空分流程布置及配管研究

王 潔

（上海電氣集團國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

空分裝置在工作過程中，可以實現對空氣中氮氣、氧氣、氦氣、氬氣等氣體的分離，滿足石化、餐飲、電子等行業(yè)的資源需要，達到推動社會各行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的目的?，F階段，為保證空分裝置在應用過程中能夠取得預期效果，需要對空分流程加以布置，并保證配管工作合理性，以便提升設備工作質量與效率。

1 空分裝置的工作原理

當前空分裝置的主要工作方法是，先將空氣進行壓縮處理，再通過降低空氣溫度至很低的溫度或者利用膨脹法，使空氣的狀態(tài)從氣態(tài)轉化為液態(tài)，然后將液態(tài)空氣轉入精餾塔當中，完成空氣中各類成分的分離工作。在當前的空氣成分分離工作中，較為常用的分離技術包括低溫法、吸附法、膜分離等。

1.1 低溫法

低溫法是一種以空氣中不同成分沸點存在差別為基礎，完成成分分離工作的技術方法，相較于傳統(tǒng)分離方法，由于低溫法在分離前需要將空氣放置在100 K 以下的環(huán)境下，因此，這一方法被稱作低溫法。在實際應用過程中，可以先利用低溫對空氣進行液化處理，然后通過對液化空氣進行精餾處理，實現不同沸點氣體成分的分離工作。舉例來說，在精餾過程中，由于氮氣的沸點為-196 ℃會最先氣化，完成分離工作。相較于吸附法與膜分離技術，低溫法在實際應用過程中可以實現不同空氣成分的完全分離，并且分離得到的氣體純度較高，因此，在當前的空氣分離工作中，低溫法的應用范圍較為廣泛[1]。

1.2 吸附法

吸附法是一種以分子篩為介質，在外壓作用下，分子篩對不同分子吸附力的不同，空氣原料中的氧分子與氮分子在差異化分子篩外層吸附量存在一定的差異，在放壓后，吸附在分子篩上的分子會被釋放，實現空氣成分分離目的。在當前的空分工作中，吸附法的優(yōu)點在于技術流程簡單、操作難度和運行成本偏低。但是相較于低溫法，吸附法得到的氣體純度相對較低，并且裝置容量較小，因此，這一技術的應用范圍較小。

1.3 膜分離

膜分離技術是一種以氧氣、氮氣膜滲透速率不同為基礎，完成這兩種組分粗分離的膜滲透技術，在實際分離工作中，膜分離裝置較為簡單，操作也比較方便，投資較小。但是分離成品最多只能得到純度在28%～35%的富氧空氣，并且空分裝置的規(guī)模也不大，因此，這一技術主要被應用于富氧燃燒與醫(yī)療保健工作中，并未得到大范圍的推廣。

2 裝置總平面布置要求

在空分工作開展過程中，若工作區(qū)域附近的空氣存在區(qū)域性污染源，受裝置穩(wěn)定性不足的影響，那么主體生產裝置出現問題的情況時有發(fā)生。舉例來說，在空分裝置運行過程中，若工作區(qū)域空氣中含有大量的二氧化碳、灰塵等物質，那么在應用分子篩分離空氣成分的過程中，原料空氣壓縮器吸入的空氣質量較差，不僅會降低分子篩的吸附能力，還可能會因大量二氧化碳穿透分子篩，導致板式換熱器通道被堵塞，在降低空氣分離裝置運行穩(wěn)定性的基礎上，使得裝置運行無法滿足最大經濟負荷的需要。

現階段，為了切實降低上述問題出現的可能性，在當前的空氣分離裝置布置時，第一，應保證裝置在總圖中的位置符合相應標準與規(guī)范的要求。第二，應保證空分裝置能夠處于廠區(qū)常年主導風向的上風口，并且在布置過程中，應盡量避開其他裝置排放的二氧化碳對氣體原料質量的影響。第三，在布置空分裝置時，需要明確廠區(qū)附近的廠房情況，盡可能使裝置避開存在烴類物質泄漏風險的廠房。第四，在控制空分裝置純化系統(tǒng)分子篩吸附劑填裝量時，需要保證譚莊的吸附劑存在一定的余量，提高吸附工作的質量。第五，為了盡可能提高原料空氣的質量，需要實時掌握廠區(qū)附近的風向，并通過建立廠區(qū)各外設備緊急排放聯(lián)系機制的方式，減少空氣中有害物質的含量。同時，在實際工作過程中，可以通過加強空氣原料中二氧化碳的含量監(jiān)控、提高空分裝置中液氧濃度分析檢測頻次的方式，確保得到的產品質量能夠達到預期的需要[2]。

3 空分裝置的布置方法

現階段，大部分空分裝置主要由空氣壓縮機系統(tǒng)、膨脹機、空冷塔、冷箱、分子篩、冰箱、液體存儲槽、公用工程房等部分組成，并且各部分之間主要應用管廊相連接，完成空氣成分的分離工作。一般情況下，膨脹機與冷箱的布置設計方式主要由供貨方給出，由于膨脹機的膨脹段位于冷箱之中，受壓縮端連接管道較短的影響，應保證增壓膨脹設備的膨脹端與冷箱盡可能貼近，若在設備布置過程中，膨脹設備位于室外，那么需要預先為其搭設防御設施，抵御外界環(huán)境對設備的破壞。冷箱是當前空分系統(tǒng)中體積最大的裝置，個別項目可能會存在雙冷箱的情況，在這種情況下，主冷箱為精餾塔和與之串聯(lián)的管道。分子篩作為空分系統(tǒng)的重要組成部分，在選擇過程中，主要以空分系統(tǒng)的產能為基礎，選擇臥式或立式的分子篩。

考慮到在實際生產過程中，空分裝置生產的產品為乙類產品，其中包含氧氣、氮氣、液氧、液氮等危險介質，為了避免在產品生產過程中，工作人員出現窒息、凍傷等問題，在空分工作開展前，需要嚴格按照設計規(guī)范完成空分裝置布置圖的設計工作。在布置圖設計過程中，為了降低工作人員被凍傷，可以在布置裝置的過程中，將液氧、液氮等成分的儲槽放置在同一區(qū)域，并用防護欄將這一區(qū)域與周邊區(qū)域分隔開。第二，為了降低設備的維護管理難度，在裝置布置過程中，應控制各壓縮機之間的距離在2 m 以上，在避免裝置結構設計時出現基礎膨脹問題的同時，為維護管理人員預留足夠的操作空間。第三，在布置空氣過濾器時，需要保證其出口與空氣壓縮機的進口能夠呈現出中心對稱的狀態(tài)。第四，在裝置布置過程中，考慮到消聲器在工作過程中會產生較大的應力，若將其支架掛在墻上或者抗力較小的框架上，那么消聲器掉落的可能性將會有所提高，對此，將其布置在就近管廊框架處，不僅可以提升消音的效果，還能保證消聲器以及工作人員的安全。第五，為了避免燃燒、爆炸問題的出現，在氧氣管布置過程中，需要保證裝置與存在明火的區(qū)域之間至少間隔35 m，保證空分廠區(qū)的安全性。第六，為了保證工作人員的人身安全，在布置控制室與分析室時，需要盡量使其遠離危險區(qū)域以及振動的設備、管道。第七，在開展泵的布置設計工作時，設計人員不僅需要保證布置工作能滿足操作及檢修間距的要求，還需要盡可能提升泵布置位置的緊湊性與美觀性。第八，為了降低運維管理工作的難度，在保證設備布置工作滿足設備間距、凈空高度布置要求的基礎上，需要在相關區(qū)域設置操作通道與梯子平臺[3]。

4 空分裝置的管道布置

在空分系統(tǒng)配管布置工作中，不僅需要保證布置工作符合管道及儀表控制流程設計規(guī)范的要求，還需要在布置過程中對空分裝置布置現場的實際情況為基礎，開展管道設計的統(tǒng)籌規(guī)劃工作，提升設計工作的安全性、可靠性、美觀性，盡可能降低管道布置工作的成本，降低工程施工以及后續(xù)維修管理工作的難度。為了實現上述目標，在實際設計工作中，應落實以下內容：

1）空分裝置廠區(qū)設計過程中，除了污水、雨水、消防水等管道的敷設方法為地敷外，其余工藝、工程管線都應采用架空敷設的敷設方法，并且在實際施工過程中，為了降低架空管線的支撐難度，需要盡可能將架空線路布置在同一區(qū)域。

2）為了降低后續(xù)管線的維護管理難度，在管道敷設過程中，需要加強對管道間距與凈空高度的管控，一般情況下，不需要進行保溫處理的管線、管法蘭的間距約為25 mm；需要進行保溫處理的管線與相鄰管線之間的距離約為50 mm；若管線存在側向位移，那么在布置管線的過程中，可以適當增加管線的凈距。

3）在布置管線時，首先，若管線跨越了鐵路，那么需要保證管道在軌道以上的凈空距需要在6 m 以上；其次，若管道跨越了廠區(qū)內的主干道，那么管道在路面以上的凈空距需要大于5.5 m；再次，若管道跨越廠區(qū)內的一般道路，那么管道在路面上的凈空距需要大于4.5 m；最后，在設計過程中，需要保證主要操作通道的凈寬大于1 m。

4）在管線布置過程中，為了避免高點、低點受氣液的影響，出現破裂的問題，需要在布置過程中，在高點或低點設置排氣、排液口。

5）若工程中共用主管線來自廠區(qū)外，那么需要在管線布置過程中，將其集中布置在管廊上，并且在從水平氣體、液體、蒸汽、冷凝液等主管上接分支管線時，需要保證支線從主線的頂部接出。

6）在管道布置時，不同功能的管道在管廊所處的位置存在一定的差別，首先，若管廊上的管道直徑較大，那么在布置管線時，需要使其靠近管廊柱子；其次，若管道為需要設置“Π”型補償器的高溫管道，那么在布置管道時，需要使其與管廊柱子相靠近，并且在布置過程中需要集中設置“Π”型補償器；再次，若管道的直徑較小或者管道為氣體管道、公用工程管道，那么需要將管道布置在管廊的中間部分；最后若管道為工藝管道，那么在布置過程中，需要將其布置在與管廊相連接的設備側。

7）在布置冷卻器管道時，可以通過避免管道在冷卻設備區(qū)域出現交叉、繞行等問題的方式，保證管道布置位置不僅能夠保證操作順利進行，降低檢修工作的難度，還能避免“氣袋”“液袋”等問題的出現概率。同時，在布置過程中，設計人員還需要對其進行高點、低點放氣、放液處理。

8）在布置泵管道時，需要保證管道的位置不會對起重機的運行造成阻礙，同時，在起重機吊裝重物時，泵管道也不會對吊裝的重物產生阻礙。為了實現上述目標，在泵管道布置工作中，設計人員需要為配管預留合適的通道寬度與閥門高度，并且為了保證泵對凈吸入壓頭的需要，需要為泵配置合適的配管。在配管工作中，可以對入口處的實際情況進行分析，若入口處存在變徑情況，則可以采用偏心異徑管，并通過在低點位置設置排液口的方式，保證管道運轉的安全性。此外，為了盡可能提升泵的工作質量，可以在條件允許的情況下，將入口切斷閥布置在垂直管道上[4]。

9）在開展壓縮機管道布置工作時，工作人員不僅需要對管道的柔性進行分析，還需要依據項目的實際需要，開展振動分析工作。在保證分析結果符合設計施工標準后，開展配管設計施工活動。在架設管線時，由于支架被設置在地面上，為了避免支架對正常生產活動產生不利影響，需要保證進出口位置布置的管道為短直管道，通過減少彎頭數目的方式，提升支架布置的簡便性。同時，在布置進出口管道時，還需要避免管道會對檢修吊車的正常運轉造成阻礙。

10）在開展管道的跨距設置時，應保證跨距不僅能夠滿足管道對強度的需要，還需要滿足剛度條件的要求，然后選擇兩者中的小者作為管道的最大跨距。同時，在開展管道布置時，需要提升對支架結構設計的關注度，通過盡可能使管道與已有構筑物相接近的方式，降低支架對其他管道、設備的影響。

5 結語

空分裝置及配管設置是一項較為復雜的工作，為了盡可能提升設置工作的安全性與可靠性，在設計過程中，需要遵循整體性原則，從宏觀的角度入手，完成工藝流程選擇、機組選型、總圖布置等工作。在上述工作完成后，開展基礎工作設計優(yōu)化工作，以便為后續(xù)工程項目施工活動的順利進行，空分裝置的順利投產提供有效的支持。