空分冷箱管道設(shè)計(jì)分析

＊布日古德

（空氣化工產(chǎn)品（中國(guó)）投資有限公司 上海 201210）

目前世界空分產(chǎn)業(yè)正在向特大型、高純度、高提取率、高自動(dòng)化、高可靠性、低能耗的方向發(fā)展，同時(shí)基于項(xiàng)目的空分設(shè)備特殊設(shè)計(jì)要求以及產(chǎn)品線的開發(fā)要求也在不斷提高。冷箱作為空分裝置的核心設(shè)備，其內(nèi)部管道的設(shè)計(jì)關(guān)系到冷箱能否經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行。如何把握冷箱管道設(shè)計(jì)的核心概念，在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供可靠的解決方案，以適應(yīng)空分技術(shù)不斷發(fā)展的需求，就顯得尤為重要。

1.冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

冷箱空氣分離屬于低溫精餾，塔器需要在超低溫環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)計(jì)溫度通常達(dá)-196℃。為了滿足精餾純度的要求，主要塔器高度通常需要達(dá)到60m。冷箱是將塔器、換熱器等設(shè)備，以及相應(yīng)的管道、閥門和儀表組合在一個(gè)封閉框架內(nèi)的設(shè)備，內(nèi)部珠光砂保護(hù)以保證冷箱在低溫狀態(tài)下正常運(yùn)行。考慮到整個(gè)工廠的布置，從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)需要盡量地縮小冷箱截面以達(dá)到較經(jīng)濟(jì)的占地面積。所以，冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是要在相對(duì)狹小的空間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足低溫應(yīng)力條件的管道，同時(shí)兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.冷箱內(nèi)典型管道的設(shè)計(jì)

基于對(duì)以往項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提出以下幾種比較典型的冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)問(wèn)題，針對(duì)各自的特點(diǎn)出發(fā)對(duì)其設(shè)計(jì)思路進(jìn)行討論。

(1)冷箱內(nèi)大位移、大尺寸工藝管道

直徑越大的管道，在同等溫差環(huán)境下需要考慮的管道柔性補(bǔ)償越復(fù)雜，所需的空間要求也越大。在冷箱內(nèi)這類較大尺寸的工藝管道通常與塔器連接（常為氣體管道），而由于塔器通常固定在冷箱底板或基礎(chǔ)上，塔器本身向地面方向收縮，對(duì)跟塔器上部連接的管道來(lái)說(shuō)，連接處會(huì)因?yàn)樗鞯氖湛s帶來(lái)很大的端部位移。如果考慮這些管道的管道支架支撐在冷箱框架上，那么塔器收縮產(chǎn)生的端部位移沒(méi)有得到吸收，管道的收縮跟塔器的收縮不同步，產(chǎn)生很大的管道應(yīng)力，從而容易導(dǎo)致連接管口會(huì)發(fā)生潛在的破壞。

所以連接高聳塔器的大尺寸氣體管道在設(shè)計(jì)條件允許的情況下應(yīng)當(dāng)盡量沿著塔器布置，以便達(dá)到管道與設(shè)備的同步收縮，降低管道與設(shè)備的相對(duì)位移差。這樣在滿足管道柔性的前提下能最大限度地減少不必要的補(bǔ)償，保證冷箱內(nèi)空間的有效利用，管道走向經(jīng)濟(jì)合理。同時(shí)，相應(yīng)的管道支架生根于塔器上可以保證管道，管道支架和塔器是一個(gè)整體，提高管道設(shè)計(jì)的可靠性。這對(duì)冷箱在復(fù)雜工況下運(yùn)行或者多次開停車工況下的穩(wěn)定性有很好的保障。

圖1 管道沿塔布置示意

(2)冷箱內(nèi)大位移、小尺寸工藝管道

相對(duì)于第一組的大管道而言，冷箱內(nèi)還有很多尺寸較小的工藝管線（常為液體管線）。這些管道的尺寸決定了它們的應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)對(duì)空間的要求不像大管道那樣苛刻。

如果管道兩端沒(méi)有較大的附加位移，管道本身主要考慮自補(bǔ)償設(shè)計(jì)即可，通常比較容易實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)管道一端連接在有較大位移的塔上時(shí)，從設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和可靠性方向考慮，依然應(yīng)當(dāng)采取與大管道一致的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)沿塔布置的方式保證小管道與塔同步收縮，在低應(yīng)力下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

值得關(guān)注的是帶有閥門的管道，為了保障冷箱整體的密封性，就要求閥門處（閥桿等結(jié)構(gòu)伸出冷箱位置）的位置盡可能地固定或處于很小的位移。所以閥門范圍所在的管段則等同于跟冷箱壁是一個(gè)整體，而非塔器。

結(jié)合上述兩點(diǎn)，從設(shè)計(jì)理念出發(fā)將有閥門的管道以閥門管段為界劃分成兩種設(shè)計(jì)思路。高位移塔器到閥門管段考慮沿塔布置，在閥門段與其他固定點(diǎn)間沿冷箱壁布置。將兩種設(shè)計(jì)思路變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即從塔器向冷箱壁跨出的管段，盡量選擇在高度較低的位置，以保證“跨出”管段兩端的位移差較小。在滿足工藝要求的前提下應(yīng)當(dāng)盡可能將閥門放在低標(biāo)高處。

按照這種設(shè)計(jì)思路，不僅可以節(jié)省管道材料、安裝成本，而且還可以減少不必要的補(bǔ)償從而降低管道的沿程阻力，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

(3)功能性管道

除了工藝管道以外冷箱內(nèi)還有一些其他具有特殊用途的管道，如放空、排液以及儀表管等，實(shí)現(xiàn)從引出點(diǎn)到冷箱外壁上放空、排液或測(cè)量位置的連接。這些管道相比前兩組的工藝管道而言具有在裝置正常工作的狀態(tài)下處于靜態(tài)的特點(diǎn)，而這樣的狀態(tài)對(duì)管道本身的穩(wěn)定是有好處的。

從管道內(nèi)介質(zhì)穩(wěn)定的角度縱觀此類型的管道，此類型的管道在設(shè)備正常運(yùn)行的狀態(tài)下管道內(nèi)不會(huì)或者只會(huì)存在少量的介質(zhì)流動(dòng)。低溫精餾的工藝條件下，這類管道引出點(diǎn)位置是處于冷態(tài)的，而管道在冷箱壁處的出口位置是常溫的（非工作狀態(tài)）。理想的管道布置應(yīng)是將溫度較高的一側(cè)放置在高處可以達(dá)到管道內(nèi)部的熱平衡，可以減少不必要的能耗。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)布置中考慮到平臺(tái)設(shè)置等客觀情況，往往難實(shí)現(xiàn)理想布置。所以在管道設(shè)計(jì)時(shí)需要人為地在管道走向中設(shè)置高點(diǎn)以達(dá)到同樣的目的,而同時(shí)這樣的高點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量靠近引出點(diǎn)位置。

從熱位移的角度縱觀此類型的管道，可以發(fā)現(xiàn)此類管道在冷箱外壁出口處的狀態(tài)是固定的，而在引出點(diǎn)的位置卻不固定。設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工藝要求需要將這些引出點(diǎn)也設(shè)置在相對(duì)穩(wěn)定的位置。總體上管道從引出點(diǎn)到冷箱壁穿板處管道的熱位移是逐漸降低的。

結(jié)合此類管道尺寸較小的特點(diǎn)，可以考慮在管道形成高點(diǎn)的位置上將管系分割為兩部分，前部分主要考慮應(yīng)力及上揚(yáng)高點(diǎn)設(shè)計(jì)，后部分的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要滿足兩端固定管道自身補(bǔ)償即可。

儀表管是比較典型的功能性管道，作為尺寸最小的管道，因?yàn)樽陨淼墓艿辣诤鼙?，同等條件下管道設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)更大。在遵循一樣的設(shè)計(jì)思路條件下，對(duì)前段跟設(shè)備或主管道相連部分的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行對(duì)薄弱環(huán)節(jié)更細(xì)致的分析并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

(4)其他管道

前面的討論主要著眼于冷箱內(nèi)對(duì)高塔、大溫差條件下帶來(lái)的高位移管道的設(shè)計(jì)。除此之外，冷箱內(nèi)還有其他的“特殊管道”，它們的管道設(shè)計(jì)同樣需要關(guān)注。

首先是換熱器管道的布置。冷箱低溫精餾的工藝，需要將進(jìn)料溫度為0℃以上的空氣分離為-196℃（液氮舉例）液或氣體的高純度產(chǎn)品，這使得冷箱設(shè)備有很大的換熱需求。現(xiàn)代空分從降低能耗的角度出發(fā)，一般采用多通路的板翅式換熱器。這對(duì)介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流通狀態(tài)有較高的要求，在多個(gè)換熱器并聯(lián)的工況下這個(gè)問(wèn)題尤其重要。在對(duì)換熱器進(jìn)行連接管道設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)管道組進(jìn)行有利于氣體分布的配管布置。對(duì)進(jìn)出口管道采取U型布置可以避免偏流同時(shí)在多個(gè)換熱器并聯(lián)的時(shí)候還需要確保各個(gè)支路的阻力分布合理。

圖2 換熱器管道U型布置以及對(duì)稱布置示意

接下來(lái)是低溫液體泵的管道布置。冷箱系統(tǒng)的低溫液體泵一般有液氧泵、液氮泵和液氬泵等，絕大多數(shù)采取離心泵的形式。離心泵的汽蝕問(wèn)題在冷箱系統(tǒng)里顯得尤為突出。從工藝管道的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在保證合適的過(guò)冷度（進(jìn)口靜壓頭、泵標(biāo)高）的前提下，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注在減少流體內(nèi)氣體的產(chǎn)生以及在泵啟動(dòng)階段將流道內(nèi)殘留的氣體盡量完全排出等方面，前者要求設(shè)計(jì)中降低管程阻力，保證泵系統(tǒng)管道的絕熱設(shè)計(jì)，以及在功能性支管位置上的氣液平衡設(shè)計(jì)等。后者則需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證管道在流向上的最小傾斜角度，避免產(chǎn)生氣袋，在特定位置上增加排氣管道等。

①臥式泵的進(jìn)出口管道的典型坡度要求（圖3）

圖3 臥式泵進(jìn)出口管道坡度要求示意

臥式泵在泵體處一般沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置排氣管口，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)把泵本身認(rèn)為是管系的一部分，采取進(jìn)口管道向泵傾斜向上，出口管道向遠(yuǎn)離泵的方向傾斜向上，以保證排氣的順暢。

②立式低溫泵的進(jìn)出口管道的典型坡度要求（圖4）

圖4 立式泵進(jìn)出口管道坡度示意

立式泵往往在泵體高處會(huì)設(shè)置獨(dú)立的排氣管道，這時(shí)進(jìn)口采取向泵傾斜向上，出口也是遠(yuǎn)離泵方向傾斜向上,如此可以保證進(jìn)口管道內(nèi)的氣體排出。

3.冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)舉例

在前面討論中，已經(jīng)將管道從本身的特性上進(jìn)行了理論劃分，各類型管道的設(shè)計(jì)思路有各自的適用范圍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要結(jié)合各種情況來(lái)解決碰到的實(shí)際問(wèn)題下面列舉“液空蒸汽”管道的實(shí)例，來(lái)分析和比較兩種方案管道布置的優(yōu)缺點(diǎn)。

液空蒸汽管道是從粗氬冷凝器頂部連接到上塔上部的一根管徑較大的管道，通常管徑在（小型空分在DN300以上）其管道上需要設(shè)置閥門來(lái)控制管道的壓降。流程示意圖如下：

圖5 液空蒸汽管道流程示意

該管道兩端連接的C409和C212塔器管口距各自固定點(diǎn)的距離分別為55m和35m，考慮-196℃的設(shè)計(jì)溫度，對(duì)應(yīng)的在設(shè)備運(yùn)行時(shí)管道的端部位移分別約為200mm和130mm。

方案1：根據(jù)大管道的設(shè)計(jì)思路將管道延塔布置,管道與塔器進(jìn)行同步。將閥門設(shè)置于兩個(gè)管口標(biāo)高中間，考慮閥門跟管道一起變形，閥門穿孔為活動(dòng)，示意如圖6。

圖6 液空蒸汽管道布置方案1與方案2示意

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于其管道的構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)潔，管道沿程阻力小，對(duì)冷箱內(nèi)的空間占用較小。但是閥門處的位移會(huì)比較大。這對(duì)冷箱高密封要求是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要在冷箱面板上設(shè)置滿足閥門自由活動(dòng)的開孔并且通過(guò)定制允許這種大位移的特殊活動(dòng)密封套將其密封。同時(shí)，需要額外的支架來(lái)保證此閥門的運(yùn)動(dòng)軌跡。

方案2：根據(jù)小管道的設(shè)計(jì)思路將閥門設(shè)置于固定段，再將閥門管段兩端按從活動(dòng)到固定的過(guò)度設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償，示意如圖6。

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于閥門處位移較小，有利于閥門穿孔處的密封，只需采用常規(guī)的閥桿密封套即可。但是由于管道本身的尺寸較大，在高標(biāo)高處很難有條件完全滿足管道柔性的要求。需要考慮將閥門放置到沿塔管道和閥門端部管道位移差較小的位置，以滿足柔性設(shè)計(jì)要求。這樣的設(shè)計(jì)使得管道走向變得更復(fù)雜，管道沿程阻力更大，所占用的空間也會(huì)更多。

表1 方案1和方案2優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，在項(xiàng)目過(guò)程中需要根據(jù)項(xiàng)目的工藝參數(shù)、造價(jià)、安裝條件等實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估選擇，以保證裝置的安全可靠和兼顧設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

4.總結(jié)

隨著空分裝置的發(fā)展，空分冷箱內(nèi)配管的要求也在逐步提高。面對(duì)日益增加的各種挑戰(zhàn)，需要長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)地積累，和管道材料知識(shí)和管道應(yīng)力分析知識(shí)地輔助補(bǔ)充。在冷箱管道設(shè)計(jì)中對(duì)不同的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行綜合判定分析，靈活的運(yùn)用基本原則，將看似復(fù)雜無(wú)序的管道做系統(tǒng)性的分類，逐個(gè)找出主要矛盾點(diǎn)、分割風(fēng)險(xiǎn)、逐個(gè)解決才能逐步地提高管道設(shè)計(jì)水平。