烯烴分離裝置丙烯制冷壓縮機管道設(shè)計要點

趙小溪

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

近年來，隨著甲醇制烯烴(MTO)技術(shù)的發(fā)展和烯烴分離單元工藝的進一步優(yōu)化， 甲醇制烯烴聯(lián)合裝置向著更加高效、節(jié)能、平穩(wěn)的方向發(fā)展。丙烯制冷壓縮機是烯烴分離單元中的關(guān)鍵設(shè)備。該機組以丙烯為介質(zhì)，通過壓縮、冷凝、蒸發(fā)達到制冷效果，提供冷量給低溫系統(tǒng)中的各用戶，以補償系統(tǒng)中的冷量損失。丙烯制冷壓縮機的長期平穩(wěn)運行對于全裝置的穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。本文將結(jié)合機組的管道設(shè)計工作，總結(jié)歸納機組廠房布置、管道布置及低溫管道的設(shè)計要點，并有針對性的提出一些此類管道設(shè)計工作中需要注意的問題。

1 機組概述

本文所涉及的丙烯制冷壓縮機組主要由離心式壓縮機(單缸三段)及汽輪機(抽氣凝氣式)組成，其輔助系統(tǒng)主要為潤滑及調(diào)節(jié)油系統(tǒng)、壓縮機干氣密封系統(tǒng)、汽輪機調(diào)節(jié)油系統(tǒng)、汽輪機蒸汽疏水系統(tǒng)、冷凝器及其輔助設(shè)備、密封蒸汽輔助系統(tǒng)等。本套丙烯制冷壓縮機采用水平剖分，主要由定子(機殼、隔板、軸承等)和轉(zhuǎn)子(軸、葉輪、平衡活塞、推力盤等)組成。壓縮機為單缸三段壓縮，在二段和三段入口分別補氣，8個葉輪串級布置，其中一段兩個葉輪，二段三個葉輪，三段三個葉輪。為平衡軸向力，設(shè)平衡活塞，8個葉輪依次排列，殘余軸向力由推力軸承進行平衡。殼體采用焊接殼體，碳鋼材質(zhì)，水壓試驗壓力按最大工作壓力的1.5倍進行。葉輪為閉式銑制焊接葉輪，合金鋼材質(zhì)。主軸采用合金鋼鍛造而成。平衡盤采用熱裝式，合金鋼材質(zhì)。壓縮機驅(qū)動用汽輪機采用中壓抽汽凝氣式汽輪機。壓縮機和汽輪機之間采用帶中間節(jié)的膜片式聯(lián)軸器進行聯(lián)接。軸封采用串聯(lián)式干氣密封，干氣密封盤固定在壓縮機旁的二層平臺上。

2 丙烯制冷壓縮機組廠房布置

合理布置壓縮機組及其輔助設(shè)備才能實現(xiàn)管道正確合理的安裝[2]。

本套丙烯制冷壓縮機組由離心式壓縮機、抽汽凝汽式汽輪機及輔助系統(tǒng)組成，采用雙層布置，壓縮機和汽輪機采用聯(lián)合底座，壓縮機干氣密封布置在機組廠房二層樓板上(見圖1)，潤滑油系統(tǒng)布置在廠房地面層。潤滑油高位油箱置于廠房附管橋頂平臺上(見圖1)，冷凝器布置在廠房地面層，汽封冷卻器，中冷-后冷器及蒸汽密封單元布置在廠房內(nèi)中間層平臺上(見圖2)。

圖1 廠房豎面圖

圖2 機組輔助設(shè)備平面布置圖

3 丙烯制冷壓縮機組管道布置

3.1 總體布置原則

要做好離心式壓縮機進出口管道的設(shè)計，應(yīng)主要考慮以下幾個方面的問題：

(1) 壓縮機周圍的管道布置不應(yīng)影響壓縮機的吊裝及檢修，并應(yīng)留有檢修空間[1]。

a. 本套壓縮機的管道布置根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點、操作和檢維修要求進行設(shè)計。與機組相連接的干氣密封管線均布置在壓縮機二層樓板下方，這樣可以保證壓縮機及周圍的管道不會妨礙壓縮機的操作和維修。

b. 壓縮機廠房二層樓板上設(shè)有吊裝孔及檢修承重區(qū)。廠房中間層機組輔助設(shè)備平臺上布置有汽封冷卻器，中、后冷卻器及蒸汽密封單元等設(shè)備，因此，該區(qū)域管道布置既要考慮到不能影響吊車的正常運行，同時也要兼顧到不得占用機組及輔助設(shè)備檢修和抽取內(nèi)件的空間。

(2) 壓縮機進出口管道的布置在滿足管道柔性及管口受力的條件下，應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少[3]。

a.壓縮機進出口管道均采用沿地敷設(shè)布置，地面水平敷設(shè)段無彎頭，確保工藝的低壓降要求。

b.壓縮機出口管道應(yīng)進行應(yīng)力分析計算，確保其具有柔性，保證機組安全運行。

(3) 離心式壓縮機進出口管道對管口的作用力和力矩應(yīng)符合制造廠或API Std 617的要求[3]。

離心式壓縮機的進出口管道，通常不進行振動分析，但必須對上述管道進行柔性分析，使壓縮機進出口管嘴受力小于其允許值，并使其疊加的合力和合力矩也小于其允許值。允許值一般由制造廠提供，若制造廠沒有提供允許值，可按API 617和NEMA SM23的規(guī)定確定。根據(jù)API 617的規(guī)定，該力和力矩的允許值是NEMA SM23 規(guī)定值的1.85倍[3]。

壓縮機管道類型不僅局限于機組進出口工藝介質(zhì)管道，同時還包括驅(qū)動蒸汽以及附屬的氮氣、凝結(jié)水和潤換油管道等，對于機組平穩(wěn)運行而言，這些管道的作用也是不容忽視的。所以，對上述管道進行規(guī)劃時，既要考慮工藝流程的要求，又要兼顧管道布局的合理性，例如，凝結(jié)水管線布置的高差要求，潤滑油管線的坡度要求等。因為各種機型之間存在一定的差異性，所以在管道設(shè)計的時候也會有不同的要求，故應(yīng)結(jié)合實際情況，綜合考慮。

3.2 機組低溫管道設(shè)計要點

烯烴分離單元采用中冷分離技術(shù)，所以在管道設(shè)計的過程中，需要對管線材質(zhì)的低溫脆性做充分考慮。同時，若要將冷損失降至最低，那么合理的選擇保冷材料及選取合適的支架類型就顯得尤為重要。

以下筆者將結(jié)合本裝置的特點，通過選取丙烯制冷壓縮機一、二、三段入口低溫管道上的閥門布置及支架設(shè)置這兩個關(guān)鍵點來闡述低溫管道的設(shè)計要點。

3.2.1 機組入口管道低溫閥門的布置要點

低溫閥門具有長頸閥蓋(見圖3)的結(jié)構(gòu)特點，作用是使閥門的手輪及填料函遠離低溫介質(zhì)，進而保證填料函底部溫度在零攝氏度以上，其目的是防止填料密封性能降低，延長填料的使用年限。由于低溫閥門自身的結(jié)構(gòu)特點，其安裝也具有一定的特殊性。低溫閥門宜安裝在水平管道上，閥桿方向宜垂直向上，目的就是為了防止低溫介質(zhì)流到閥蓋的加長部分，造成填料失效，進而將冷量傳到手輪，危及操作人員的人身安全。由于低溫閥門安裝的特殊性， 丙烯壓縮機進口工藝管線上的低溫閥門可采用集中布置，并在管線沿地敷設(shè)段的合適位置設(shè)置操作平臺，以解決手輪過高不便于操作的問題。

圖3 一種低溫閥門剖面圖

此外，泄壓孔也是低溫閥門的另一個重要特點。通常情況下，在低溫閘閥或球閥中應(yīng)開設(shè)泄壓孔。因閥門在關(guān)閉的狀態(tài)下，閥腔內(nèi)充滿低溫介質(zhì)，如遇溫度變化，會出現(xiàn)低溫介質(zhì)氣化的情況，閥腔壓力急劇提升，如不及時泄壓，會導(dǎo)致閥門泄漏，更嚴(yán)重的情況則是閥體開裂，導(dǎo)致事故發(fā)生。故在安裝閥門時，一定要注意閥門的安裝方向，以確保閥體所標(biāo)識的泄壓的方向和流程圖保持一致。

3.2.2 機組入口低溫管道的支架設(shè)計要點

減少冷損失是保冷支架設(shè)置的重要理念之一，正確設(shè)置保冷支架可以有效防止"冷橋"的產(chǎn)生。在水平敷設(shè)低溫管道的時候，所使用的保冷支架與傳統(tǒng)支架不同，為避免低溫管線的冷損失，保冷支架均設(shè)置有保冷結(jié)構(gòu)，一般為木塊或者隔熱塊，水平敷設(shè)的低溫管道通常采取的支架形式為管箍式，其作用是不僅可以降低施工難度，同時也便于日后的檢維修。丙烯制冷壓縮機一、二、三段入口低溫管線的保冷支架選型和設(shè)置的要點應(yīng)綜合考慮隔冷塊的機械強度、管線檢維修以及支架的止推、導(dǎo)向及低摩擦等多重因素。

圖4為一種標(biāo)準(zhǔn)滑動保冷支架的結(jié)構(gòu)形式圖。圖5為一種應(yīng)用于丙烯制冷壓縮機入口管道上的非標(biāo)保冷支架示意圖。

圖4 一種標(biāo)準(zhǔn)滑動保冷支架結(jié)構(gòu)圖

圖5 保冷止推支架示意圖

4 結(jié)語

壓縮機及其附屬管道布置的安全、合理、可靠性對裝置的平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用。筆者在不斷總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗的過程中認為以下幾點是丙烯制冷壓縮機及其附屬管道設(shè)計工作中應(yīng)該認真考慮的問題：

(1)嚴(yán)格執(zhí)行國家及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是布置壓縮機及其附屬管道的前提條件。

(2)合理優(yōu)化布局機組與廠房及其配套設(shè)備的相對位置是實現(xiàn)管道合理布局的基本條件。

(3)正確選擇保冷支架類型是實現(xiàn)壓縮機平穩(wěn)運行的關(guān)鍵條件。正確設(shè)置保冷支架位置(例如，預(yù)留好管箍式保冷支架與其相鄰低溫管道的安裝空間)是設(shè)計細節(jié)的體現(xiàn)。

總之，設(shè)計人員應(yīng)充分貫徹落實設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，善于結(jié)合用戶使用情況及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，注重設(shè)計細節(jié)處理，不斷提升設(shè)計人員的設(shè)計水平。