化工進展516CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2006年第25卷增刊C15蒸汽伴熱改為熱水伴熱的節(jié)能效益分析賀廷禮,李艷萍2,劉桂蓮2,馮霄2(中國石油天然氣公司蘭州分公司,蘭州730060;2西安交通大學(xué)化工系,西安710049)摘要:對于石油化工物料中的黏油和易凝油,為了防止宅們在菅道中凝結(jié)或在輸送過程中黏度過于增大,常采用伴熱的方法對油品進行保溫。在北方地區(qū)以前的設(shè)計較多采用蒸汽伴熱,但蒸汽伴熱運行成本較高,且能源浪費較大。本文通過對蒸汽伴熱和熱水伴熱在散熱損失方面的分析,確定熱水伴熱的節(jié)能效果;并提出在不改變原來蒸汽伴熱管線情況下,由蒸汽伴熱改為熱水伴熱的設(shè)計步驟。應(yīng)用該步驟對某裝置進行改造,結(jié)果表明將蒸氵伴熱改為熱水伴熱,可以有效利用余熱,從而取得很大的節(jié)能和經(jīng)濟效益關(guān)鍵詞:熱水伴熱;散熱損失;設(shè)計Benefit analysis on energy saving for heat preservation from usingsteam to using hot waterhe Tingli, LI Yanping LIU Guilian, FENGXiao'Lanzhou Petrochemical Company, Lanzhou 730060: Department of Chemical Engineering, Xi'an JiaotongUniversity, Xi'an 710049)Abstract: For the viscous oil and condensative oil in petrochemical companies, heat preservation must beconsidered to prevent oil from viscosity increasing or congealing during transportation. In north district ofChina,steam is usually adopted for the purpose in former design, but the operating cost and energy cost ofsuch method are comparatively high. In this paper, the energy effects of heat preservation by using hot waterare analyzed and compared with that by using steam, and the design procedures are given for changing theheat preservation medium from steam into hot water without changing the existing pipelines. An applicationof this proposed procedures is given for a refinery process. The results show that by using hot water as heatpreservation medium to replace steam, not only can save energy and obtain economic profits, but also canprovide more opportunities for efficiently utilize waste heat at low temperature.Key words heat preservation; medium; heat loss; design石油、化工物料在管道中長距離輸送和長時間儲熱傳遞,把熱量傳給原被伴熱的介質(zhì),以達到保溫存過程中會因散熱而造成物料溫度的降低,對于高黏伴熱的目的。蒸汽伴熱和熱水伴熱都分為單伴熱和性物料,溫度的下降意味著物料的黏度升高,其后果雙伴熱兩種形式,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電伴是造成輸送困難,嚴(yán)重的會造成管道系統(tǒng)的堵塞,而熱則是一種利用電能為熱源的伴熱技術(shù),它安全可對于易結(jié)晶的物料,溫度的下降會產(chǎn)生物料的結(jié)晶?？?、施工方便、能有效進行溫度控制,防止管道介要保持物料的溫度不降低,可行的方法是通過伴熱給質(zhì)溫度過熱。但由于目前我國電力供應(yīng)比較緊張,系統(tǒng)連續(xù)不斷地補充熱量,以維持管內(nèi)物料的溫度。而且電伴熱投資較大,在石油化工企業(yè)中不常用。目前,管道伴熱方式有外伴熱、內(nèi)伴熱及夾套伴熱3種。在煉油裝置中,一般均采用外伴熱方式,1#的比較而不采用內(nèi)伴熱和夾套伴熱。伴熱介質(zhì)主要有蒸汽、11CNMHG熱水和電。蒸汽伴熱和熱水伴熱都是比較傳統(tǒng)的蒸汽伴熱的優(yōu)勢是一次性投資較低,劣勢是維伴熱方式,是利用伴熱管線緊靠在管道外壁,通過第作者簡介賀廷禮(192-),男,生產(chǎn)處高級主管賀廷禮等:蒸汽伴熱改為熱水伴熱的節(jié)能效益分析·51712熱水伴熱熱水伴熱是以熱水為伴熱介質(zhì),適用于操作被伴熱介質(zhì)溫度不高或者不能采用高溫伴熱介質(zhì)的管線。熱介質(zhì)管水伴熱運行平穩(wěn),伴熱均勻,易于操作,可大大保溫層減少伴熱系統(tǒng)泄漏,減少維護量,美化環(huán)境,節(jié)伴熱管約維修費用,管線沖刷減小,氣蝕減少,有效減少跑冒滴漏現(xiàn)象。熱水伴熱還能有效利用余熱,(a)單伴熱(b)雙伴熱節(jié)約大量蒸汽,而且可控制熱源介質(zhì)溫度,能有圖1伴熱管道拋面示意圖效防止加劑油品變質(zhì)。13熱水伴熱和蒸汽伴熱能量消耗比較護成本較高,蒸汽伴熱線平穩(wěn)運行期3~5年,此后無論是熱水伴熱還是蒸汽伴熱的情況,其總散維修費用將成倍增加。在使用過程中存在如下的一熱損失都是由以下幾部分構(gòu)成的些問題向:(1)介質(zhì)管中的熱量通過保溫層的散熱損失;(1)采汽點、排凝點多,分布廣,施工、管理(2)伴熱管中的熱量通過保溫層的散熱損失;困難(3)介質(zhì)管線和伴熱管線以及保溫層構(gòu)成的氣(2)操作工作量大體空間的熱量通過保溫層的散熱損失。(3)疏水器使用時間長,用量大,檢修、檢圓形保溫殼相當(dāng)于圓管內(nèi)殼,在保溫層內(nèi)壁維護不能保證與介質(zhì)管線的外壁之間有一加熱空間,這樣介質(zhì)管(4)蒸汽伴熱“跑冒滴漏”問題較多,每年維通過保溫層散失到四周大氣中的熱量就可以忽略不護費用高,工作量較大,維修中,存在停汽可能,計,伴熱管道的熱損失為6別易造成管線受凍,影響正常工作;(5)蒸汽溫度高,不易控制,對于有些凝沸點q-R1+R5+R1較低的介質(zhì),若伴熱溫度高,則造成氣化,管線將2π(t1-t。)升壓,易出現(xiàn)安全事故。同時出現(xiàn)“大馬拉小車”2的情況,造成能源的浪費(6)凝液直接排放,不予回用,浪費能源;d(7)由于生產(chǎn)需要停用的蒸汽伴熱線,再投用對燕汽伴熱和熱水伴熱管道情況進行散熱損時易水擊,縮短管線使用壽命失的計算分析,結(jié)果如表1所示。表1蒸汽伴熱和熱水伴熱散熱損失比較介質(zhì)管徑加mm介質(zhì)溫度/℃c伴熱管徑/m蒸汽伴熱散熱損失W·m1熱水伴熱散熱損失/w·m1熱水伴熱與蒸汽伴熱散熱損失比較%單伴熱533.0671.22705550310977103342.41238.19164.7060127846802134.566735雙伴熱80360.59411.022955471.9055500321.88TH中國煤化工7158CNMHG8632注:表中取蒸汽溫度為160℃,熱水溫度為90℃,環(huán)境溫度取為蘭州市冬季冷月平均溫度-53℃,保溫層厚度為30mm。·518·2006年第25卷增刊計算結(jié)果表明,用熱水伴熱時的散熱損失是蒸的給水點和回水點。汽伴熱時散熱損失的67%-73%也就是說當(dāng)把蒸汽(4)計算每個給水段熱水流量以及熱水流速伴熱改為熱水伴熱時,至少可節(jié)能20%以上。如果熱水的流速在正常范圍內(nèi),即05-3m2蒸汽伴熱改熱水伴熱核算步驟則可以用原伴熱管道;否則為不改變原伴熱管道,需調(diào)整熱水的流速,以使管速在正常范圍內(nèi)在將蒸汽伴熱改為熱水伴熱時,為了減少投資(5)核算回水溫度費用,應(yīng)仍采用原蒸汽伴熱管線。對各裝置的伴熱數(shù)據(jù),將根據(jù)以下步驟對蒸汽消耗量和熱水的消耗(6)根據(jù)裝置實際情況提出伴熱熱水來源量進行核算。3實例(1)校核各管道單位長度的蒸汽消耗量在計算中要考慮到各介質(zhì)管線的直徑,介質(zhì)溫31裝置伴熱及余熱狀況簡介度、伴熱管線的直徑、伴熱蒸汽的溫度、保溫層厚某常減壓裝置目前的管道采用系統(tǒng)提供的1.0度、空氣的對流傳熱、保溫層的導(dǎo)熱、環(huán)境溫度以MPa蒸汽伴熱。各伴熱管道以及相應(yīng)的直徑、長度、及余熱資源的流量、溫位等伴熱方式和被伴熱物流溫度數(shù)據(jù)見表3該裝置伴熱管線總長為1020m根據(jù)單位長度的管子的散熱損失,可以計算出單位長度伴熱管所消耗的蒸汽量?？紤]到冬季風(fēng)等表3裝置內(nèi)伴熱管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計因素的影響,散熱損失將大于計算所得值,單位長度伴熱管的蒸汽消耗量也應(yīng)大于上面計算得蒸汽消管內(nèi)物流管徑管長介質(zhì)溫度伴熱方式伴熱管管徑名稱耗量。為此,在核算時取蒸汽的消耗量為計算得蒸汽消耗量的1.5倍80150單伴熱20(2)計算熱水伴熱時的熱水消耗量破乳劑線50150常溫單伴熱因為熱水伴熱時的散熱損失為蒸汽伴熱時散柴油注堿線5060常溫單伴熱熱損失的67‰~73%,取熱水伴熱較蒸汽伴熱節(jié)能航煤注堿線5060常溫單伴熱2020%。根據(jù)蒸汽伴熱時的散熱損失即可由下式核算常頂瓦斯線150260常溫單伴熱20出熱水的消耗量:10090常溫單伴熱Qx0.8×3600減頂瓦斯線100100常溫單伴熱M100150單伴熱20000C.X△總計(3)設(shè)置給水點和回水點熱水伴熱時,管線的布置與蒸汽伴熱時相同。按SHT3040規(guī)定,伴熱熱水溫度宜低于100℃,由表3的數(shù)據(jù)可見,表中所給介質(zhì)溫度都介于熱水伴熱系統(tǒng)應(yīng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng),熱水的供水壓常溫和90℃之間,故能用系統(tǒng)提供的90℃的熱水力宜為035~10MPa,回水總管余壓應(yīng)控制在02伴熱這些管線。03MPa。SHT3040制定了熱水伴熱最大允許有效根據(jù)該裝置的能量平衡,該裝置有很豐富的余伴熱長度見表2熱資源,為13918kW,其溫位介于129~40℃,統(tǒng)計見表4。表2熱水伴熱管最大允許有效伴熱長度伴熱管管徑mm表4常減壓裝置的低溫余熱資源熱水壓力MP410、2DNI5DN20DN25物流乞稱通量壓力相態(tài)供應(yīng)溫度目標(biāo)溫度熱量Akgh-I/MPa000000初頂油氣125000013g,1104中國煤化工401810常HCNMHI10290203根據(jù)表2所給出的熱水伴熱管最大允許有效伴熱長度規(guī)定并結(jié)合實際管線布置情況設(shè)置熱水伴熱合計13918增刊賀廷禮等:蒸汽伴熱改為熱水伴熱的節(jié)能效益分析·519·部分低溫余熱可以用來在伴熱熱水的循環(huán)系統(tǒng)表5常減壓裝置的低溫余熱利用中加熱伴熱回水,從而可以節(jié)約蒸汽。但并不是所有的129~40℃的能量均可在實際生產(chǎn)中用來加物流名稱供應(yīng)溫目標(biāo)溫?zé)峄厥栈厥盏臒崃考訜釤崴鞫萒度∧℃溫度rAW熱伴熱用的熱水。這主要是考慮到以下因素。初頂油氣1044085(1)伴熱熱水回水溫度為70℃,給水溫度為常頂油氣129408813合計987440410490℃。低溫?zé)嵩葱璋寻闊釤崴臏囟扔?0℃加熱至90℃。鑒于此,只有85℃以上的熱源的可以利用。初頂油(2)常二線、減四線的溫位雖然能滿足要求,但由于這兩股物流的能量較小,即可利用的能量較·A→采暖水罐,裝置內(nèi)伴熱系統(tǒng)伴熱小,如果考慮到投資換熱器的話,從經(jīng)濟上不合算。常頂油3)初頂油氣的能量較常二線、減四線要大,404.It/h但與常頂油氣相比卻小得多,裝置可以根據(jù)資金情3608th70℃況和熱水的消耗量確定是否需要回收這部分熱量。采暖水罐4(4)常頂油氣的熱量較大,可以用來加熱大量70℃的伴熱熱水。表5示出了初頂油氣和常頂油氣兩股物流的熱回收溫度、可以回收的能量及可以生產(chǎn)的90℃熱水圖2余熱回收利用系統(tǒng)簡圖的量。這兩股物流共可以加熱熱水404th(在計算中取熱損失為5%)。熱水可用于裝置內(nèi)管線的伴3.2伴熱所需熱水量的核算熱,多余的熱水可輸入系統(tǒng)熱水管線。圖2示出了根據(jù)前面的設(shè)計步驟可以得到的伴熱所需的余熱回收利用系統(tǒng)簡圖熱水量,結(jié)果見表6表6各管線所需要的伴熱蒸汽和伴熱水量蒸汽總質(zhì)量流量熱水汍量給水點熱水流速調(diào)整后的伴熱數(shù)據(jù)管道名稱管長/m熱水流速/m熱水流量/g·h回水溫度r℃常三線破乳劑1133.81柴油注堿線6045352航煤注堿線453.52041549641965.260452198.55常頂瓦斯線17.8203109927減頂瓦斯線減壓線225.729827518123注:表中熱水總流量是根據(jù)伴熱熱水溫降為20℃計算的本裝置的常頂油氣和初頂油氣均可以用來加熱0.5-0.93m/s。因此把蒸汽伴熱改為熱水伴熱時,伴熱水,共404h,其中,初頂油氣可把43.3th的熱管道無需更換。剩余的熱水共3943th,可以輸熱水由70℃加熱至90℃,常頂油氣可以把3608h送到系統(tǒng)的熱水管線給其他的裝置或系統(tǒng)管線伴的熱水由70℃加熱至90℃。這部分熱水都可以用熱來給各管線伴熱,從而可以為本裝置節(jié)約蒸汽汽15中國煤化工以為系統(tǒng)節(jié)約蒸05m的種情況下,共需98加熱水,如表4所示。4與 CNMHG0.2咖h。在保證每股伴熱管內(nèi)熱水的流速不低于還可見,如用原來的伴熱管道,伴熱水的流速為(1)相比較蒸汽伴熱,熱水伴熱由于與外界的化工進2006年第25卷增刊溫差減小,因此散熱損失明顯減少,僅為蒸汽伴熱4—伴熱管內(nèi)流體的溫度,℃散熱損失的67%~73%,因此可以顯著節(jié)能。t環(huán)境溫度,℃(2)熱水伴熱能夠很容易地利用低溫余熱r熱水伴熱過程的溫降,℃進行。a保溫層內(nèi)壁散熱系數(shù),w(m2·℃(3)本文給出由蒸汽伴熱改為熱水伴熱時的設(shè)a—保溫層外表面散熱系數(shù),Wm2·℃)計步驟。λ—導(dǎo)熱系數(shù),w(m·℃)(4)通過對某常減壓裝置由蒸汽伴熱改為熱水伴熱的設(shè)計,取得了明顯的節(jié)能與經(jīng)濟效益,有效參考文獻利用裝置內(nèi)的余熱,共可節(jié)約蒸汽l59th。[]潘紅良伴熱管遒傳熱性能的有限元分析U油氣儲運,2004,23符號說明2】張穎,劉濱瀝青油輸送系統(tǒng)的技術(shù)改造門山西冶金,19,3]劉曉楠.新型節(jié)能環(huán)保伴熱方式與傳統(tǒng)伴熱方式的比較和經(jīng)濟分C水的比熱容,kJ(kg·)析門2002,25d—保溫層內(nèi)徑,m14]陳波,僉利新,任慶濤油品工藝管道伴熱介質(zhì)削析[門當(dāng)代化工,d—保溫層外徑,m2004,33(3):183-184.M—熱水的質(zhì)量流量,kg(h·m)5]吳明,王梅,鄧蘭君三管伴熱輸油管保溫層經(jīng)濟厚度的研究撫Q蒸汽伴熱時的散熱損失,Wm順石油學(xué)院學(xué)報,1998,18(3);46-55q—伴熱總管散熱量,W/m16]余龍紅催化裂化裝置管線散熱損失估算及分析門煉油技術(shù)與工材料熱阻,m·℃/w程,204,34(11):38-R保溫層內(nèi)壁熱阻,m·℃NW7煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計手冊[MR—外表面熱阻,m·℃/w8]何潮洪,馮霄化工原理M北京:科學(xué)出版社,2001:5.中國煤化工CNMHG