煤制甲醇項目蒸汽系統管網的設計

郭平利 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

煤制甲醇項目蒸汽系統管網的設計

郭平利*華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

介紹煤制甲醇項目中蒸汽管網的壓力分級、母管水力學計算、管網控制及余熱利用等內容。

煤制甲醇蒸汽系統管網設計

蒸汽系統指工業企業中，擔負蒸汽生產、輸送、回收凝結水、余熱、廢汽、提供熱能動力、以蒸汽或熱能形式聯系在一起的各種裝置和設備，并借助各種儀表所組成的統一、協調、平衡的系統。蒸汽系統的設計對工廠的安全、可靠、穩定、靈活的運行有重要的意義，對工廠的能耗指標也有重要的影響，本文介紹煤制甲醇項目中蒸汽系統管網的設計。

1 蒸汽系統

1.1 蒸汽來源

(1)生產高壓過熱蒸汽的蒸汽鍋爐。

(2)副產蒸汽主要有:①變換工序:一般產汽壓力為2.5～4.0MPa(G)，可產過熱蒸汽;②甲醇合成工序:一般產汽壓力為2.5～4.0MPa (G);③硫回收工序:根據工藝不同，產汽壓力可能不同。

1.2 蒸汽用戶

(1)大型機組:如空分壓縮機、甲醇合成壓縮機、冰機等，選用汽輪機驅動，一般選用高、中壓過熱蒸汽。

(2)凈化、甲醇精餾等工序間接加熱:根據工藝要求，一般選用約1.0MPa(G)蒸汽加熱。

(3)變換工序汽提、凈化工序間接加熱、各工序伴熱、公用工程站等，一般選用約0.5MPa (G)低壓蒸汽加熱。

2 蒸汽管網的壓力分級

蒸汽管網的壓力可按高壓蒸汽管網、中壓蒸汽管網和低壓蒸汽管網分級。

2.1 高壓蒸汽管網

高壓蒸汽管網為蒸汽系統的初級管網，主要用于空分汽輪機用汽。根據鍋爐蒸汽參數系列，考慮蒸汽發生系統、汽輪機等的用材要求和制造成本、項目投資等，一般初級管網選用壓力9.8MPa(G)，溫度540℃的高壓蒸汽。

2.2 中壓蒸汽管網

中壓蒸汽主要用于甲醇合成壓縮機和冰機的動力蒸汽，為空分汽輪機的抽汽氣。因抽汽式汽輪機的進汽壓力宜大于抽汽點壓力的2倍，最小為1.65倍［1］，從而空分汽輪機抽汽壓力應在4.9～5.9MPa(G)比較合適。結合工藝副產蒸汽的壓力及用汽特點，一般空分汽輪機抽汽壓力為2.5～4.0MPa(G)。

2.3 低壓蒸汽管網

根據工藝需要，一般煤制甲醇項目設有兩級低壓蒸汽管網:分別為1.0MPa(G)和0.5MPa(G)。

3 蒸汽管網的母管水力學計算

3.1 流量確定

根據系統各工序的正常工況、部分負荷工況、開車、停車工況和其他特殊工況分別做平衡計算，得到母管在各工況下的流量負荷情況。

3.2 管徑及壓降的確定

母管管徑及壓降的確定是蒸汽系統管網設計中很重要的一個環節，管徑、管道壓降選取是否合適，對項目能耗、經濟性等均有影響。

(1)常用流體推薦選取的流速，見表1。

(2)根據式(1)，初算管徑:

式中，d為管道的內徑，mm;W為管內介質的質量流量，kg/h:μ為介質在管內的平均流速，m/ s;ρ為介質在工作條件下的密度，kg/m3。

表1 常用流體流速表［2］

(3)根據初算的管徑，核算管網的壓降。

根據管道壓力降計算［2］中的說明:對絕熱流動，當管道L＞60m時，可按等溫流動計算，誤差一般不超過5%。對煤制甲醇項目來說，一般蒸汽母管的長度均大于60m，因此仍可按等溫流動計算。

此計算可重復多次，直到滿足工程需要為止。與之對應的壓力降見表2［2］。

表2 某些管道中流體允許壓力降范圍

3.3 實例

該項目設有兩套空分，單套產氧能力45000Nm3/h，高壓蒸汽操作壓力9.8MPa(G)，操作溫度540℃，蒸汽密度28.9m3/h，空分汽輪機采用抽凝式，單套抽中壓過熱蒸汽90t/h，蒸汽鍋爐與空分之間直線距離約1700m，單根母管輸送。兩套空分裝置需要蒸汽約400t/h。

3.3.1 初選流速

高壓蒸汽為過熱蒸汽，此項目空分與鍋爐之間距離較遠，考慮有可能管徑大，壓降高，因此按表1選蒸汽流速μ為40m/s。

3.3.2 初算管徑

根據式(1)計算:

據此，根據材料控制專業給出的材料外徑、壁厚等數據，初選公稱直徑為14″的管道，具體規格為377×32mm(外徑×壁厚)。

3.3.3 核算壓降

在初選管徑后，用ASPEN PLUS軟件計算整個管網的壓力降:其中管線長度計入應力補償，管線升高、降低、管件等因素的影響，按1.6倍管網當量長度考慮。因此，計算程序中管長按2700m取值。計算結果:母管管徑太小，壓降太大，需重新計算。

3.3.4 最終確定

經再次計算，其結果見表3。

表3 某項目管徑與壓力降計算結果

根據計算結果，考慮蒸汽壓力對汽輪機耗汽的影響及經濟性、運行可靠性、操作彈性等情況，分別計算18″和20″管徑，最大負荷工況時的管道壓降。最終確定選用公稱尺寸為20″的管子。

4 蒸汽系統的管網控制

4.1 壓力控制

(1)為保護高壓蒸汽和下一級蒸汽管網的需要，高壓蒸汽管網設有秒閥及減溫減壓器，一旦高壓汽輪機跳車，立即開啟秒閥，通過快速泄放，來保證高壓蒸汽管網和下一級管網系統的安全。

(2)其他壓力級的管網，均在母管上設置壓力自控調節放空閥，以維持各級管網壓力的穩定。

(3)各級母管均設安全閥，考慮若選用單個安全閥，當安全閥因長期不用而失靈時，可能起不到安全保護作用，因此一般系統均設有2～3個安全閥。

(4)進入每級母管的主汽源均設壓力跟蹤調節，以穩定母管壓力。

(5)通常各管網將安全閥或壓力調節放空閥排放至大氣的蒸汽，先引入一個公用的消音器中，通過此消音器降低噪音后，再排入大氣。

4.2 溫度控制

各級母管一般均設有溫度檢測儀表，對過熱蒸汽管網來說，因汽輪機用汽必須保證一定的過熱度，因此設低溫報警。

5 余熱利用

根據余熱的溫位高低，堅持按質用能和分級回收利用的原則，做到熱盡其用。本項目的余熱利用主要體現在:

(1)根據工藝特點及余熱品位，分級產汽或預熱水:如變換工段，工藝要求將變換后的工藝氣溫度從400℃降至40℃，此過程設計一般會副產中壓過熱蒸汽及兩級低壓飽和蒸汽進入蒸汽管網。而后低品位的余熱還可預熱系統中的鍋爐給水、脫鹽水等。

(2)各級管網對間接加熱設備的蒸汽、凝液均分級回收，以充分利用各級凝液的熱量，如1.0MPa(G)飽和蒸汽管網的凝液，可通過閃蒸擴容罐，副產0.5MPa(G)飽和蒸汽，并入蒸汽管網。

(3)工藝各工序產汽設備的鍋爐排放水，可通過閃蒸擴容罐，副產低壓飽和蒸汽，并入蒸汽管網。

6 結語

在煤制甲醇項目蒸汽系統管網的設計中，設計是否合理，會直接關系到整個項目運行的可靠性、經濟性、安全性和靈活性。

1 HG/T 20521－92，化工蒸汽系統設計規定［S］．

2 HG/T 20570－95，化工裝置工藝系統工程設計規定［S］．

This paper presents the pressure rating of steam piping system，hydraulic calculation of pipe main，piping system control and waste heat utilization etc．in coal-to-methanol project．

Steam System Piping Design of Coal-to-Methanol Project

Guo Pingli
(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

coal-to-methanolsteam systempiping system design

*郭平利:工程師。2002年畢業于西北大學化學工程專業。從事化工工藝設計工作。聯系電話:(029)87988696，E－mail:gpl1945 @chinahualueng.com

2012－05－07)