寒冷地區水泥廠壓縮空氣管道保溫設計

彭延松，謝 穎，房明慧（北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024）

0 前言

蒙欣水泥廠項目所在地蒙古國中央省冬季最低環境溫度能達到零下40℃，項目設計要求生產線年運轉率不低于85%。故在設計過程中，工藝、土建、電氣等專業都進行了應對極寒氣候的專項設計，尤其是在容易被忽略的壓縮空氣管道保溫設計方面，我們進行了充分的方案分析及論證，通過這個項目也形成了一套寒冷地區水泥廠壓縮空氣管道保溫設計流程，為后續類似項目提供設計依據。

1 壓縮空氣管道保溫設計的思路

1.1 寒冷地區壓縮空氣管道需要保溫的必要分析

目前水泥廠常用的螺桿式空壓機排氣溫度在40℃左右，排氣壓力在0.5～0.8MPa，此時的壓縮空氣中的水蒸氣一般是飽和狀態，然后通過空氣干燥機，將壓縮空氣露點降低，使其在后續溫降過程中不析出水，避免因環境溫度低導致水在用氣點孔徑小的管路里結冰堵塞管路造成生產事故。目前寒冷地區壓縮空氣干燥機一般都采用效果好的微熱吸附式干燥機，壓縮空氣理論露點能降到零下40℃。但在實際生產過程中，因干燥機介質更換不及時、干燥機壓縮空氣理論處理量小于實際通過量等問題，在寒冷地區水泥廠冬季生產中，即便采用了微熱吸附式干燥機，還是會經常出現壓縮空氣管道用氣點析出水結冰后堵塞管路的現象。故為了徹底避免寒冷地區壓縮空氣管道用氣點結冰堵塞問題，一個是在壓縮空氣源頭即空壓機站就把壓縮空氣溫度降到比室外環境溫度還低，這樣就能保證在整個壓縮空氣輸送管路中不會有水析出，但這個方案的投資及運行成本決定了這個方案幾乎是不可能的；另一個是對從空壓機站至各用氣點的壓縮空氣管道進行外保溫甚至是電伴熱，保證整個壓縮空氣輸送管路中的溫度不會低于水的“冷凝點”，這個方案投資及運行成本低，適合寒冷地區水泥廠壓縮空氣系統設計。

1.2 寒冷地區壓縮空氣管道保溫設計的計算方案

為了簡化計算過程，我們將復雜的從空壓機站至各用氣點的壓縮空氣輸送過程中的換熱過程理解為簡單的管路散熱過程，采用距空壓機站最遠端用氣點進行核算，管道散熱量按照“水泥廠工藝設計手冊上生產管路中的管道保溫熱損失參考”進行估算，熱源考慮壓縮空氣自身溫度、管路電伴熱及用氣點車間內采暖對壓縮空氣管道的局部加熱，熱量平衡示意圖見圖1。根據計算結果分析各熱源對壓縮空氣用氣點溫度的影響、指導壓縮空氣管道保溫設計過程、總結設計經驗，根據生產實際情況驗證該計算方法的準確性。

圖1 寒冷地區壓縮空氣管道熱量平衡示意圖

2 壓縮空氣管道保溫設計過程

2.1 設計條件

壓縮空氣出空壓機站時的溫度約40℃，冬季生產時室外環境最低溫度約-30℃，空壓機站至最遠用氣點距離約1 000 m，電伴熱功率約20 W/m，用氣點車間采暖后室內溫度約15℃。

2.2 各熱量分項計算

各熱量分項計算見表1。

2.3 計算結果

（1）當壓縮空氣管道全程保溫，但不采取電伴熱及用氣點車間采暖時，該項目壓縮空氣在用氣點處溫度為-7℃。

表1 各熱量分項計算

（2）當壓縮空氣管道全程保溫、壓縮空氣管道上全程采用電伴熱時，該項目壓縮空氣在用氣點處溫度為3℃。

（3）當壓縮空氣管道全程保溫、壓縮空氣管道上全程采用電伴熱且對壓縮空氣用氣點車間采暖時，該項目壓縮空氣在用氣點處溫度為4℃。

2.4 結果分析

由以上計算結果可知，在該項目壓縮空氣管道輸送過程中，對用氣點處壓縮空氣溫度影響最大的熱源是壓縮空氣自身熱量，其次是電伴熱、最后是用氣點車間采暖；

在寒冷地區壓縮空氣管道上是否需要保溫、是否需要增設電伴熱等措施是通過計算得出的，當計算出的壓縮空氣在用氣點處溫度低于“冷凝點”時，就需要設計管道保溫甚至是增設電伴熱等措施。

根據以上計算及分析結果，該項目決定對壓縮空氣管道全程保溫、全程采用電伴熱。

3 使用效果

我公司蒙古國蒙欣水泥廠項目自2016年順利投產至今沒有出現過任何因壓縮空氣用氣點管道內結冰堵塞的事故，壓縮空氣管道各排水點在冬季生產時運行正常，說明以上寒冷地區壓縮空氣管道保溫設計流程可行。

（1）在寒冷地區的水泥廠冬季生產室外最低環境溫度低于零下20℃時，就必須在壓縮空氣管道設計時考慮壓縮空氣管道保溫設計；

（2）壓縮空氣管道電伴熱每米功率低，壓縮空氣管道局部增加電伴熱意義不大，故建議壓縮空氣管道保溫設計增加電伴熱時采用全程電伴熱設計；

（3）用氣點車間內采暖對壓縮空氣用氣點處溫度影響幾乎可以忽略，且此措施投資大，故沒有必要僅為了增加壓縮空氣在用氣點處溫度就對用氣點整個車間或車間內局部進行采暖。

4 結語

國內很少會遇到如此寒冷的水泥廠建設項目，就算是北方有極寒氣候，大部分水泥廠也會在冬季因市場停產，之前我們沒有對寒冷地區水泥廠壓縮空氣管道保溫設計給予足夠重視。隨著我國水泥廠建設在國際市場的延伸，越來越多的極寒地區的水泥廠建設項目需要進行設計，在此過程中要充分考慮環境對壓縮空氣系統設計的影響，在設計過程中解決壓縮空氣管道保溫問題，避免現場對壓縮空氣系統進行整改工作，保證項目冬季順利穩定運行。