化工工艺管道蒸汽伴热系统设计研究进展

胡宝玉

摘要：化工管道运输过程中蒸汽伴热系统在其中起到至关重要的作用。针对目前生产实际中对蒸汽伴热系统设计缺乏重视，设计存在不够完善、不够统一、不规范，同时现有的计算方式较为落后等问题，采用先进的计算机数值模拟技术，能够实现精确计算伴热效果和传热效率，优化蒸汽伴管设计，减少热损失。

关键词：化工工艺管道；蒸汽伴热系统；系统设计

1 引言

作为一个有效的管道保温和防冻措施，伴热已广泛应用于化学工程建设。其工作原理是利用伴热介质放出一定的热量，通过直接或间接的换热来补充伴热管道的热损失，达到加热、保温、防冻的目的。由于蒸汽使用方便，凝结水潜热大，温度调节方便，应用范围广，在设备中被广泛用作伴热介质。

2 蒸汽伴热管道系统设计的概述

随着科学技术的不断发展，目前在化工工艺管道伴热系统中应用的伴热管道主要有：蒸汽管道伴热、夹套伴热、电伴热等几种形式。而其中因为蒸汽伴热管道的取用非常方便，并且在应用过程中其冷凝潜热大，对于其温度也非常容易进行调节，所以化工工艺伴热管道中蒸汽伴热是一种非常常见的伴热方式。蒸汽伴热管道系统由以下几个部分组成：总管、支管、伴热管、保温箱、疏水器、冷凝液管、回水支管、回水总管、切断阀等。

2.1 蒸汽伴热管道系统图

伴热系统图中为蒸汽总管、蒸汽进口管、冷凝水总管、冷凝水引出管、蒸汽分配站、冷凝水收集站。分配站以及收集站应有相应的编号。分配站与收集站应注明伴管的起始点、编号和被伴热工艺管线号，每根伴管上应有两个相同的标签，一个安装在蒸汽分配站上，另一个安装在冷凝水收集站上，便于查找。

2.2 蒸汽伴热系统的设计要求

2.2.1 蒸汽分配站设计的一般要求

（1）一般情况下，蒸汽分配站的布置方式为卧式（水平）安装，以利于蒸汽的均匀分配。

（2）蒸汽分配站的设置范围应合理，一般是在装置3m的半径范围内，至少需要3个伴热供汽组的地方均应设置分配站。其位置应尽可能设置在靠栏杆、平台、墙、柱等地方，并且尽量减短伴管前的长度，以便于操作且容易支撐。

（3）分配站的蒸汽进气管应从蒸汽总管自分配站的顶部引入伴热供汽管道（即蒸汽伴热管道）应从配汽站顶部或水平方向拉拔。分配站应设置疏水阀，低点应设置排水管道和截止阀。供应管道的截止阀通常位于出口位置的水平管道上。

（4）对于DN40主管道的配汽站，DN15（或DN20）支管数量不应超过6支，而对于DN50主管道的配汽站，DN15（或DN20）支管数量应控制在10支以内。一般情况下，每个配汽站应预留至少一个备用出口，以便在紧急情况下进行配汽。备用出口应该配置阀门，并用螺纹帽或法兰帽密封。

2.2.2 蒸汽伴管设计的一般要求

在设计蒸汽伴热系统时，需要选择合适的蒸汽伴热管的尺寸和数量。伴管尺寸通常情况下选用DN15，必要时也可选用DN20。工艺管道所需的配套管道数量由工艺管道的公称直径决定。一般情况下，工艺管公称直径小于100mm时设置一根伴管，直径150-450mm时设置两根伴管，直径大于500mm时设置三根伴管。

2.2.3 蒸汽伴管的设置

（1）在需要伴热的工艺管道的最高点引入蒸汽伴热管。它们应该沿管道从高到低设置，并保留在最低点。尽可能使冷凝水自流到冷凝液收集站，避免袋形弯或减少U形弯上行的总高度，以降低液阻和气阻发生的可能性。

（2）每个蒸汽伴流管都需要配置单独的蒸汽供应阀和疏水阀。不宜同时使用多个蒸汽伴管和疏水阀。蒸汽凝结水通过疏水阀后不需要回收的，应当集中排放。

（3）对于被伴热的工艺管道上经常需要检修和拆卸的地方（如控制阀、安全阀、转子流量计等），蒸汽伴管应采用活接头或法兰连接的方式，伴管的分支采用三通连接。

（4）被伴热工艺管道水平放置时，伴管应设置在其下方或两侧；被伴热工艺管道垂直放置时，伴管（数量≥3根）宜围绕其均匀铺设。

2.2.4 冷凝液收集站设计的一般要求

（1）冷凝液收集站的设置范围应合理，通常在装置3m半径范围内至少需要3根冷凝液管组时应设置冷凝液收集站，其位置应使伴热后的管道尽量短，具体形式根据管道布置设计的需要而定。

（2）蒸汽伴管在离开被伴热工艺管道后，在进入冷凝液收集站之前的各伴管接口处都需设置各自独立的蒸汽疏水阀和切断阀。冷凝液收集站上设置的接管数量应合理，DN40冷凝液收集站的接管口不应多于6个，DN50冷凝液收集站的接管口应不多于10个。所有的冷凝液收集站均应设置1～2个预留备用口，并配置相应的阀门，用法兰盖或螺纹管帽予以封闭。

（3）蒸汽冷凝液回收管应从冷凝液主管的顶部接入，蒸汽冷凝液支管应从伴热站的顶部或水平接出。冷凝液总管上的切断阀，应就近安装在出口附近的水平管段上，以便于安装操作和检修。当冷凝液收集站的位置低于蒸汽冷凝液总管时，冷凝液会发生回流并可能会产生闪蒸蒸汽，因此需要在冷凝液总管上设置止回阀。

当蒸汽伴生管中的凝结水不需要回收时，应通过装置附近的污水出口就地集中排放。排污口的安装不得对人体造成危害，不得腐蚀周围的管道和设备，保证正常生产。

2.3 伴热管材料的选用标准

伴热管一般有碳钢管、不锈钢管以及紫铜管三种材料可供选择。目前国内化工厂的伴热管道主要有碳钢管和不锈钢管。这主要是基于成本考虑。虽然铜管具有较好的传热效果，但其成本远高于前两种。

蒸汽伴管的规格一般为碳钢管有DN15、DN20和DN25三种，不锈钢管则主要为φ15×1.2、φ12×1.2两种。正常情况下，伴汽管的选材与蒸汽总管选材一致。即蒸汽伴流管为不锈钢时，蒸汽总管也为不锈钢，便于两者之间的焊接。

3 蒸汽伴热设计存在问题和优化策略

目前，环境保护和经济效益的要求使得化工蒸汽伴热管道的设计具有更高的要求。此外，流动数值传热方法和商用软件的发展为提高传热效率、降低能耗提供了计算工具和依据。工厂集成化设计思想运用，为蒸汽伴热管道设计提供新的设计思路和方案存在以下3个问题：

（1）蒸汽伴热系统设计中存在着不完善、不均匀、不规范等问题，给现场施工人员带来了不便。

（2）伴热效果和传热效率的计算精度不够。目前，大多采用经验公式来计算伴热效果和传热效率。误差较大，造成不必要的热损失，成本增加。

（3）目前设计缺乏系统工程的思想，设计理念落后，创新性不足。

针对目前存在问题，结合多年工程实践经验，调研当今工程设计的经验和成果，研究认为：首先，行业需要提高设计师规范意识，在设计过程中严格遵守设计规范，建立严格的检查监督机制。其次，树立精细设计的理念，利用流动数值传热软件进行传热和过程模拟，计算准确的蒸汽消耗，优化配套管道的设计，减少不必要的热损失。最后，采用综合设计的方法来促进整体设计。利用三维软件对蒸汽跟踪系统进行了仿真。通过建模，形成更加直观的整体设计。修改前的碰撞检测中发现了问题，使设计更加合理有效。

4 结语

随着化工的不断发展，蒸汽伴热系统在化工生产系统中的重要作用越来越明显。优良的蒸汽伴热设计不仅可以节约成本，而且可以有效地保证设备和管道运行的安全性和耐久性。从设计的角度来看，蒸汽伴热管道的设计应多方面考虑，并结合各种因素的综合考虑，才能实现最优设计。化工过程管道蒸汽伴热设计不仅可以节约化工过程成本，而且可以有效地保证设备的安全性和耐久性，具有重要的意义。

参考文献

[1]徐洁，曹文翔.化工工艺管道蒸汽伴管的设计探究[J].石化技术.2017（11）

[2]党程程.化工工艺装置蒸汽管道配管设计研究[J].盐科学与化工.2017（09）

（作者单位：洪阳冶化工程科技有限公司）