防冻设计示意图

3 工艺措施

3.1 循环冷却水连通管的设置方法

详见本文2.3条所述。

3.2 伴热管的设置方法

(1)设备伴热管、管道伴热管、仪表伴热管应分开实施伴热。不同操作温度与压力的伴热管蒸汽不应回收到同一冷凝液回收系统中。

(2)伴热管的口径应大于DN15。

(3)每个蒸汽分配站上引出的伴热管的当量长度应相近。

(4)尽可能避免疏水器之前的伴热管产生低点。

(5)每个蒸汽分配站的蒸汽管应来自蒸汽总管的顶部。每个蒸汽冷凝液收集站的回收管应回至冷凝液总管的上方。

4 需要补充伴热的管道部位

4.1 安全阀进出口管道

图8是常见的安全阀进出口管道设计类型，管道内介质易冻且对人及环境有害(如液氨、火炬气、二氧化碳等)，安全阀出口管道加伴热的目的在于防止由于安全阀泄放导致出口管道迅速温降而引起管道内部结冰或结干冰而堵塞管道。

图8 液氨、二氧化碳等排放管道伴热示意图

图9也是常见的安全阀进出口管道设计类型，其介质易冻，但对人及环境无害(如水、蒸汽等)，可在安全阀出口附近的低点处开一个泪孔，目的在于消除安全阀出口处几点隐患:① 出口低点处液体无法排尽;②冷凝液的积聚;③安全阀内漏产生的液体。

图9 易冻介质排放管泪孔示意图

出口处增加蒸汽伴管，可消除出口液体结冻的可能性，使安全阀在冬季安全运行得到最大的保证。

4.2 易冻介质的旁路管线

对于易冻介质的旁路管线而言，由于管内部的介质在正常管线运行的时候是不流动的，因此在寒冷的环境下，旁路管内部的易冻介质很容易结冻，进而对旁路管线造成破坏，影响管线的运行安全。需要对易冻介质的旁路管线增加伴热设施，见图10。

图10 阀组的旁路伴热示意图

4.3 露天布置的泵

4.3.1 泵的进出口管道

对于露天布置的泵(主要指一开一备或多开一备或多开多备)，见图11，那些与正常运转的泵所连接管道的防冻本身是没有问题的，但是备用泵所连接的管线由于管线内部的易冻介质处于静止状态，因此需要增加伴热。由于各台泵之间成互为备用的管线，因此对于每一台泵来说，从防冻和暖泵的角度出发，其进出口管线均应增设伴热。

4.3.2 泵的冷却水管道

图11 泵进出口管道的伴热示意图

泵的冷却水管线分为上水管道和回水管道。由于泵对冷却水有温度要求，因此，在选用伴热的类型及温度时需要仔细推敲，以免因为选型不当引起诸如伴热管温度过高等问题的出现，造成机泵的损坏。

4.4 露天布置的公用物料站

(1)图6的情况下，新鲜水支管不需要伴热，但总管应进行伴热。

(2)新鲜水支管及总管需伴热，图12。

图12 物料站新鲜水伴热示意图

(3)一般情况下，公用物料站内气体管道(如氮气、工厂空气等)并不纯净，介质内部或多或少含有一定量的水份。由于支管末端气体长时间不流动，很容易积聚冷凝液，因此，该部位需要考虑伴热问题，见图13。

图13 物料站氮气或工厂空气加伴热示意图

4.5 露天布置的洗眼器

洗眼器用于人眼清洗，对温度有严格的要求，因此，露天布置的洗眼器及供水管道宜采用电伴热。

4.6 地漏支管及地漏总管

地漏支管及地漏总管是工艺防冻要求中最容易被忽略的部位，同时管道布置专业有时也忽视此类管道设计。在北方寒冷地区的地漏支管及地漏总管设计与其在南方地区的设计要求不同，对于水平布置的地漏支管和总管而言，其坡度要求应该更大一些，更便于液体介质在最短的时间内排尽。同时，坡度大也更利于管内固体沉淀物能够顺利地排出，减少管线堵塞的几率，这对地漏管线在冬季的防冻问题有直接的帮助。对于较高的框架，地漏总管的长度相对较长，这会增加排液的时间，冬季排液结冻的可能性极大，因此，给地漏支管及总管增加伴热管是必要的(最好是电伴热，防冻温度设定在10℃即可满足要求)。