管道伴熱設計

DPDI工藝管道伴熱設計修改次數：02002-02-01主編配管室大慶石油化工設計院第1頁共18頁21工藝管道伴熱設計在石油化工企業(yè)中的管道，常用伴熱方法以維持生產操作及停輸期間管內介質的溫。確保管道的安全運行，由于工藝管道內的生產條件復雜,因此選用伴熱介質,確定伴熱方式都應取決于工藝條件。21.1.1伴熱介質（1）熱水熱水適用于在操作溫度不高或不能采用高溫伴熱的介質的條間下，作為熱源。當企業(yè)有一部分余熱可以利用，且伴熱點布置比較集中時，可優(yōu)先使用。（2）蒸汽蒸汽是國內外石油化工企業(yè)中廣泛采用的一中伴熱介質，取用方便，冷凝潛熱大，溫度易于調節(jié)，適用泛圍廣。石油化工企業(yè)中蒸汽可分為高壓、中壓及低壓三個系統，而用于伴熱的是中、低壓兩個系統，基本上能滿足石油化工企業(yè)中工藝管道的使用要求。（3）熱載體當蒸汽溫度不能滿足工藝要求時，可采用熱載體作為熱源。（4）電熱電熱是一種利用電能為熱源的伴熱技術。電伴熱安全可靠，施工簡便，能有效地進行溫度控制，防止管道介質溫度過熱。21.1.2伴熱方式(1)內伴熱管伴熱伴熱管安裝在工藝管道內部,伴熱介質釋放出來的熱量,全部用于補充主管內介質的熱損失。其結夠特點：熱效率高，用蒸汽作為熱源，于外伴熱管比較，可以節(jié)省15～25％的蒸汽耗量；但由于伴熱管它安裝在工藝管道內部，所以伴熱管的管壁應加厚。無封鋼管的自然長度一般為8～13米，伴熱管的焊縫不允許留在工藝管道內部，因此彎管的數量大大增多，施工工程量隨之加大，以及伴熱管的變形問題和此結夠不能用于輸送有腐蝕性及熱敏性介質的管道。一般很少用于石油化工企業(yè)工藝管道。（2）外伴熱管伴熱外伴熱管是目前國內外石油化工企業(yè)普便采用的一種伴熱方式，其伴熱介質一般有蒸汽和熱水兩種。伴熱管放出的熱量，一部分補充主官內介質的熱損失，另一部分通過保溫層散失到四周大氣中。當伴熱所需的傳熱量較大（主管輸送溫度大于150℃）或主管要求有一定的溫生時，常規(guī)伴熱設計將難以滿足工藝要求，需要多根伴熱。在這種情況下，應采用傳熱系數大的伴熱膠泥，填充在常規(guī)外伴熱管與主管之間，使它們形成一個連續(xù)式的熱結合體，這樣的直接傳熱優(yōu)于一般靠對流與輔射的傳熱。一根帶傳熱膠泥的外伴熱管相當于用3根相同直徑的常規(guī)伴熱管的作用。其結構如圖21.2.1所示。實踐證明帶傳熱膠泥的外伴管可以代替投資昂貴的夾套管及多根伴熱管。它能提供與夾套管一樣的傳熱效果。如圖21.2.2所示。圖21.2.1帶傳熱膠泥的外伴熱管圖21.2.2伴熱曲線（1）∮50/∮＞≥的夾套管伴熱；（2）∮9.5mm的銅管帶傳熱膠泥外伴熱；（3）∮9.5mm銅管外伴熱。綜上所術，外伴熱管在石化企業(yè)中能得到廣泛的應用，其主要原因有以下幾點：（1）適應范圍廣，一般操作溫度在170℃以下的工藝管道都可以采用。輸送有腐蝕性或熱敏性介質的管道，不能用內伴熱及夾套伴熱，但對于常規(guī)的外伴熱管，只要在主管與伴熱管之間用石棉板后，仍可采用。（2）施工、生產管理及檢修都比較方便。伴熱管損壞后，可以及時修理、既不影響生產，又不會出現產品質量事故。（3）帶傳熱膠泥的外伴熱管，它的熱傳導非常接近于夾套管。同時傳熱膠泥能對任何部分維持均勻的溫度。傳熱膠泥使用壽命長，具有優(yōu)良的抗震能力。在加熱與冷卻交替循環(huán)的操作條件下，不會發(fā)生破裂、剝落及損壞現象。傳熱膠泥也可用于電伴熱系統。（3）夾套伴熱夾套伴熱管即在工藝管線的外面安裝一套管,類似套管式換熱器進行伴熱.在理論上只要伴熱介質的溫度相同或略高一些,就能維持能管介質的溫度,這時蒸汽耗量只需滿足本身的熱損失,因此伴熱效率是比較高的。常用的夾套管基本類型分為:管帽式夾套管和法蘭式夾套管。夾套管伴熱耗鋼量大，施工工程量亦大。但它能應用于外伴熱管不能滿足工藝要求的介質管道。(4)電伴熱電伴熱可以有效利用能量，合理控制溫度。以往管道伴熱多用蒸汽作外供熱源，通過伴熱管補償其散熱損失。這種傳統的伴熱方式，伴熱所需維持的溫度無法控制；耗熱量大，安裝和維修的工作量大，生產管理不方便。采用電伴熱可以利用能量，有效控制溫度。電伴熱方式有感應加熱法、直接加熱法及電阻加熱法等。21.2.1伴熱設計原則21.2.1.1伴熱設計的原則(1)管道伴熱設計，一般情況下僅考慮補充管內介質在輸送過程或停輸期間的熱損失，以維持所需的溫度，不考慮管內介質的升溫。對于工藝有特殊要求，介質需要升溫的管道，可以選用特殊的伴熱方法進行升溫輸送。(3)伴熱用的蒸汽、熱水，一般應統一規(guī)劃，集中供應；其溫度、壓力參數應滿足管道伴熱的工藝要求。21.2.2管道伴熱的條件(1)在環(huán)境溫度下，需從外部補充管內介質的熱損失，以維持輸送溫度的氣體、液體管道。(2)在輸送過程中，由于熱損失產生凝液可能腐蝕或影響正常操作的氣體管道。(3)在輸送過程中，由于熱損失造成溫降可能析出結晶體的管道。(4)在操作過程中，由于壓力突然下降而自冷，可能導致結凍堵塞或管道劇冷脆裂的管道。(5)在切換或間歇停輸期間，管內介質不能放凈或吹掃而可能凝固的管道。(6)由于熱損失使輸送介質粘度增高，系統阻力增加，使輸送量達不到工藝要求的管道。(7)輸送介質的傾點或凝固點等于或高于環(huán)境溫度的管道。21.2.3伴熱介質的選用(1)介質溫度在95℃的管道，應選用0.3～0.6MPa蒸汽或熱水伴熱。(2)介質溫度在95～150℃之間的管道，應選用0.7～0.9MPa蒸汽伴熱。(3)介質溫度大于150℃的管道，當0.9MPa蒸汽不能滿足工藝要求時，可選用載熱體作為伴熱介質。伴熱介質溫度的確定伴管的伴熱介質溫度宜高于被伴熱介質溫度30℃以上，當采用傳熱膠泥時宜高于被伴熱介質溫度10℃以上。夾套管的伴熱介質溫度可等于或高于被伴熱介質溫度，但溫差不宜超過50℃。(3)對于控制溫降或最終溫度的夾套管伴熱管道，伴熱介質的溫度應根據被伴熱介質的凝固點或最終溫度要求確定。21.2.5伴管及夾套管材質的選用(1)外伴熱管必須采用無縫鋼管。(2)夾套管的內管應采用無縫鋼管，套管可采用無縫鋼管或焊接鋼管。(3)夾套管中與內管連接的零件材質應與內管材質相同。(4)當套管與內管材質不同或溫差大時，應按《石油化工企業(yè)管道柔性設計規(guī)范》（SHJ41—91）對夾套進行溫度應力校核。21.3.1伴熱方式選用(1)介質凝固點低于50℃的管道，可選用外伴熱管伴熱。當有特殊要求且工藝管道的公稱直徑大于150mm時，也可選用內伴熱管伴熱。(2)介質凝固點為50℃～100℃的管道，或經常處于重力自流，或停滯狀態(tài)的易凝截止的管道，宜選用管帽式夾套管伴熱；或帶傳熱膠泥的外伴熱管伴熱。(3)介質凝固點高于100℃的管道，應選用夾套法蘭式夾套管伴熱，管道上的發(fā)蘭、閥門應采用夾套型。(4)輸送氣體截止的露點高于環(huán)境溫度需伴熱的管道，宜選用伴管伴熱。輸送腐蝕性介質或熱敏性介質的管道，嚴禁使用蒸汽夾套伴熱管；當選用外伴熱管伴熱時,伴熱管與伴熱管之間應有隔熱措施。21.3.1伴管設計伴熱管管徑及根數的確定(1)伴管管徑(用硬質圓形保溫材料制品)的計算：(21.3.1.1—1)式中d----伴管計算直徑(m);Di──保溫層內徑(m);DO──保溫層外徑(m);K──熱損失附加系數，取1.15～1.25;t──被伴介質溫度℃；ta──環(huán)境溫度℃；tst──飽和蒸汽溫度℃；α──保溫層外表面向大氣的放熱系數w/m2·k;αt──伴管向保溫層內加熱空間的放熱系數w/m2·k;di──保溫層內加熱空間空氣向保溫層的放熱系數，w/m2·k一般取13.95w/m2·k;λ──保溫材料制品導熱系數w/m2·k。（2）伴熱管的根數n≥—2)式中n──伴熱管根數，根；do伴熱管外徑（m）。蒸汽伴熱伴管管徑及根數(用硬質圓形保溫材料制品)按表21.3.1-2選用。伴管長度的確定(1)伴管的供汽點至排凝點之間的最大允許伴熱長度按下式近似計算：—1)式中Lmax──伴熱管的最大允許長度(m);gmax──伴熱管在允許壓力降下的最大蒸汽用量kg/h；g1──主管伴熱用的蒸汽耗量kg/m·h;AX──修正系數，一般取0.6～0.7。表—2伴管根數及管徑(mm×根)伴管長度可按表.2.2-2選用。當伴熱用蒸汽的冷凝水不回收時，表中伴熱長度可延長20～30％。表—2伴管最大允許伴熱長度表蒸汽壓力(MPa)伴管管徑DN(mm)最大允許伴熱長度(m)被伴管管徑DN(mm)≤100150～300350～5000.3～0.515602010080251501300.6～0.9151002020015012025300200170熱水伴熱的規(guī)定熱水伴熱管管徑與根數可按表-1選用；熱水伴熱管的伴熱長度，從熱水總管的分支口起到回水總管入口處止，不應超過200米。表21.4.1-1熱水伴熱管管徑及根數選用表（mm）工藝管徑DN伴熱管管徑×根數≤15025×1200～40025×2450～50040×221.4.1.2熱水伴熱流程如圖所示。圖21.4.1.2熱水伴熱流程21.4.2蒸汽耗量的確定伴熱管的蒸汽耗量可按表5.4-1選用。表—1外伴熱管的蒸汽用量表（kg/m.h）蒸汽壓力MPa伴管直徑DN(mm)被伴管管徑DN(mm)≤100150～300350～5000.3150.150.250.30200.300.32250.6～1.0150.17200.180.300.32250.210.320.36伴熱管道的保溫伴管伴熱和夾套管伴熱的管道保溫宜選用硬質園形保溫材料制品，其保溫層厚度和熱損的計算公式可按中石化總公司標準《石油化工企業(yè)蒸汽伴管及夾套管設計規(guī)范》SHJ40—91第條和第條執(zhí)行。伴熱管的安裝設計蒸汽外伴熱管（1）伴熱管必須從主管或蒸汽分配管頂部引出，并靠近因出處設切斷閥。（2）每根伴熱管宜設蔬水閥。（3）在3米半徑范圍內如有三個或三個以上供汽點或排凝點時，則應在該處設蒸汽分配管或冷凝水集合管，并應在分配管或集合管上設置備用接頭；分配管(集合管)的直徑可按表21選用。表21.5.1.1-1分配管(集合管)直徑名稱伴管直徑(DN15～25)伴熱管根數(根)3～67～25供汽引入管DN（mm）4050供汽分配管DN（mm）5080冷凝水集合管DN（mm）5080（4）通過疏水閥后不回收的凝液水，宜集中引入一汽水分離器內，將廢汽高空排放，冷凝水應引入附進近排水溝。（5）每根伴熱管應盡量高點供汽，沿工藝管線由高向低敷設，在最低點排凝；并盡量減少“U”形水袋，以防產生液阻和氣阻。（6）當主管要求伴熱而支管不要求伴熱時，該支管的第一個切斷閥（靠近主管處）應予伴熱。要求伴熱的管道上的取樣閥、放氣閥、掃線閥和排液閥等均應伴熱。（7）伴熱管可不設低點排放閥。（8）蒸汽外伴熱管流程如圖21.5.1.1-1所示。圖21.5.1.1-1蒸汽外伴熱管流程圖熱水外伴熱管（1）每根加熱環(huán)管的最高點應設放氣閥。（2）每根加熱環(huán)管上應設兩個切斷閥，一個設在供熱管的分支線處，一個設在回水總管的入口處。（3）每根加熱環(huán)管的入口處，應設置配有切斷閥的軟管接頭，以作為掃線用壓縮空氣或化冰用的蒸汽入口，出口處設排空閥。（4）熱水伴熱應從低點供熱，高點回水，熱管宜從分配管、集合管或熱水干管底部加閥連接；（5）考慮加熱環(huán)管之間的壓力平衡，可在環(huán)管上設置節(jié)流孔板，孔板直徑不小于5mm。（6）加熱環(huán)管不宜直接從總管上接出；一般情下，可以8～12根設一集合管。集合管與總管的連～接管上應設有閥門以便調節(jié)。外管熱管必需采用無縫鋼管。采用法蘭連接。伴管經過閥門、管件時應沿其外形敷設，且宜避免或減少袋形；伴管在經過閥門、法蘭處可采用法蘭連接。被伴熱管為水平敷設時，伴管應安裝在被伴管下方一側或二側;當被伴管為垂直敷設而伴管等于或多于二根時,宜沿被伴管四周均勻布置。21.5.1.6安裝在同一側的兩根伴熱管，每隔5米設置一個間隔板（焊在伴熱管上），以控制兩管間距。21.5.1.7伴管可用金屬扎帶或鍍鋅鐵絲扎在被伴管上，捆扎間距為1～1.5m。有墊層的伴管在墊層處捆扎材料與被伴熱有接觸腐蝕時，在接觸處應加石棉布隔離墊。伴管不得直接焊在伴管上作固定點。需要固定時，要將伴管焊在被伴管的管卡上。21.5.1.8伴熱管的熱補償，可采用:(1)當伴熱管的供熱管供汽點至排凝點之間的直線段不超過40m時，可采用中間固定方式，不設補償器。(2)當伴熱管供汽點至排凝點之間的直線段大于40m時，除“L”型自然補償器的管段外，每隔30~～40m設一補償器。（3）補償器可采用“U”型、“Ω”型或螺旋纏繞型。（4）伴管隨被伴管轉彎作自然補償時，伴管固定點的設置應使被伴管彎頭處的保溫結夠不受損壞。21.5.2伴熱管安裝結夠圖21.5.2.1外伴熱管安裝如圖所示。圖21.5.2.1圓形保溫結構注:1.外伴熱管應安裝在工藝管道的側下方(一側或兩側),并使伴熱管與工藝管道兩管管底相平。2．安裝在同一側的兩根伴熱管，每隔5米設置一個間隔板（焊在伴熱管上），以控制兩管間距。3.若工藝管道內輸送腐蝕性或熱敏性介質時，應采用Ⅱ型，即在伴熱管與工藝管之間每隔1.0m夾入一塊石棉板，或用∮5mm的石棉繩繞在伴熱管上，纏繞長度為50mm,的工藝管道材質為不銹綱，伴熱管材料為碳綱時，用同樣方法處理，以避免產生接觸腐蝕。供汽分配管（或集合管）均應設置一個DN25的放空閥；分配管和集合管可依具體情況單獨或共同水平。垂直安裝在管架柱或管墩上。供汽分配管(或集合管）安裝適用于管架敷設的工藝管道。(1)供汽分配管垂直安裝如圖21所示。圖21.5.3.1-1供汽分配管垂直安裝（2）供汽分配管水平安裝如圖21所示。圖21.5.3.1-2供汽分配管水平安裝注：1。每根供汽集合管應予留兩個備用接頭。2．A型適用于冷凝水不回收系統，B型適用于冷凝水回收系統，冷凝水通過引出管排到總管。冷凝水集合管的安裝適用于管架敷設的工藝管道垂直安裝的冷凝水集合管如圖21所示。圖21.5.4.1-1垂直安裝的冷凝水集合管水平安裝的冷凝水集合管見圖21.5.4.1-2.其集合管的直徑可按表21表21.5.4.1-1冷凝水集合管的直徑名稱伴管直徑(DN15～25)伴熱管根數(根)3～67～25冷凝水集合管DN（mm）5080冷凝水引出管DN（mm）4050夾套管設計夾套管工藝設計管道熱損失可按下式計算:(21.6.1.1)式中q2-------夾套管管道熱損失，w/m；Di──保溫層內徑(m);DO──保溫層外徑(m);T----主管內介質溫度，℃；ta──環(huán)境溫度℃；α──保溫層外表面向大氣的放熱系數w/m2·k;λ──保溫材料制品導熱系數w/m2·k。蒸汽耗量可按下式計算：(21.6.1.1)式中q2-------夾套管管道熱損失，w/m；Hv----飽和蒸汽的焓，KJ/Kg；HI-------飽和水的焓，KJ/Kg；∑QI---夾套管系統總的熱損失或所需的熱量總和，W/M,∑QI=q2+q3+q4q3--------無夾套部分管道的熱損失，W/M;q4-------被伴介質溫升所需熱量，W/M;K----熱損失附加系數，一般取1.15～1.25.夾套管的組合尺寸21.6.1.2.1夾套管的組合尺寸可按表21.6.1.2-1選用。表21.6.1.2-1夾套管組合尺寸管徑DN(mm)(mm)名稱15152025405080100150200250300350套管404040508080125150200250300350400供汽、排凝管15151515151520202025252540跨越管1515151515152020202525254021.6.1.2.2夾套管的蒸汽引入口至冷凝水排出口的距離（稱為伴熱長度），應根據供汽壓力及供汽管直徑確定，一般情況下可按表21.6.1.2-2選用。表21.6.1.2-2套管伴熱長度(m)套管供汽伴熱蒸汽管DN長度壓力DN(mm)(mm)0.3～0.4(MPa)0.5～0.6(MPa)0.7～0.9(MPa)≤10015455560125～20020556570250～350255565704004010011012021.6.2夾套管安裝設計21.6.2.1夾套管水平敷設要求有坡向時，套管內介質流向應與坡向一致，蒸汽應由套管上方引入，冷凝水應由套管下方排出，供汽管、排凝管分別設切斷閥。21.6.2.2-1～所示。圖21-1法蘭連接夾套管圖21-2跨越管連接21.6.2.3每個夾套管長度不宜超過6米，每一夾套管伴熱系統應單獨設置疏水閥。21.6.2.4夾套管的內管應采用無縫鋼管,套管可采用無縫鋼管或焊制鋼管。21.6.2.5在夾套中與內管連接的零件材質應與內管相同。當夾套中與內管材質不同，而兩者熱脹差異產生的許用應力時，則可改用同種材質或線膨脹系數相近的材質。當夾套管與內管介質的溫差大或材質不同時，應對夾套管管系進行應力校核；夾套管由于介質溫度、布置位置而產生的熱脹量需補償時，宜考慮自然補償或設置補償器。夾套管組裝及其配件基本型式，夾套管內管的定位板布置圖及定位板間距表，均按中石化總公司標準《石油化工企業(yè)蒸汽伴管及夾套管設計規(guī)范》SHJ40—91中第條，第條執(zhí)行。21.6.3蒸汽夾套管的安裝結構圖21.6.3.1供汽管、排凝管及跨越管安裝圖如圖21-1～21.6.3.1-3。圖-1管帽連接夾套管圖-2管帽連接夾套管—跨彎頭的跨越管水平管道（正視）垂直管道（圖中H=150mm）圖-3管帽連接夾套管—跨法蘭閥門的跨越管電伴熱的方法21.7.1.1感應加熱法是在管道上纏饒電線或電纜，當接通電源后，由于電磁感應效應產生熱量。以補償管道的散失損失。電感應加熱雖有熱能密度高的優(yōu)點，但費用太高，限制了它的發(fā)展。21.7.1.2直接通電法是在管道上通以低壓交流電，利用交流電的表皮效應產生的熱量，維持管道溫度，使之不出現降溫。直接通電法的優(yōu)點是：投資省，加熱均勻。但在有支管、環(huán)管（成閉路的管道）、變徑和閥件的管道上，很難應用。只適于長輸管道上應用。21.7.1.3電阻加熱法是利用電路上電阻體體發(fā)熱的原理開發(fā)的，目前國內外廣為應用的也是這類電伴熱產品。利用電阻體發(fā)熱的電伴熱帶又分兩種基本類型：一種是電阻體串聯在電路上，另一種是在并聯兩平行電路上跨接電阻。自限性電伴熱帶與其它固定輸出功率的電熱電纜有不同的使用特性：電熱電纜的電阻和輸出功率不隨殼壁溫度改變。自限性電伴熱帶的電阻與殼壁溫度成正比，輸出功率與殼壁溫度成反比。21.7.2電伴熱的應用21.7.2.1對于熱敏介質管道，電伴熱能有效的進行溫度控制，防止管道溫度過熱；21.7.2.2需要維持較高溫度的管道伴熱，一般超過150℃，蒸汽伴熱就難以實現，電伴熱則有充分的條件；非金屬管道（如塑料管）的伴熱，一般無法采用蒸汽；無規(guī)則外型的設備（如泵），電伴熱產品柔軟、體積小，可以有效地進行伴熱；較邊遠地區(qū)，如油田井場，井口裝置的管道和設備的伴熱；長輸管道的伴熱以及較窄小空間內管道的伴熱等等。電伴熱產品的應用，已不再局限于管道伴熱的范圍。電伴熱已廣泛應用于石油、石油化工、塑料、醫(yī)藥、電力、礦山、機械以及農業(yè)等產業(yè)部門。21.7.3電伴熱產品選型和計算合理地選用電伴熱產品,主要依據:工藝條件、環(huán)境情況、管道設計和管道所在區(qū)域的爆炸危險性分類。管道的散熱損失計算可參照《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》第一篇（設計與計算）第二十一章有關公式計算。產品系列的選擇工作電壓，根據我國電力供應與電伴熱產品工作電壓，確定工作電壓為220V（交流電）。由散熱損失計算，確定需電伴熱補償的熱量。確定電伴熱帶持續(xù)性溫度，一般按管內介質溫度。確定電伴熱帶短時間承受的最高溫度，一般按短時間管內介質的最高溫度，如用蒸汽掃線即按蒸汽溫度。根據1～4項數據，可從電伴熱產品技術參數表選用合適型號。核算維持溫度下的輸出功率，為能滿足要求即可選定產品型號。21.7.3.3確定產品結構根據管道所處的區(qū)域的爆炸危險性分類，可查電伴熱產品的結構特征表等確定。21.7.3.4電伴熱帶長度計算（1）管道所需電伴熱帶長度，一般每米管道所需電伴熱帶長度按管道長度的1.05倍計算。閥門、法蘭、管件及支架所需電伴熱帶長度。閥門所需電伴熱帶長度可按公式計算Lv=n·Qv·△式中