化工裝置中工藝管道的伴熱設計探究

【摘要】伴熱設計對工藝管道輸運介質保溫防凍意義重大，在化工裝置中應用廣泛，本文就圍繞化工裝置中工藝管道的伴熱設計進行探究，著重介紹了伴熱介質的種類、伴熱方式的選用原則、伴熱系統設計的注意事項以及常用伴熱系統的設計。筆者希望通過對工藝管道伴熱設計的簡要探究，抓住設計要點，對化工裝置中管道伴熱設計工作起一定的指導和參考作用。

【關鍵詞】工藝管道；伴熱介質；伴熱方式；伴熱設計；注意事項

引言

在化工裝置中，工藝管道往往被用于輸送介質氣體或液體，由于輸送環境溫度和介質熔沸點的差異，在管道輸送過程中經常會出現熱量耗散和介質冷凝現象，為保證管道輸送的安全順暢，同時也是為了節約能源，工藝管道的伴熱設計贏得了設計者的青睞。伴熱，從定義上來說，就是在管道輸運中對管道介質起保溫防凍作用，其利用伴熱介質不僅能夠很大程度上減少能源的損失，還能有效防止管道的冷凝銹蝕。依據不同的要求，管道的伴熱系統設計可分為內伴管伴熱系統、外伴管伴熱系統設計，單個系統的設計要綜合項目情況來進行，要全面了解伴熱介質、伴熱方式以及設計注意事項，最后做出系統設計方案，下面將一一展開。

1、伴熱介質的種類

伴熱介質按種類分，可分為蒸汽、高溫水、點以及其他介質，每種介質適用于不同的伴熱情況。化工生產中常用的伴熱介質是水蒸汽，分為內熱式和外熱式，較常用的是外熱式，壓強范圍為0.3MPa-1.0MPa的蒸汽熱源，相較于其它介質而言，蒸汽介質有著其獨特的優點，其具有高熱輸出性，能夠產生大量的熱量，微小故障下不會對管道介質有大的影響，并且可以實現化工產業蒸汽廢料的回收再利用，但是其同樣具有弊端，例如蒸汽系統的工程復雜度高不利于日常維護，蒸汽系統難以實現對低溫的控制，蒸汽的產生消耗大量能源，經濟效益低。高溫水伴熱介質的使用權重也不小，其不僅能夠節約能源，而且對溫度的控制要強于蒸汽，但是其維護成本同樣很大，消耗能源的量居于第二位。時代的發展催生出了電介質，電介質的出現不僅解決了高溫水和蒸汽耗能量大、溫度不易控制的問題，還增加了新的優勢，是目前最理想的伴熱介質，歷史的發展出現三種電介質，分別是以氧化鎂為主要材質的礦物絕緣加熱電纜、恒功率電熱帶以及自限溫電熱帶，因自限溫電熱帶在任意使用長度、分段控溫上的優越性，應用最廣泛，但是因高分子PTC材料對使用環境仍有一定的要求，無法適應極端的環境，因此在某些特殊場合其不是最優選擇，但在一般情況下是最佳的介質。在一些特殊的裝置中還有選用其他介質如丁酮甲苯混合溶劑蒸汽，因其熔點很低，因此其使用無需擔心冬季凍害的問題，且有機溶劑的腐蝕性小，規避了很多問題。

2、伴熱方式的選用原則

工藝管道的伴熱方式選擇有兩類，一類是伴管伴熱，另一類則是夾套管伴熱。在進行伴熱方式的選擇時，一般綜合考慮輸送介質的凝固點、介質與環境的溫差以及介質的特殊性質，選用原則如下：第一，當環境溫度與管道輸送介質溫度相差無幾時，以50℃和100℃為界限，對于低于50℃的介質凝固點，適合采取伴管伴熱，對于高于100℃的介質凝固點，往往選擇內管焊縫隱蔽型夾套管伴熱，而對于介于50到100℃之間的介質凝固點，采用夾套管；第二，當外部環境的溫度低于介質氣體的露點溫度時，推薦選用伴管伴熱方式；第三，對于有毒性并需要選用夾套管伴熱的介質，應選擇內管焊縫隱蔽型夾套管伴熱；第四，對于僅依靠重力作用進行介質流動的管道，可選用夾套管伴熱方式或者帶膠泥的蒸汽伴管伴熱方式。

3、伴熱系統設計注意事項

為保證伴熱系統設計的安全經濟，在進行伴熱系統設計時有幾大注意事項，第一是設計伴管特別是熱水或蒸汽伴管伴熱系統時，管道系統要盡量避免U形管道，因為U形管道會使熱水或蒸汽在彎曲處因阻力造成不必要的能量耗費；第二是，熱水或蒸汽在引出時要從頂端部分開始，并將引出位置設置在水平方向上由閥門控制；第三是，伴管伴熱系統中的每個伴管上均應安裝疏水閥，切不可所有伴管共用一個疏水閥，以免造成安全隱患，各個伴管從低處流出的凝結水應予以集中處理，伴管疏水閥的周圍不能設置旁路閥；第四是，有關伴管的管路鋪設問題，對于水平鋪設的主管，伴管應和其保持在同一水平線上且位于主管兩側，對于豎直鋪設的主管，與其配套的伴管依數量等間距的鋪設在主管周圍；第五是，伴管連接處采用法蘭接頭或焊接方式連接；第六是，對于一些無法進行自然補償的伴管要適當地增設熱補償器，對于能夠自然補償的伴管彎道處設置捆綁固定的固定點。

4、常用伴熱系統的設計

4.1 內伴管伴熱系統的設計。內伴管伴熱系統的結構特性是，用于伴熱的伴管設計在輸送工藝管道的管內。由此伴熱管產生的熱量則可以無損地用于彌補輸送管道輸送介質過程中耗散的熱量，內伴管伴熱系統的設計有四大要點，第一是，相比于外伴管伴熱系統，其傳熱效率高，間接地減少了能源的消耗，起到節約能源的功效，第二是，其因安裝在管道內部，安裝工作量相應就會增大很多，且管道內部不易焊接，故彎管的數目也會相應增多，第三是，其伴熱管管壁應做加厚處理且要重點關注伴熱管因各種因素發生變形的問題，第四是，安裝在內部的伴管有一個致命的弱點，那就是無法進行日常維護，因此除了在設計時保證質量足夠滿足要求之外，別無它法來延長伴熱管的壽命。

4.2 熱水伴熱系統的設計。熱水伴熱系統是指伴熱介質為高溫水的伴熱管，其屬于外伴管伴熱。此系統的結構是單管伴熱，在主管與伴熱管中間存在保溫空氣層，伴熱管通過空氣介質將熱量間接傳給主管，來彌補主管耗散的熱量，一般來說，熱水伴熱系統應設計成封閉式循環系統，熱水管的供壓維持在0.35-1.0MPa的壓強范圍內，伴熱介質的溫度在100-130℃之間，具體溫度依壓強而定。

4.3 蒸汽伴熱系統的設計。蒸汽伴熱系統和熱水伴熱系統同屬于外伴管伴熱系統，但比熱水伴熱系統使用頻度要大。因外伴管伴熱系統提供的熱量一部分用于補充主管損失的熱量，另一部分則耗散于外界環境中，再加上蒸汽輸送的溫度和目的地離蒸汽熱源的距離成反比，故蒸汽熱源提供的蒸汽溫度要高于所需溫度，且間隔一定的距離就要安置一個蒸汽分配站和疏水站。蒸汽伴熱系統適用于主管介質凝固點較高、粘度較大、溫度較高、腐蝕性強、對溫度敏感的情況，其伴管的管子直徑和管子數目視項目要求、主管狀況而定。

4.4 電伴熱系統的設計。電伴熱系統的伴熱介質經歷了從礦物絕緣加熱電纜到恒功率電熱帶再到自限溫電熱帶的演變，最終自限溫電熱帶以其分段控溫、任意截斷長度、耗能少的優勢戰勝了傳統的伴熱介質被廣泛應用。在選用電熱帶種類時要綜合各種條件，如經濟性等，電熱帶的耐溫及溫度等級應據管道溫度突發最高溫確定，電熱帶長度應視管道單位長度的散熱量的不同而定，電熱帶的型號要依使用環境的性質而定。

4.5 夾套管伴熱系統設計。夾套管是這樣結構的管道：在輸送工藝管道外套一管子，組成內管外管套式結構，不同于內伴管之處是內管為輸送介質管、外管為伴熱管，夾套管需要伴熱介質與輸送介質溫度相差不超過50℃，且伴熱介質溫度比輸送介質高，同內伴管類似，夾套管伴管的熱效率相對較高。

5、結語

綜上所述，工藝管道的伴熱設計從經濟安全的角度為化工裝置中介質的運輸保駕護航，其對介質的輸運貯存起著至關重要的作用，在進行主管的伴熱設計時，應根據工程項目的規劃要求并綜合考慮管道介質特性、外界環境來選擇最適合的伴熱介質和伴熱方式，然后利用設計經驗，著重考慮伴管設計的注意事項完成伴熱設計。本次探究因時間有限，僅對設計中的一些要點進行說明，不能涵蓋所有，但是每個設計項目都需要具體問題具體分析，在不斷摸索中發現并解決問題。在當今能源危機的背景下，能源節約更加被重視，伴熱設計節約能源與經濟適用的特性將會被進一步優化。

參考文獻：

[1]朱翠琴，淺析化工裝置中工藝管道的伴熱設計[J].中國石油和化工標準與質量，2011，（06）.

[2]蘇海濱.蒸汽伴熱系統的設計[J].中國高新技術企業，2012，（12）.

[3]周小剛.石油化工裝置中工藝管道的伴熱設計探討[J].中國石油和化工標準與質量，2013（18）：25-26.

[4]田軼華，陳潔，蒙燕婕.淺談化工設備中夾套管的配管設計[J].中國石油和化工標準與質量，2011（06）：36.