化工裝置加熱爐進(jìn)出口分支管線直管段要求

朱 凱

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

加熱爐的進(jìn)出口管線是化工裝置中最重要的管線之一，由于管線的重要性，管道設(shè)計(jì)專業(yè)通常會(huì)在這些管道布置后作應(yīng)力分析以保證管線的安全。《工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊》對于加熱爐管線有一個(gè)總體的要求[1]，其中關(guān)于加熱爐進(jìn)出口管道一個(gè)最重要的要求是應(yīng)保持各路流量的均勻，對于在管線中不設(shè)置流量調(diào)節(jié)裝置的管道要求對稱布置，尤其是對于氣液兩相流體管道。

這一點(diǎn)在工藝管道及儀表流程圖一般都有注釋，但注釋的內(nèi)容和方式不盡相同。其中有部分裝置僅注釋“加熱爐進(jìn)出口管線對稱布置”，有的注釋為“加熱爐進(jìn)出口管線必須對稱布置，主管分支點(diǎn)前應(yīng)有不小于5倍管徑的直管段”，有的注釋內(nèi)容則比較嚴(yán)格“加熱爐進(jìn)出口管線必須對稱布置，主管分支點(diǎn)前應(yīng)有20D的直管段，且直管段前/后的彎頭必須與下/上游連接的三通垂直”，有的是在這個(gè)較為嚴(yán)格的注釋的基礎(chǔ)上對20D的直管段進(jìn)行了放寬，“要求有一定的直管段”。

根據(jù)《工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊》上的說明，首先可以得出一個(gè)結(jié)論：對于各路管線上有流量調(diào)節(jié)閥的管線，此類注釋可以標(biāo)注也可以不標(biāo)注，但對于在管線中無流量調(diào)節(jié)裝置的管道則需標(biāo)注。

圖1 加熱爐簡易管道布置示意圖

主管分支點(diǎn)前應(yīng)有直管段，且直管段前/后的彎頭必須與下/上游連接的三通垂直，這一點(diǎn)對管道中流體的均勻分布是非常有貢獻(xiàn)的，但是主要的問題在于這段直管段的長度應(yīng)該為多少。對于流體穩(wěn)定流動(dòng)來講，直管段越長越好[2]，但對于工程設(shè)計(jì)這是不現(xiàn)實(shí)的。

圖1為管道設(shè)計(jì)中最簡易的加熱爐管道布置示意圖，圖中管道滿足了分支點(diǎn)前的直管段以及彎頭與三通垂直的條件。由圖中可以看出，影響管線中流體流動(dòng)的主要因素是彎頭。

圖2 單相流體流經(jīng)彎頭流體流速分布圖[3]

圖2為文獻(xiàn)[3]中基于FLUENT模擬單相流體經(jīng)過彎頭時(shí)流動(dòng)流速的分布圖，由圖中可以很直觀的看出流體流經(jīng)彎頭后的流動(dòng)狀態(tài)，因此流體在流經(jīng)彎頭后需要一段直管段來保證達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài)。

一般來講，在圖1中，對于管道設(shè)計(jì)L1的直管段是很容易滿足要求的，主管道在管架上布置，管架本身寬度有6～8 m，再加上管架與加熱爐的距離，對于DN200～400的管道，即便要求20D的直管段，也可以輕松的滿足。所以對于2路進(jìn)料的加熱爐其進(jìn)出口管道布置相對比較簡單，但是如果加熱爐為4路進(jìn)料，要再滿足L2的20D的直管段就不是很容易實(shí)現(xiàn)。

在管道設(shè)計(jì)中，對于直管段有要求一般有泵的入口、壓縮機(jī)入口以及流量計(jì)的進(jìn)出口等。其中對于泵的入口管線，要求不小于3D的直管段，對于壓縮機(jī)入口管線要求至少2DN的直管段[4-5]，而對于對直管段的要求最細(xì)致明確的是儀表流量計(jì)，不同的儀表對于直管段的要求不一樣，儀表廠家都會(huì)對生產(chǎn)的流量儀表給出相應(yīng)的直管段要求，其要求的直管段范圍在5～50D之間。文獻(xiàn)[6]中概括了流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中直管對于各種管道公稱直徑下多種管道結(jié)構(gòu)的要求，如表1所示。

表1 直管對于各種管道公稱直徑下多種管道結(jié)構(gòu)的要求[6]

文獻(xiàn)[7]中總結(jié)了不同標(biāo)準(zhǔn)中對于不同設(shè)備所要求的穩(wěn)流段直管要求，見表2。

表2 穩(wěn)定段直管要求[7]

對于像加熱爐進(jìn)出口這種達(dá)到穩(wěn)流需要多長的直管段，并沒有一個(gè)非常明確規(guī)范，而且由于不同裝置加工的油品不同，加熱爐中的流體從重渣油到較輕的汽柴油再到氫氣及氣液混相等，流體的性質(zhì)差異較大，因此它們在管道中流動(dòng)的過程中到達(dá)穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)所需要的直管段長度也就不盡相同。但是總的來說我們可以參考文獻(xiàn)中對直管段的要求取一個(gè)范圍。流量計(jì)一般為準(zhǔn)確測量的設(shè)備，因此其要求流體的穩(wěn)流度應(yīng)該是最嚴(yán)格的，對于加熱爐入口，分支點(diǎn)前一般有一個(gè)彎頭或者不在同一平面上的兩個(gè)彎頭，參考表1中總結(jié)的流量計(jì)對直管段要求，對于加熱爐分支點(diǎn)前應(yīng)該要求7～12D的直管段；泵和壓縮機(jī)的對入口穩(wěn)流的要求應(yīng)該比流量計(jì)要差一些，參考表2，對于加熱爐分支前可以要求2～3 D的直管段。

圖3為文獻(xiàn)[3]中基于FLUENT模擬多相流體經(jīng)過彎頭時(shí)流動(dòng)流速的分布圖，對比圖1.2可以看出多相流體相對于單相流體的流動(dòng)狀態(tài)要復(fù)雜很多，經(jīng)過彎頭后要達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)需要的直管段更長。因此對于兩相進(jìn)料的加熱爐，其分支前的直管段應(yīng)該要求更嚴(yán)格一點(diǎn)。

圖3 多相流體流經(jīng)彎頭流體流速分布圖[3]

綜上，由于流體流動(dòng)的復(fù)雜性，再考慮到工程建設(shè)中的誤差，很難做到加熱爐的分支管線中流體的完全平均，為了保證加熱爐運(yùn)轉(zhuǎn)正常，需要盡可能做到其進(jìn)出口管線的對稱布置，保證各分支中流體的均勻。因此參考流量計(jì)以及泵和壓縮機(jī)入口對直管段的要求，再結(jié)合加熱爐的實(shí)際情況，將加熱爐進(jìn)出口分支點(diǎn)的直管段定為5～10D是比較合理的。進(jìn)而可以再根據(jù)不同裝置加熱爐中流體的性質(zhì)，在5～10D的直管段要求內(nèi)進(jìn)一步劃分，同時(shí)要求該直管段盡可能長。這樣不但能更清楚、明確的對管道設(shè)計(jì)專業(yè)起到指導(dǎo)作用，也可以避免工程設(shè)計(jì)中難以滿足過長直管段要求的問題。