分體式蒸汽減溫減壓系統設計

徐文賡

（南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京 210042）

分體式蒸汽減溫減壓系統設計

徐文賡

（南京金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京 210042）

介紹了SP公司減溫減壓器的設計過程，包括蒸汽管道的計算和設計、減溫減壓器的計算和設計等，同時列出了主要的設計規范，通過實際的運行檢驗，達到了預期的設計效果。

蒸汽減溫減壓器；蒸汽；管道設計；減溫減壓器設計

1 概述

分體式蒸汽減溫減壓器是化工生產中常用的設備，包括減溫器、減壓閥、減溫水調節閥、蒸汽管道、減溫水管道及相關儀表，本文主要介紹分體式減溫減壓器工藝計算過程及管道布置。

2 工藝描述

2.1 工藝描述

SP公司使用中壓蒸汽及低壓蒸汽，中壓蒸汽來自化工園區外管廊。進入SP界區的中壓蒸汽管線首先進入減溫器E-01，減溫至280℃，一部分送往中壓蒸汽用戶直接使用，一部分進入減溫減壓器E-02，減溫減壓至0.7MPa（A），180℃，再送往裝置低壓蒸汽用戶使用。

本項目的冷凝水將進行回收，中壓蒸汽產生的冷凝水經閃蒸回收后并入低壓蒸汽冷凝水系統；低壓蒸汽冷凝水一部分送往循環水，另一部分由減溫水泵送往減溫減壓器E-01、E-02作為減溫水使用；減溫水溫度為100℃。系統流程圖見圖1。

圖1 系統流程圖

2.2 工藝參數

SP公司蒸汽來自化工園區中壓蒸汽母管，蒸汽分配臺出口蒸汽參數：

溫度：410℃

壓力：4.1MPa（A）

流量：65t/h

母管直徑：DN300

SP公司使用的中壓蒸汽及低壓蒸汽，中壓蒸汽參數：

溫度：241℃

壓力：3.4MPa（A）

流量：5.9t/h

低壓蒸汽參數：

溫度：165℃

壓力：0.7MPa（A）

流量：3.6t/h

3 蒸汽管道設計

根據工藝參數，按照HG/T20570.1—1995 《設備和管道系統設計壓力和設計溫度的確定》確定管道設計參數為：

中壓蒸汽：設計溫度450℃

設計壓力：4.4MPa（A）

設計用量：6t/h

低壓蒸汽：設計溫度210℃

設計壓力：0.9MPa（A）

設計用量：3.6t/h

3.1 管徑初選

根據《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》，中壓蒸汽流速按20m/s，計算公式：

di：管內徑，mm；

qv：在操作條件下流體的體積流率，m3/h；

u：流體的流速，m/s。

∵蒸汽在4.1MPa（A），410℃時的密度為15.05kg/m3

∴qv＝Q÷ρ

＝5 900÷15.05

＝392m3/h

＝83.23mm

初選管徑DN100。

3.2 管道壓力降計算

根據現場配管，中壓蒸汽由化工園區管廊引入，由蒸汽分配臺出口開始，配置DN300母管，開孔點距離蒸汽分配臺1 350m，母管彎頭數量106個；開孔點到SP公司界區間距長1 470m，彎頭數量99個，法蘭閘閥2臺。

DN300母管計算壓力降為2.15bar，即0.215MPa；

DN100管線計算壓力降為7.68bar，即0.768MPa，界區壓力＝4.1-0.215-0.768＝3.177MPa（A），壓力降過大；

DN150管線計算壓力降為2.87bar，即0.287MPa，界區壓力＝4.1-0.215-0.287＝3.598MPa（A）較合適。

3.3 管徑選擇

根據上述計算，選擇管徑DN150。

3.4 壁厚、材質選擇

管道設計溫度450℃，根據TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程》選用15CrMoR合金鋼管線，設計壓力4.4MPa（A），根據SH3059—2012《石油化工管道設計器材選用規范》，直管計算壁厚為：

t：直管計算壁厚，mm；

P：設計壓力，MPa；

D0：管子外徑，mm；

（σ）t：計算溫度下管子材料許用應力，MPa；查GB150—2011《壓力容器》；取91MPa；

Φ：焊縫系數，對無縫鋼管取1；

W：焊縫接頭強度系數，單面對焊100％探傷取1.0；

Y：溫度對計算直管壁厚的修正系數；≤482℃鐵素體鋼取0.4；_

T：名義厚度，標準規定的厚度，mm；

C1：材料厚度負偏差，按材料標準規定，mm；取0.4mm；

C2：腐蝕、沖蝕余量，mm；化工園區為輕微腐蝕，取1mm；

C3：機械加工深度，mm；取0.5mm；

C4：厚度圓整值，mm

∴直管計算壁厚為：t＝3.99

再根據HG/T20533—2011《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列》壁厚按公式：

Sch.No.=P÷S×1 000

P：設計壓力（MPa）；

S：設計溫度下材料的許用應力，根據GB 150.2-2011查得15CrMoR在450℃下許用應力為91MPa；

∴Sch.No.＝4.4÷119×1 000＝48.35

可選用壁厚大于SCH40，根據SH/T3405—2012《石油化工鋼管尺寸系列》選用SCH80壁厚10.97，大于管道計算名義厚度6mm，滿足要求。即管道壁厚選擇為SCH80，10.97mm。

4 減溫減壓器設計

4.1 減溫減壓器參數

蒸汽由蒸汽分配臺送出，經過1 350mDN300管線，再經過1 470mDN150管線，至界區處有一定的壓力降和溫度降低，由計算得知，減溫器E-01進口壓力：3.598MPa（A），溫度：396.4℃，流量6t/h；減溫器E-01出口壓力：3.598MPa（A），溫度：280℃，流量6t/h；減壓閥PCV-01進口壓力：3.598MPa （A），溫度：280℃，流量3.6t/h；減溫器E-02出口壓力：0.7MPa（A），溫度：180℃，流量3.6t/h。減溫減壓器參數見表1。

表1 減溫減壓器參數

4.2 減溫水量計算

按能量守恒，公式：

Win×（Hin-Hout）=Ws×（Hout-Hs）

Win：進入減溫減壓器的蒸汽流量，kg/h；

Ws：減溫水量，kg/h；

Hin：進入減溫器的蒸汽焓，kJ/kg；

Hout：減溫器出口蒸汽焓，kJ/kg；

Hs：減溫水焓

∵查表得3.598MPa（A），394.4℃下蒸汽焓Hin為3 214.204 kJ/kg

3.598MPa（A），280℃下蒸汽焓Hout為2 918.681kJ/kg

常壓，100℃水焓Hs為417.5108kJ/kg

∴Ws=Win×（Hin-Hout）÷（Hout-Hs）

=6 000×（3 214.204-2 918.681）÷（2 918.681-417.5108）

=708.9

≈709

即減溫器E-01減溫水用量為709kg/h；

∵查表得0.7MPa（A），233.71℃下蒸汽焓Hin為2 919.26 kJ/kg

0.7MPa（A），180℃下蒸汽焓Hout為2 798.044kJ/kg

常壓，100℃水焓Hs為417.5108kJ/kg

∴Ws=Win×（Hin-Hout）÷（Hout-Hs）

=3 600×（2 919.26-2 798.044）÷（2 798.044-417.5108）

=183.31kg

≈183kg

即減溫減壓器E-02減溫水用量為183kg/h；

4.3 減溫器E-01及E-02尺寸設計

減溫減壓器的尺寸設計主要根據管道內流速設定，減溫減壓器內流速過低，會出現減溫水吸收不完全，甚至落到管壁上導致管道熱應力破壞。在設計中，考慮管道內流速為30～70m/s。為取得最小壓力降，流速按30m/s取值計算：

按流量計算公式： Q=V×A

Q：流量m3/h；

V：流速m/s；

A：流道面積m2。

E-01流道面積計算：

∵3.598MPa（A），396.4℃下蒸汽密度為12.195kg/m3，

∴A=Q÷V

=6 000÷3 600÷12.195÷30

=0.004 6m2

∵管道截面積 A=πR2

=0.038m

∴減溫器E01可選用管徑為76mm，

所以減溫器管徑選定為DN80。

E-02流道面積計算：

∵0.7MPa（A），280℃下蒸汽密度為2.797kg/m3，

∴A=Q÷V

=3600÷3600÷2.797÷30

=0.01192m2

∵管道截面積 A=πR2

=0.0616m

∴減溫器E901可選用管徑為123.2mm。

由于管道內壓力不高，為防止出現減溫水吸收不完全的情況，管內流速適當加大，所以減溫器管徑選定為DN100。

4.4 減壓閥PCV-01的設計

蒸汽減壓閥的作用是降低蒸汽壓力，獲得所需較低壓力的蒸汽；根據SH3012—2011《石油化工金屬管道布置設計規范》，減壓閥宜安裝在水平管段上，并在減壓閥前后設置直管段和旁路，閥前直管段600mm，閥后直管段1500mm，閥前安裝過濾器，閥后安裝安全閥；PCV-01的減壓閥壓差為2.9MPa，選用膜片活塞式減壓閥。

5 配管設計

減溫器后應安裝直管段，以保證最低霧化混合距離，防止水霧吸收不完全。本套減溫器廠家給定的直管段安裝距離分別為E-01直管段6m，E-02直管段4m。管道布置應保留足夠的直管段并控制管道的柔性，由于布置場地空間有限，管道進行并排布置。管道布置圖見圖2。

圖2 管道布置圖

6 結論

分體式減溫減壓器的設計其核心內容為設計減溫器的尺寸和減溫水量的匹配，嚴格控制管道內蒸汽流速才能發揮出減溫器的作用并保證管路的安全，流速過大將導致管路阻力過大，流速過小將影響水霧的吸收。不同品牌的減溫器及減壓閥其結構略有不同，在設計時應通過供貨產品特性進行二次設計以完成項目的設計工作。SP公司的減溫減壓系統于2015 年11月建成投產，至今運行正常，佐證了設計的正確性。

[1]TSG D0001—2009.壓力管道安全技術監察規程[S].

[2]SH3059—2012.石油化工管道設計器材選用規范[S].

[3]GB150—2011.壓力容器[S].

[4]SH3012—2011.石油化工金屬管道布置設計規范[S].

[5]李廣軍，王彥枝.噴水型減溫減壓器分體式結構的設計與分析[J].閥門，2015，（4）.

[6]周翔.淺談減溫減壓器系統的設置及工藝計算[J]，科技創新導報，2015，（22）：153-154.

Steam Desuperheating & Decompression device Design

Xu Wen-geng

Introducing the design process for Steam Desuperheating & decompression device of SP CO.，LTD，including steam pipeline、desuperheating & decompression device calculation and design，etc.，and lists the main design specifications，it through the operation of the actual test，reached the desired effect。

steam desuperheating & decompression device；steam；piping design；desuperheating & decompression device design

TQ050

A

1003-6490（2016）08-0053-03

2016-08-10

徐文賡（1981—），男，江蘇南京人，工程師，主要從事化工設計行業工作。