浅谈管道系统的伴热设计

浅谈管道系统的伴热设计

张岩

天津辰力工程设计有限公司工艺管道室

摘要：本文主要介绍了化工工程设计中伴热管道的设计种类与伴热方式，并对其中热水伴热和蒸汽伴热系统的设计着重进行介绍。

关键词：管道伴热热水伴热蒸汽伴热夹套管伴热

1、概述

在化工工程以及其他工程的设计过程中会碰到一下情况：

1)需要从外部补偿管道内介质热损失，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道。

4)在切换操作或者间歇停输期间，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，由于热损失造成温降可能析出晶体的管道。

6)输送介质由于热损失导致介质温度下降后粘稠度增高，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。

在以上情况下就需要用到管道伴热系统来稳定被伴热管道的温度。

2、常用伴热介质的种类及伴热方式

2.1伴热种类

2.1.1热水：

在操作温度不高或者不能采用高温伴热的介质的条件下，作为伴热的热源。

2.1.2蒸汽：

一般用于管道内介质的操作温度低于150℃的伴热。

2.1.3热载体：

一般用于管内介质的操作温度高于150℃的夹套伴热系统。常用的热载体有重柴油或者馏程大于300℃的馏分油，联苯-联苯醚或加氢联三苯等。

2.1.4电热：

电伴热不但适用于蒸汽伴热的各种情况，而且适用于热敏性介质管道，能有效地进行温度控制，防止管道温度过热；适用于分散或远离供汽点的管道或设备以及无规则外形设备（如泵）的伴热。

2.2伴热方式

2.2.1内伴热管伴热：

伴热管安装在工艺管道(即主管)内部，伴热介质释放储量的热量，全部用于补充主管内介质的热损失。

2.2.2外伴热管伴热：

伴热管安装在工艺管道外部，伴热管放出的热量，一部分补充主管（即被伴热管道）内介质的热损失，另一部分通过保温层散失到四周大气中。当伴热所需的传热量较大（主管温度高于150℃）或主管要求有一定的温升时，需要多管伴热，或者采用传热系数大的传热胶泥，填充在常规的外伴热管与主管之间，使他们形成一个连续式的热结合，这样的直接传热优于一般靠对流与辐射的传热。

2.2.3夹套伴热：

夹套伴热管即在工艺管道的外面安装一套管，类似套管式换热器进行伴热。

2.2.4电伴热：

电伴热带安装在工艺管道外部，利用电阻体发热来补充工艺管道的散热损失。

3、热水、蒸汽伴热系统的设计

3.1热水、蒸汽伴热系统的组成

热水、蒸汽伴热系统包括热源总管、热介质引入管、分配站、伴前管、伴管、伴后管、冷凝液（热水回水）收集站、收集站出口回流管、回流管总管。

3.2热水、蒸汽伴热类型的选择

3.2.1热水伴热

1）介质温度要求较低的工艺管道、输送介质温度或环境温度接近或低于其凝固点的管道。

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。

3）防冻要求的伴热。

3.2.2蒸汽伴热

1）输送气体介质露点高于环境温度、高于40℃的需伴热管道。

2）经常处于重力自流或停滞状态的凝介质管道。

3）对特殊工艺加热体有要求的管道（采用蒸汽伴热或热水伴热一般由于工艺专业决定并在流程图上说明）。

3.3蒸汽供热站/热水供热站（分配站）管道布置设计的一般要求

1）分配站的布置采用卧式（水平）或立式安装的形式。

2）分配站接管数如下：DN40蒸汽分配站（或DN50热水分配站）每站设DN15（或DN20）接管口不多于6个；DN50蒸汽分配站（或DN80热水分配站）每站设DN15（或DN20）接管口不多于10个.每个分配站留1~2个备用口，备用口应配置阀门，并用螺纹管帽或者法兰盖封闭。

3）在3m半径范围内至少有3个伴热供汽组的地方应提供伴热站。

4）分配站尽可能靠墙、柱、平台栏杆等设置，其位置应使伴前管道尽量短。

5）每组伴热供水（供汽）总管上的切断阀通常安装在蒸汽/热水主管上的出口附近，且装在水平管上，此阀门宜采用截止阀。

6）伴热供汽总管应蒸汽/热水主管顶部引出，伴热供汽（供水）管应从伴热站的顶部或水平引出。

7）分配站一般应设置一个固定支架及一个滑动支架。

8）分配站的地点应有排液管、切断阀。蒸汽分配站还应设疏水阀。

9）仪表采用的伴热供汽/供水站一般宜单独设置，不宜与管道的伴热站共用。其设计方法与管道相同。

3.4伴管设计

3.4.1伴管设计的一般要求

1）蒸汽伴热和热水伴热管尺寸通常为DN15，必要时实用DN20.

2）每根被伴热管道所需伴管根数由工程设计规定，根据HG/T20549规定，一般要求见下表：

3）对于输送酸、碱、胺、酚溶液等管道可能因局部供热而产生腐蚀时，应在伴管与被加热的管道之间加垫石棉垫。当被加热的设备或管道的材料为不锈钢而伴管为碳钢时，也应加垫石棉板，不使其直接接触。

为了防止被伴设施过热，对于非金属阀座的阀、碱管。胺管伴热应根据伴管管径按间距1~1.5m安装隔离垫，隔离垫的大小一般为50mmx25mmx10mm。

3.4.2伴管布置要求

1）伴管的伴前及伴后段尽量多根成排布置，以方便保温及支架设置。

2）伴热管应在管道需要伴热部位的最高点开始引入，至最低点离开，尽可能使冷凝水自流到收集站，避免袋形弯或减小袋形弯上行的总高度。

3）被伴热管道上需经常拆卸维修的部位，其蒸汽或热水伴管应装活接头或法兰连接，如控制阀、安全阀、转子流量计等，伴热管道的分支采用三通连接。

4）伴热管到的补偿方法为：

利用伴管越过被伴热管道上的法兰、阀门等所行程的弯管作为补偿；管道伴热时，可以将伴管的中点固定在被伴热管道上，前后分别设置一个膨胀环或者π形补偿弯管，使其自然补偿；伴管的高低点可不设高点排气和低点排液；每根蒸汽/热水伴管应有其独立的供汽/供水阀和冷凝液疏水阀，不宜与其他伴管合并供水。通过疏水阀后的不回收凝结水宜集中排放；应用钢带或钢丝在间隔1~1.5m固定伴管，但这种间隔在弯头处应当适当缩小距离，因为这些地方伴管与管子的接触不紧。

伴管一般布置如下图所示。

3.4.3蒸汽伴管的特殊要求

1）每根伴管的最大有效长度，按所用蒸汽压力而定。伴管有效长度和蒸汽压力的关系见下表：

2）袋形弯上升的总高度，对于每个0.1MPa压差不得大于4m，否则分段加热。

3）一般情况下，每根伴管应在终端单独实用一个疏水器。

4）冷凝水应采取必要的措施，不宜直接排入明沟、漏斗或排放在地面上。

3.4.4热水伴管特殊要求

1）伴后热水应当回收。

2）当热水供水压力不低于0.2MPa（表压），温度不低于70℃时，热水伴管的最大有效伴热长度不应超过40m（按照HG/T20549）

3）伴管绕过阀门或者法兰时，伴管最大的有效长度进行相应的缩短，每一处可按3m支管考虑，伴管每一个90°的拐弯按1m考虑。

4）对热水伴热时，伴管的袋形高度没有限制，宜从被伴热管道的最低点开始伴至最高点，然后返回至热水回收系统。每根热水导管的最高点宜设置放空口。

5）当水质较差或者结垢严重时，一般宜在热水伴管的供水或者回水管道上靠近其切断阀设清洗口。

参考文献：

[1]SH/T3040-2002《化工管道伴管和夹套管设计规范》

[2]SH3126-2001《石油化工仪表及管道伴热和隔热设计规范》

[3]宋岢岢《压力管道设计及工程实例》2007.9