西北地區(qū)空冷器在煤化工的應(yīng)用及其布置設(shè)計(jì)

夏云，潘峰

1.武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430233；2.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430233

西北地區(qū)空冷器在煤化工的應(yīng)用及其布置設(shè)計(jì)

夏云1，潘峰2

1.武漢江漢化工設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430233；2.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430233

隨著國家環(huán)保政策的加強(qiáng)，空氣冷卻器廣泛應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域，特別是在中國西北部嚴(yán)重缺水區(qū)域，其低碳環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢相較于水冷卻系統(tǒng)有著明顯優(yōu)勢.為將空氣冷卻器應(yīng)用到寧夏地區(qū)的工業(yè)中，結(jié)合空冷器的設(shè)備特點(diǎn)及類型、工業(yè)應(yīng)用、設(shè)備布置、工藝管道布置的常規(guī)要求，以煤產(chǎn)豐富的寧夏地區(qū)煤氣化裝置的空冷器為實(shí)例進(jìn)行了研究.結(jié)合西北部地區(qū)項(xiàng)目空冷器的特點(diǎn)、當(dāng)?shù)氐臍鉁貐?shù)等工藝要求提出了設(shè)計(jì)方案：以空冷器為主，水冷器為輔的復(fù)合性冷卻系統(tǒng)，以滿足西北地區(qū)煤化工工藝的冷卻要求，提升空冷器在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用效果，提高其冷卻效率.

空冷器；煤化工；設(shè)備布置；管道布置

1 空氣冷卻器的設(shè)備構(gòu)成與類型

空氣冷卻器，簡稱空冷器，該設(shè)備為將高溫工藝介質(zhì)冷卻或冷凝到要求的溫度，使用環(huán)境空氣作為其冷卻的介質(zhì)，在石油化工、冶金、煉油、發(fā)電站、能源動力等工業(yè)中廣泛應(yīng)用了空冷器作為冷凝和冷卻系統(tǒng)設(shè)備.空冷器節(jié)水節(jié)能，操作方便，環(huán)境無污染、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等優(yōu)勢，伴隨加強(qiáng)的國家環(huán)保政策，普遍運(yùn)用于中國西北部嚴(yán)重缺水區(qū)域.尤其是在寧夏地處西部高寒缺水沙漠地區(qū)，化工裝置中合理設(shè)置冷卻系統(tǒng)對其高溫、高壓的工藝流程至關(guān)重要，該地區(qū)非常適合采用空冷器.

管束、構(gòu)架、風(fēng)機(jī)及百葉窗等作為重要部件構(gòu)成了空冷器.管束一般由若干排翅片管組成，是傳熱的基本部件.構(gòu)架由鋼結(jié)構(gòu)組成以支撐整個空冷器設(shè)備，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)驅(qū)動通過管束帶走熱量，使其工藝介質(zhì)實(shí)現(xiàn)冷卻或冷凝，再由百葉窗或者風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制其空氣的流量，保證冷卻量的同時保護(hù)翅片管.空冷器的通風(fēng)形式的分類有：自然通風(fēng)式和引風(fēng)式以及鼓風(fēng)式空冷器；按冷卻方式可分為：濕式、干式以及干濕聯(lián)合空氣冷卻器；按管束布置形式分為：斜頂式、立式、圓環(huán)式以及水平式空冷器.水平鼓風(fēng)式或引風(fēng)式空冷器是當(dāng)今中國煤化工運(yùn)用最廣泛的空氣冷卻器裝置，水平鼓風(fēng)式空冷器在本裝置中也得到了很好的應(yīng)用.

2 空氣冷卻器的工業(yè)應(yīng)用

空冷器相較于水冷器一次投資高，設(shè)備數(shù)量更多，重量更大，所需鋼結(jié)構(gòu)支撐費(fèi)用更高，占地也更大.但是空冷器無需循環(huán)水的使用，節(jié)省循環(huán)水場的建設(shè)投資、占地和能耗.占地面積方面，空冷器設(shè)備雖然占地絕對面積較大，但是空冷器支撐的下層鋼結(jié)構(gòu)可做管廊或布置泵等其它設(shè)備，有較高的空間利用率［1］.管道布置方面，塔頂出來的回流液體經(jīng)冷凝后為兩相流液體，要求盡可能靠近下游的設(shè)備裝置鋪設(shè)兩相流管道，以達(dá)到保證管道使用壽命，防止管道震動的目的.通常空冷器由多個設(shè)備并聯(lián)組成，并布置在管廊框架頂部.并聯(lián)的空冷器設(shè)備其進(jìn)出口管道布置難度較大，是由于其管道的分布較多且呈對稱布置.布置在主裝置結(jié)構(gòu)上的水冷器，其進(jìn)出口管道少于空冷器，且距下游的設(shè)備裝置更近，因此其管道布置也更加方便.總體上空冷器和水冷器相比的優(yōu)勢重點(diǎn)在于：無需其他附屬配套設(shè)備及費(fèi)用的空氣能夠任意獲?。粔勖L、腐蝕小以及維護(hù)費(fèi)用少；對環(huán)境友好、無污染等.但空冷器也同樣有若干缺點(diǎn)：其在空氣側(cè)存在較小的傳熱膜系數(shù)，因此需要增大傳熱的安裝面積；環(huán)境溫度的變化影響其冷卻效果非常明顯；運(yùn)行噪聲較大等.

顯而易見，在我國西北區(qū)域、淡水資源供給匱乏、調(diào)配水成本高的區(qū)域、水質(zhì)腐蝕性強(qiáng)和水冷易結(jié)垢的地區(qū)，使用空氣冷卻冷凝比較有利.通常滿足下述條件中的4項(xiàng)及以上就比較適合采用空冷［2］：

（1）溫度高于50～60℃的出口熱流體，且高于3～5℃允許波動溫度.

（2）進(jìn)口的空氣溫度和出口的熱流體溫度的溫度差在15℃之上.

（3）空氣的設(shè)計(jì)氣溫小于38℃.

（4）有效對數(shù)平均溫差不小于40℃.

（5）熱流體管內(nèi)的給熱系數(shù)低于2 300 W/（m2·℃）.

（6）熱流體的凝固點(diǎn)在0℃之下.

（7）熱流體的管側(cè)設(shè)計(jì)壓力高于100 kPa，允許壓力降高于10 kPa.

由于本項(xiàng)目所在的寧夏地區(qū)屬于缺水地區(qū)，考慮到用水成本，單憑水冷器完成冷卻操作，其費(fèi)用過大，但獨(dú)立使用空氣冷卻器在夏季則不能達(dá)到本裝置的工藝降溫的要求目標(biāo).綜合考慮，本裝置中選擇組合冷卻，即先空氣冷卻后水冷卻，先由空冷器完成絕大部分的冷卻量，再利用水冷器冷卻其工藝介質(zhì)到要求溫度，滿足工藝要求的同時降低了相應(yīng)的操作成本.為使水冷器與空氣冷卻器的整體設(shè)備費(fèi)用、能耗以及水耗的總費(fèi)用最低，在精餾過程中空氣冷卻器選擇最經(jīng)濟(jì)合理的溫度點(diǎn)進(jìn)入水冷卻器，在整個冷卻系統(tǒng)中空氣冷卻器處理了熱負(fù)荷總量的85%以上.

3 空氣冷卻器設(shè)備及其管道的布置

3.1 空冷器的一般布置要求

一般在構(gòu)架的頂層或管廊的頂部布置空氣冷卻器的設(shè)備，直接就地布置通常是不被允許的.因?yàn)楹凸芾扔斜容^遠(yuǎn)的間隔，在氣體壓縮機(jī)的凝汽式汽輪機(jī)裝置中空氣冷卻器作為其冷凝冷卻器時，最好在靠近壓縮機(jī)的構(gòu)架上布置空氣冷卻器.《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50160中空氣冷卻器滿足其規(guī)定的同時［3］，作為塔頂?shù)睦淠鋮s器時，為節(jié)省塔頂管道和占地，宜將空氣冷卻器盡量靠近塔頂.空冷器不能在輸送或儲存液化烴設(shè)備的上方布置，也不能在操作溫度高于物料自燃點(diǎn)的設(shè)備上方布置［4］.若是實(shí)際占地面積受到限制，則需要按防火規(guī)范的要求選擇非燃燒體的隔板，使兩類設(shè)備上下隔離.

空冷器的布置要求［4］：

圖1 管廊頂部空冷器立面布置圖Fig.1 Top air cooler pipe gallery facade layout

（1）空氣冷卻器冷卻塔頂餾出物時其布置需要考慮熱膨脹對塔頂餾出物管道的影響.

（2）在布置空氣冷卻器的框架或者管廊一側(cè)地面，為了方便檢修與操作，必須留有場地與通道進(jìn)行檢修，平臺與梯子必須布置在空氣冷卻器管束兩端的管箱處.

（3）布置在一起的多組空氣冷卻器，通常其布置必須選擇統(tǒng)一的形式，通常都選擇布置成列的形式，也可布置成排的形式，必須防止成排和成列混合布置.

（4）斜頂式空冷器最好選用成列形式的設(shè)置，若必須成排設(shè)置的情況下，為方便管道操作維修和安裝，兩排設(shè)備應(yīng)有大于3 m的間隔.

（5）空氣冷卻器作為換熱設(shè)備其管束中的介質(zhì)是利用空氣進(jìn)行冷卻的.故風(fēng)向?qū)ζ淅鋮s效果的程度有一定的影響，在允許的情況下，特別是在夏季，必須考慮風(fēng)向?qū)鋮s效果的影響.

a．為減少甚至避免熱風(fēng)或者腐蝕性氣體進(jìn)入管束的附近，必須在裝置夏季最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)布置空氣冷卻器.

b．為避免妨礙空氣冷卻器的通風(fēng)，高于冷卻器的建筑物、構(gòu)筑物和大型設(shè)備在空冷器的全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)20～25 m范圍中不能出現(xiàn).

c．兩組空氣冷卻器必須靠近布置，以避免造成熱風(fēng)循環(huán)，不能留有多余空間距離，必須互相靠近布置多組形式相同的空氣冷卻器.為防止熱風(fēng)循環(huán)，若必須隔開布置時，兩組空冷器應(yīng)有大于12 m的間距.

（6）如鼓風(fēng)式和引風(fēng)式不同形式的空氣冷卻器布置在一起時必須關(guān)注下面兩個情況.

a．引風(fēng)式空冷器的管束必須比鼓風(fēng)式空冷器的管束布置高度低.

b．適合在鼓風(fēng)式空冷器的最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)布置引風(fēng)式空冷器.

（7）在加熱爐15 m范圍內(nèi)不宜布置空冷器.

（8）為方便操作與檢修增濕空冷器的給水系統(tǒng)管道，兩臺干濕組合空冷器或者增濕空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)立式柱子的間距必須大于3 m.

圖2 引風(fēng)式空冷器與鼓風(fēng)式空冷器的相鄰布置Fig.2 Induced draft air cooler with forced-air cooling device disposed adjacent

3.2 空冷器布置的特殊要求

宜依據(jù)空氣冷卻器的工藝操作、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及檢修要求對空冷器的管道進(jìn)行布置設(shè)計(jì)［5］.

通常并聯(lián)兩臺或者兩臺以上的管束來組成空冷器，其中空冷器有熱流體進(jìn)入時，一般是將一根總管進(jìn)行多級的分支后來實(shí)現(xiàn)的，因此應(yīng)對稱布置空冷器的入口管道.為使換熱效果滿足原設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也應(yīng)對稱布置氣液兩相流管道.如此這般可均勻分配各支管入口的流體流量，保證空冷器的實(shí)際換熱效果.

此外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：氣相介質(zhì)從分餾塔塔頂出來到空冷器的管道，一般不應(yīng)有“液袋”形成；氣液兩相流進(jìn)入空冷器入口時，為使流體均勻分配于集合管的管底，集合管內(nèi)每個支管必須從下方插入.且需要在集合管下面布置檢修停工時排積液的管道，連接到空冷器出口的管道；除安裝或應(yīng)力有特殊要求，其出口集合管可不靠近管口連接外，其他情況空冷器的入口集合管必須就空冷器管口附近連接設(shè)置.通常1．5倍的各個分支管截面積總和為集合管的截面積大小.

在布置空冷器的管道時也需要就應(yīng)力方面的問題進(jìn)行考慮：為使標(biāo)高特別高且距離特別長的空冷器入口管道的重量得以支持，應(yīng)在管道中間布置管架.若工藝條件允許時，在管道數(shù)量較少的情況下，適宜選擇將管徑擴(kuò)大的方法來取消中間的承重管架或者由空冷器本體上的構(gòu)架來承重.

本研究甲醇裝置多處冷凝冷卻設(shè)備采用空氣冷卻器，預(yù)精餾塔及常壓精餾塔塔頂冷卻空冷器靠近塔的管廊頂層布置，工藝介質(zhì)管道沿精餾塔步步低對稱布置連接空冷器入口，出口管線亦對稱布置收集進(jìn)入水冷器，以達(dá)工藝要求溫度.

圖3 精餾區(qū)空冷器整體管道布置三維全景圖Fig.3 Rectification zone air cooler piping overall three-dimensional panorama

4 結(jié)語

空冷器的布置除了符合標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求外，最關(guān)鍵的是使空冷器的入口處的空氣溫度低于其環(huán)境的溫度.升高空冷器空氣入口溫度的首要原因就是熱風(fēng)循環(huán)，空冷器在布置時必須盡可能避免其熱風(fēng)循環(huán).空冷器管道的布置按照工藝流程布置的同時，應(yīng)分析空冷器進(jìn)出口管線應(yīng)力及管嘴附加位移是否滿足規(guī)范和廠家要求，以保證整條管線及設(shè)備的安全，延長其使用壽命.

在一般情況下，在水資源匱乏的地區(qū)，就環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性角度來考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇空冷器.特別是我國寧夏等西北地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，氣候濕度低，全年平均溫度低，是采用空冷器的絕佳環(huán)境.綜上所述，空冷器憑借著自身所具備的綠色、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到煤化工業(yè)領(lǐng)域，但空冷器對介質(zhì)的要求相當(dāng)高，即我國西北部夏季的部分高溫天氣使空冷器的冷卻效果很難獨(dú)立達(dá)到工藝要求，必須結(jié)合小型水冷設(shè)備到達(dá)所需工藝溫度，故實(shí)際生產(chǎn)過程中難免會出現(xiàn)相關(guān)問題，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)我國空冷器在煤化工領(lǐng)域應(yīng)用效果的提升，提高其冷卻冷凝效率，同時實(shí)現(xiàn)單獨(dú)滿足工藝?yán)鋮s條件要求.

致謝

本文的研究與撰寫工作得到了五環(huán)工程有限公司的各位領(lǐng)導(dǎo)和同事的關(guān)心和幫助，在此表示誠摯的感謝！

［1］張德姜，趙勇．石油化工工藝管道設(shè)計(jì)與安裝［M］．北京：中國石化出版社，2002：254－267．

ZHANG De-jiang，ZHAO Yong．Petrochemical process piping design and installation［M］．Beijing：China Petrochemical Press，2002：254-267．(in Chinese)

［2］王松漢．石油化工設(shè)計(jì)手冊：第3卷，化工單元過程［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：739-768

WANG Han-song．Petrochemical design manual：3rd volume，chemical unit processes［M］．Beijing：Chemical Industry Press，2001：739－768．(in Chinese)

［3］GB50160-2008.《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

GB50160-2008.《Fire protection design of petrochemical enterprises》［S］.Beijing：China Planning Press，2008.(in Chinese)

［4］宋岢岢．壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例:2版［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：238－240．

SONG Ke-ke．Pressure piping design and engineering examples:2nd ed［M］．Beijing：Chemical Industry Press，2012：238-240．(in Chinese)

［5］張德姜，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊：第一篇,設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京：中國石化出版社，2004：93-177．

ZHANG De-jiang，WANG Huai-yi，LIU Shao-ye．Petrochemical plant process piping installation design manual:1st chapter,design and calculation［M］．Beijing：China Petrochemical Press，2004：93-177．(in Chinese)

［6］章湘武，姚志東．空冷器技術(shù)問答［M］．北京：中國石化出版社,2007．

ZHANG Xiang-wu，YAO Zhi-dong．Air cooler technology answers［M］．Beijing：China Petrochemical Press，2007．(in Chinese)

Application and layout design of air cooler in coal chemical in northwest of China

XIA Yun1，PAN Feng2
1.Wuhan Jianghan Chemical Co．，Ltd．，Wuhan 430233，China；2.Wuhuan Engineering Co．，Ltd．，Wuhan 430233，China

With the strengthening of national environmental protection policy，air coolers are widely used in the field of coal chemical industry，especially in the region of the severe water shortage in north－west China with advantages of low－carbon green and saving energy compared with water cooling system．For practical industrial application of air cooler to northwest Ningxia region，we studied taking an example of air cooler through coal gasification installed in Ningxia region with rich coal，based on the characteristics of the equipment of air cooler and type，industrial applications，equipment layout and process piping layout of conventional requirements．Meanwhile，combined technological requirements，such as the characteristics of air cooler in the north－west practical project，local temperature parameters，we proposed a compound cooling system taking the air cooler to a priority and the water cooler as a supplement，which satisfies the requirement of coal chemical process cooling in the northwestern region，enhancing the application effect of air cooler in the field of coal chemical industry and improving the cooling efficiency．

air cooler；coal chemical industry；equipment layout；piping design

TQ545

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.010

1674-2869（2015）02-0046-04

本文編輯：張瑞

2014－01－07

夏云（1986－），男，湖北武漢人，碩士．研究方向：磷化工、煤化工．