大型離心式壓縮機(jī)的布置及配管研究

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域。壓縮機(jī)是工藝生產(chǎn)裝置的心臟，是工藝介質(zhì)的動(dòng)力來(lái)源，其順利開(kāi)車、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有著非常重要的意義[1]。與往復(fù)式壓縮機(jī)相比，離心式壓縮機(jī)有著運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機(jī)組外形尺寸小、質(zhì)量輕、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。筆者根據(jù)多年項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并參考其他文獻(xiàn)，探討了大型離心式壓縮機(jī)的設(shè)備布置及配管。

1 壓縮機(jī)廠房的設(shè)備布置

壓縮機(jī)廠房的設(shè)備布置，應(yīng)以工藝生產(chǎn)流程為依據(jù)，并充分考慮總體平面布局。由于壓縮機(jī)廠房在總體平面布局中涉及面廣，影響因素多，通常采用多種方案對(duì)比分析，從中選出最優(yōu)布置方案。首先，壓縮機(jī)廠房的設(shè)計(jì)，應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，如GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》。國(guó)外項(xiàng)目的壓縮機(jī)廠房設(shè)計(jì)，還需滿足當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定。

廠房的設(shè)備布置包括機(jī)組的布置和附屬設(shè)備的布置[2]。大型離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)一般為汽輪機(jī)，汽輪機(jī)與壓縮機(jī)組成機(jī)組。附屬設(shè)備一般包括氣液分離器、各級(jí)段間冷卻器、表冷器(采用水冷的凝氣式汽輪機(jī))、凝結(jié)水泵、潤(rùn)滑油站、高位油箱等。壓縮機(jī)機(jī)組及其附屬設(shè)備的布置應(yīng)滿足壓縮機(jī)廠家的要求，可參考制造商提供的機(jī)組及其附屬設(shè)備建議布置圖和設(shè)備安裝檢修需要的凈距要求等來(lái)進(jìn)行廠房的布置。根據(jù)壓縮機(jī)廠家建議布置圖、工藝、設(shè)備操作檢修需求等因素、以及業(yè)主的要求，確定段間冷卻器和氣液分離器布置在室內(nèi)或室外。

1.1 壓縮機(jī)廠房與管廊的相對(duì)位置關(guān)系

壓縮機(jī)廠房與管廊的相對(duì)位置關(guān)系，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況而定，因地制宜，以滿足裝置布置和占地條件。壓縮機(jī)廠房通常沿著裝置主管廊布置，以便于進(jìn)出廠房的管道與主管廊交接。在場(chǎng)地受限的情況下，也可采用壓縮機(jī)廠房垂直于主管廊、并為廠房設(shè)置內(nèi)部支管廊的布置方式[3]。

1.2 壓縮機(jī)與廠房的相對(duì)位置關(guān)系

壓縮機(jī)在廠房?jī)?nèi)的布置方式可分為軸向串聯(lián)布置(見(jiàn)圖1)和橫向并列布置(見(jiàn)圖2)。其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1 軸向串聯(lián)布置

圖2 橫向并列布置

表1 壓縮機(jī)在廠房?jī)?nèi)的布置方式對(duì)比

1.3 壓縮機(jī)廠房的圍護(hù)形式

壓縮機(jī)廠房的圍護(hù)形式分為敞開(kāi)、半敞開(kāi)和全封閉形式，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及相關(guān)方的要求等來(lái)確定，壓縮機(jī)廠房的圍護(hù)形式對(duì)比見(jiàn)表2。壓縮機(jī)廠房宜采用敞開(kāi)或半敞開(kāi)式的，項(xiàng)目處于寒冷或者多沙塵暴地區(qū)時(shí)，宜采用全封閉形式的。

表2 壓縮機(jī)廠房的圍護(hù)形式對(duì)比

1.4 二樓平臺(tái)的高度設(shè)置

大型離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口、出口一般在機(jī)體下部，并且附屬設(shè)備較多，宜上下兩層布置，上層布置機(jī)組，下層布置附屬設(shè)備。通常壓縮機(jī)裝置圖上給出了供參考的二樓平臺(tái)標(biāo)高，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整此標(biāo)高。

二樓平臺(tái)的高度，應(yīng)滿足下述要求：①進(jìn)出口管道與地面、壓縮機(jī)混凝土頂板的凈空要求；②進(jìn)出口管道與管廊上管道的對(duì)接高度要求；③進(jìn)口管道上過(guò)濾器的安裝檢修要求；④當(dāng)壓縮機(jī)為凝氣式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其安裝高度應(yīng)根據(jù)表冷器的外形尺寸及冷凝液泵的吸入壓頭確定，還應(yīng)保證表冷器安裝就位方便及排氣安全閥的接管高度要求。如果冷凝液泵的吸入口高度降低，樓面的高度則可相應(yīng)降低。在條件受限的情況下，可以選用液下式冷凝液泵，最大限度地降低廠房高度；⑤機(jī)間緩沖罐和換熱器(包括潤(rùn)滑油站上的換熱器)應(yīng)滿足位差、抽芯檢修和管道布置的要求；⑥壓縮機(jī)入口管道的無(wú)袋型要求(該管道宜坡向入口分離罐)。然而，現(xiàn)在生產(chǎn)裝置趨向大型化，使得入口分離罐的高度增加，進(jìn)而影響二樓平臺(tái)的標(biāo)高。若將分離罐改為臥式的，則可降低二樓平臺(tái)的高度。

1.5 高位油箱的設(shè)置

高位油箱是利用重力作用在事故停車時(shí)給機(jī)組供給潤(rùn)滑油的設(shè)備?；诮?jīng)濟(jì)原因考慮，為了降低廠房的高度且避免高位油箱影響廠房?jī)?nèi)吊車的運(yùn)行，高位油箱可選擇布置在廠房外或廠房?jī)?nèi)的端頭。如果布置在廠房外，在寒冷地區(qū)，為避免室外的低溫環(huán)境造成潤(rùn)滑油的黏度上升，則需要對(duì)高位油箱采取防凍伴熱或其他采暖措施。高位油箱的高度應(yīng)滿足制造商的要求，一般高于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中心6 m。高位油箱及潤(rùn)滑油站油箱位置應(yīng)滿足位差要求且盡量靠近。

1.6 吊車的設(shè)置

原則上壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)的吊車為壓縮機(jī)檢修使用，其最大工作載荷只考慮壓縮機(jī)的最大檢修件質(zhì)量，一般不考慮壓縮機(jī)整體吊裝。若因施工需要，起吊質(zhì)量在吊車的載荷范圍內(nèi)時(shí)，也可用于壓縮機(jī)部分部件和輔助設(shè)備的安裝。

壓縮機(jī)檢修吊車的選型，需考慮機(jī)組的最大檢修件重量、起吊高度、廠房的跨度、防爆形式等。需要確定的吊車數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 吊車數(shù)據(jù)

最大起重量根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的最大檢修件質(zhì)量，再考慮15%～20%的裕量，然后從吊車樣本中向上圓整確定。吊車軌頂標(biāo)高是根據(jù)壓縮機(jī)廠家提出的最大檢修起吊高度，加上吊車樣本中吊鉤到軌頂之間的最小距離，還要考慮吊裝時(shí)吊繩的長(zhǎng)度(按兩側(cè)吊繩呈60°夾角計(jì)算)以及裕量，最后累加得出吊車軌頂?shù)臉?biāo)高。需要注意是否存在跨越其他機(jī)組或設(shè)備的情況，那么還需要核算軌頂標(biāo)高能否滿足跨越的要求。

2 壓縮機(jī)廠房的管道布置

壓縮機(jī)的配管設(shè)計(jì)應(yīng)符合PID與壓縮機(jī)廠家圖紙的設(shè)計(jì)要求。由于壓縮機(jī)為包設(shè)備整體采購(gòu)，需關(guān)注材料供貨分界，如果缺少配對(duì)材料，可能會(huì)影響項(xiàng)目進(jìn)度。一般非標(biāo)法蘭需要廠家供貨，其他供貨分界詳見(jiàn)合同及PID。建議逐一清理壓縮機(jī)接口表，核對(duì)材料。

壓縮機(jī)管道應(yīng)盡量布置在廠房二樓平臺(tái)下方，需要經(jīng)常操作的閥門布置在廠房的操作平臺(tái)或地面上。

2.1 壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的布置

壓縮機(jī)進(jìn)出口管道應(yīng)滿足試壓、吹掃和沖洗的要求，壓縮機(jī)進(jìn)出口處應(yīng)設(shè)置管道短節(jié)，并有足夠的拆卸空間，以便于管道與壓縮機(jī)管口脫離及設(shè)置盲板。

壓縮機(jī)進(jìn)氣管應(yīng)在入口處設(shè)置一段直管段，其長(zhǎng)度應(yīng)滿足壓縮機(jī)廠家的要求，一般不少于3～5倍管口直徑的直管段，以免進(jìn)氣不平穩(wěn)。入口過(guò)濾器應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)入口安裝，并采用法蘭連接，以便于拆卸。當(dāng)入口過(guò)濾器選用錐型過(guò)濾器時(shí)，過(guò)濾器兩端需分別設(shè)置法蘭，管道支撐設(shè)置在該段法蘭之外的管段上，而兩對(duì)法蘭之間的直管段上不可設(shè)置支架，以便于錐形過(guò)濾器的檢修。

壓縮機(jī)出口管道上的止回閥，應(yīng)盡可能靠近壓縮機(jī)出口布置，滿足壓縮機(jī)廠家對(duì)止回閥前管段的有效容積要求，以避免壓縮機(jī)停車時(shí)，積存在管道中的高壓氣體導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

2.2 汽輪機(jī)蒸汽管線的布置

汽輪機(jī)蒸汽管線在進(jìn)出口處應(yīng)設(shè)置可拆卸法蘭，以便于管道試壓和吹掃。蒸汽管道的低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置集液包和疏水閥組，特別是在管口附近的低點(diǎn)，以排凈暖管過(guò)程產(chǎn)生的冷凝液。

汽輪機(jī)的暖管管線應(yīng)盡量在靠近汽輪機(jī)的入口處接出，暖管線上的切斷閥應(yīng)靠近蒸汽主管設(shè)置。暖管線的管徑宜選取DN50左右(可在切斷閥后適當(dāng)擴(kuò)徑)，管徑太小，開(kāi)車時(shí)暖管太慢；管徑太大，則管道布置難度較大(尤其是蒸汽主管接出處，汽輪機(jī)入口處通常被機(jī)體自帶部件包住，可利用的配管空間非常有限)，而且對(duì)管道應(yīng)力影響也較大。

圖3 消音器的支撐架

暖管線上的消聲器應(yīng)引至廠房外高點(diǎn)放空。建議布置在廠房外側(cè)的管廊上方，這樣既便于支撐，又遠(yuǎn)離廠房。如無(wú)法布置在管廊上方，則高于廠房屋頂設(shè)置，但此處消音器支撐不易設(shè)置，建議支撐形式見(jiàn)圖3。

2.3 油路管線的布置

機(jī)組的回油管道應(yīng)盡可能短，并坡向潤(rùn)滑油站的油箱，坡度滿足壓縮機(jī)廠家與工藝專業(yè)提出的最小坡度要求。大型離心式壓縮機(jī)的回油總管(壓縮機(jī)廠家的供貨范圍)一般設(shè)置在壓縮機(jī)混凝土頂板的側(cè)面，此種設(shè)置方式易造成回油總管與二樓平臺(tái)的結(jié)構(gòu)梁相碰。因而，應(yīng)在土建條件圖中標(biāo)示出回油總管，以便于土建專業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中避免結(jié)構(gòu)梁與油管碰撞。油路管線應(yīng)分段設(shè)置拆卸法蘭，通常每段管道長(zhǎng)度不宜大于6 m，彎頭不宜超過(guò)2個(gè)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝拆卸和酸洗的要求。

2.4 放空管線的布置

壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)的放空管線較多，布置要求見(jiàn)表4。例如，蒸汽管線上的暖管線放空和安全閥后放空管道應(yīng)引至廠房外高點(diǎn)放空，以保證安全并降低噪音；油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)的放空管線末端、潤(rùn)滑油站和軸承套的放空管線末端應(yīng)以90°彎頭朝下，避免雨水進(jìn)入管道，并設(shè)置防鳥(niǎo)網(wǎng)。

表4 放空管線的布置對(duì)比

2.5 機(jī)組管道的應(yīng)力

機(jī)組管道的布置，應(yīng)能滿足機(jī)組管口允許力矩和位移的要求(在壓縮機(jī)廠家未提出允許受力限制時(shí)，一般參考API617或者NEMA SM23對(duì)其受力加以限制)[4]，并達(dá)到管口無(wú)應(yīng)力對(duì)中布置的要求。機(jī)組管道的布置，應(yīng)盡可能利用管道的自然補(bǔ)償來(lái)滿足柔性和管口受力要求。如果管道的自然補(bǔ)償無(wú)法滿足管口受力要求時(shí)，在操作壓力允許的情況下可在管道上設(shè)置膨脹節(jié)。

由于汽輪機(jī)蒸汽管線操作溫度較高，汽輪機(jī)管口的允許受力限制非常嚴(yán)格，蒸汽管道的柔性設(shè)計(jì)是管道應(yīng)力分析中的難點(diǎn)之一。為了保證足夠的管道柔性，建議蒸汽管道至少繞機(jī)組半圈，并在管道與汽輪機(jī)死點(diǎn)處坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)位置附近設(shè)置限位支架，從而把蒸汽管道的應(yīng)力和位移切分成若干段，使汽輪機(jī)管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當(dāng)，以減小管道對(duì)汽輪機(jī)管口的影響，典型管道布置見(jiàn)圖4。離心式壓縮機(jī)管道和汽輪機(jī)管道的設(shè)計(jì)具有相似之處，在此不再贅述。

圖4 汽輪機(jī)蒸汽管道的典型布置

汽輪機(jī)采用雙進(jìn)汽設(shè)計(jì)時(shí)(兩進(jìn)汽口一般為對(duì)稱布置)，進(jìn)汽支管采用對(duì)稱布置，進(jìn)汽主管為中心線位置，典型管道布置見(jiàn)圖5。

圖5 雙進(jìn)汽口汽輪機(jī)蒸汽管道的典型布置

3 結(jié)語(yǔ)

在化工設(shè)計(jì)中，與其他單元相比，大型離心式壓縮機(jī)的設(shè)備布置和管道布置難度較大，是設(shè)計(jì)人員普遍感到棘手的單元之一。本文依據(jù)化工工程設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并結(jié)合工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，具體論述了大型離心式壓縮機(jī)的設(shè)備布置、管道布置的幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。