聚乙烯裝置擠壓造粒單元設(shè)備布置優(yōu)化研究

林斌斌

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

聚乙烯簡(jiǎn)稱PE，是以乙烯為聚合單體制得的一種熱塑性樹脂，是世界上應(yīng)用量最大的合成樹脂品種之一。聚乙烯具有耐腐蝕性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性優(yōu)良、無毒、無臭等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電氣電子、機(jī)械和日用品等生活的各個(gè)方面[1]。

擠壓造粒單元屬于聚乙烯裝置的核心單元之一，其占地面積大，設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本高。其設(shè)備布置的優(yōu)劣直接影響管道布置的合理性和經(jīng)濟(jì)性，影響裝置的投資效益。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)聚乙烯裝置的流程和布置進(jìn)行了大量的研究，已有了較為成型可靠的布置方案，但是大部分都集中在整個(gè)擠壓造粒廠房的布置，或者整個(gè)擠壓造粒機(jī)機(jī)組的宏觀層面研究上，很少有專門針對(duì)切粒水箱和水泵布置的相關(guān)研究文獻(xiàn)。

本文以國(guó)內(nèi)某30 萬噸/年線性低密度聚乙烯裝置為研究對(duì)象，通過介紹擠壓造粒工段的組成和工藝流程，根據(jù)其布置要求和特點(diǎn)，優(yōu)化布置方案，在不增加擠壓造粒廠房面積的前提下，將切粒水箱和水泵從室外布置優(yōu)化至室內(nèi)布置，并從占地面積、經(jīng)濟(jì)效益等多方面對(duì)新舊方案進(jìn)行論證分析，詳細(xì)闡述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 擠壓造粒單元組成和工藝流程

擠壓造粒單元是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，內(nèi)部包設(shè)備眾多，是裝置內(nèi)最大的建筑物，主要包括擠壓造粒系統(tǒng)、粉料緩沖料倉(cāng)、添加劑喂料系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、配套的公用工程系統(tǒng)等。其中擠壓造粒系統(tǒng)主要包括擠壓造粒機(jī)本體及其相關(guān)輔助設(shè)備，切粒水箱和水泵等相關(guān)設(shè)備，粒料干燥及篩選設(shè)備，熱油系統(tǒng)等。

擠壓造粒系統(tǒng)的主要工藝流程如下：原粒樹脂和添加劑由混煉機(jī)料斗靠重力加入到混煉機(jī)，在混煉機(jī)中熔融、混合。熔融樹脂經(jīng)熔融泵升壓后，通過篩網(wǎng)篩除其中的雜質(zhì)和未熔融塑化好的部分，然后進(jìn)入水下切粒機(jī)的模頭。樹脂在水下從模板擠出，被刀片切成顆粒，自水下切粒機(jī)出來的樹脂顆粒和切粒水的混合物送往脫塊器分離出樹脂顆粒中塊狀物，然后送到離心式顆粒干燥器。從干燥器出來的樹脂顆粒經(jīng)粒料分級(jí)篩脫除較大尺寸顆粒后送往后續(xù)樹脂處理單元。

切粒水在脫塊器和干燥器中與樹脂顆粒分開，流回到切粒水箱，經(jīng)切粒水泵加壓并通過切粒水冷卻器冷卻后，回到水下切粒機(jī)循環(huán)使用。

2 設(shè)備布置

項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中設(shè)備布置是否合理直接影響著管道設(shè)計(jì)和操作的合理性，生產(chǎn)過程的安全性以及項(xiàng)目的成本控制等方面。設(shè)備布置應(yīng)在滿足工藝流程要求和安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理，占地緊湊、整齊美觀，滿足安全、環(huán)保、健康等法律法規(guī)要求[2]。設(shè)備布置要充分考慮施工場(chǎng)地的要求，預(yù)留充裕的空間，對(duì)于擠出機(jī)等大型設(shè)備要考慮吊軌，方便檢修，滿足安裝、施工、維修、操作等方面的需求[3]。合理的設(shè)備布置有利于減少?gòu)S房的建筑面積和高度，同時(shí)減少管道布置的難度，從而減少投資成本，提高產(chǎn)出投入比[4]。

擠壓造粒單元主要由多個(gè)包設(shè)備組成，宜采用集成式布置，盡可能地將相關(guān)設(shè)備集中布置，方便將來設(shè)備的操作、檢維修及管道布置。本論文中擠壓造粒單元原始的設(shè)備布置方案簡(jiǎn)稱A 方案，優(yōu)化后的方案簡(jiǎn)稱B 方案。

2.1 A 設(shè)備布置方案

A 方案擠壓造粒單元主要由擠壓造粒廠房和廠房外的熱油系統(tǒng)、切粒水箱和切粒水泵組成。擠壓造粒廠房是四層混凝土框架式封閉建筑物，底層放置擠出機(jī)本體及輔助設(shè)備、部分粒料輸送設(shè)備、機(jī)柜間和變配電室等、具體如圖1 所示。二層放置粒料計(jì)量器，減溫減壓器，袋式過濾器，部分添加劑設(shè)備。三層放置預(yù)脫水及大塊捕集器、離心干燥機(jī)、振動(dòng)篩、部分添加劑設(shè)備。四層放置旋風(fēng)分離器、除濕風(fēng)機(jī)、部分添加劑設(shè)備。屋頂放置樹脂緩沖料倉(cāng)和吸附設(shè)施。擠壓造粒廠房的特點(diǎn)是底層設(shè)備多，設(shè)備布置緊湊，而上層設(shè)備相對(duì)較少，故將切粒水箱和水泵布置在室外，以減少建筑面積。

圖1 A 方案擠壓造粒單元底層布置圖Fig.1 The bottom equipment layout of extrusion granulation for A design

2.2 B 設(shè)備布置方案

B 作為A 的優(yōu)化方案，采用相同的聚乙烯技術(shù)和擠壓造粒機(jī)組，其擠壓造粒單元主要由擠壓造粒廠房和廠房外的熱油系統(tǒng)組成。擠壓造粒廠房同樣是四層混凝土框架式封閉建筑物。底層放置擠出機(jī)本體及輔助設(shè)備、切粒水泵、部分粒料輸送設(shè)備，機(jī)柜間和變配電室等，具體如圖2 所示。二層放置切粒水箱、粒料計(jì)量器，減溫減壓器，袋式過濾器，部分添加劑設(shè)備。三層、四層及屋頂?shù)脑O(shè)備布置與A 方案基本一致。將圖1 和圖2 進(jìn)行對(duì)比分析，可以明顯看出，B 方案和A 方案的主要區(qū)別是在不增加擠壓造粒廠房面積和層數(shù)的前提下，充分利用二層廠房的空間將切粒水箱優(yōu)化至廠房二層，切粒水泵優(yōu)化至廠房底層布置，其他設(shè)備布置基本一致。

圖2 B 方案擠壓造粒單元底層布置圖Fig.2 The bottom equipment layout of extrusion granulation for B design

3 A、B 方案對(duì)比分析

3.1 A 方案優(yōu)勢(shì)分析

B 方案切粒水箱放置于擠壓造粒廠房二樓西南側(cè)，具體如圖3a 所示，由于同樓層內(nèi)放置添加劑相關(guān)設(shè)備，其要求環(huán)境設(shè)計(jì)相對(duì)濕度夏季≤72%，冬季≤60%，但是水箱不可避免地會(huì)有水霧濺出，房間濕度相應(yīng)增加，進(jìn)而對(duì)添加劑產(chǎn)生不利影響。所以水箱宜采用單獨(dú)空間布置，與添加劑設(shè)備隔絕。此方案需要增加三面磚混圍墻，從而增加土建方面的成本，金額大約是10 萬人民幣。而A 方案切粒水箱直接放置于室外地面上，二樓無其他導(dǎo)致濕度增加的設(shè)備，具體如下圖3b 所示，所以不存在此類問題。從土建成本方面考慮，A 方案更有優(yōu)勢(shì)。

圖3 A、B 方案擠壓造粒廠房二層設(shè)備布置圖Fig.3 The second floor equipment layout of extrusion granulation for A and B design

3.2 B 方案優(yōu)勢(shì)分析

3.2.1 占地面積方面

擠壓造粒單元的占地面積主要由廠房和室外設(shè)備占地面積組成。A 方案和B 方案的擠壓造粒廠房尺寸均為43 m×33 m，熱油系統(tǒng)框架尺寸均為11 m×7.5 m，主要區(qū)別是切粒水箱和水泵的占地面積，各方案具體占地面積如表1 所示。從表中可以明顯地計(jì)算出B 方案占地面積較A 方案節(jié)約78 m2，對(duì)于用地規(guī)劃緊張的裝置，B 方案具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

表1 各方案占地面積Tab.1 The floor area of each design

3.2.2 氣候影響方面

本裝置所處的地區(qū)位于我國(guó)淮河以北，歷年平均氣溫10.9～ 12.3 ℃，極端最低氣溫-18.3 ℃，最冷月平均氣溫-4.9～ -2.0 ℃。切粒水箱和水泵中存儲(chǔ)的介質(zhì)主要是水，室外溫度低于零度時(shí)，水就有凝結(jié)成冰的可能性，尤其是極端天氣下，室外的含水設(shè)備和管道就有凍壞的風(fēng)險(xiǎn)。A 方案因?yàn)樗浜退梅胖糜谑彝?，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)而言比較大。為了解決此類問題，需要為相關(guān)設(shè)備和管道增加各種保暖防凍措施，比如添加保溫層、進(jìn)行蒸汽伴熱或電伴熱等，這些措施會(huì)持續(xù)消耗公用工程資源，增加投資和運(yùn)行成本。而B方案將水箱和水泵放置室內(nèi)，室內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于水的凝固點(diǎn)，即使極端天氣下，也可以避免此風(fēng)險(xiǎn)，無需保溫，節(jié)省了投資和運(yùn)行成本。

3.2.3 管道柔性方面

含樹脂顆粒的切粒水經(jīng)過脫塊器和干燥器，與顆粒分離后流回到切粒水箱循環(huán)使用。流回切粒水箱的主管道管徑是DN 500，內(nèi)部充滿切粒水，A 方案水箱放在室外地面層，而脫塊器和干燥器均放置在三層，不可避免地產(chǎn)生15 m 左右的高差，導(dǎo)致管道產(chǎn)生較大振動(dòng)，并對(duì)水箱產(chǎn)生巨大的沖擊力，管道和水箱有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了使管道具有較好的柔性，減少水線沖擊力，管道需要刻意彎曲，增加部分水平段和彎頭，如下圖4a 所示，同時(shí)為了減少振動(dòng)，還需要增加部分減振支架和彈簧支架。這些措施雖然有效地解決了管道振動(dòng)和沖擊力大的問題，但無形中增加了管道局部阻力，增大了壓降，導(dǎo)致管道有堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，安全性變差，且減振和彈簧支架的添加也增加了項(xiàng)目成本。B 方案水箱放置在二樓，將縮短10 m 左右的高差，如下圖4b 所示，較大地減少了水線沖擊力，避免了管道振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，安全性提高，且節(jié)約了管道的長(zhǎng)度和減振、彈簧支架。

3.2.4 管道成本方面

不同的設(shè)備布置方案往往具有不同的管道布置方案，從而影響管道長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量，直接影響管道的投資成本。表2 列出了A、B 方案設(shè)備布置涉及到的主要管道數(shù)量及其費(fèi)用，由于此類管道都是304類型的不銹鋼，價(jià)格比較高，所以更具有經(jīng)濟(jì)意義。從表中可以看出，A 方案涉及的管道總量是133 m，總價(jià)是157 825 元，B 方案涉及的管道總量是134 m，但大口徑管道數(shù)量減少，并且節(jié)省了支架材料和保溫伴熱材料，總價(jià)是122 865 元，雖然管道用量相似，但B 方案具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了34 960 元的管道及輔料成本，更具有應(yīng)用價(jià)值。

表2 各方案主要管道和輔料費(fèi)用對(duì)比Tab.2 The cost comparison of main piping and support materials for each design

4 結(jié)論

綜上所述，雖然A、B 方案各有優(yōu)劣，但優(yōu)化后的30 萬噸/年線性低密度聚乙烯裝置具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在滿足工藝和檢維修要求的基礎(chǔ)上，首先是布置更緊湊，節(jié)省了占地面積，節(jié)約了投資成本，而且優(yōu)化了管道流程，減小了水線沖擊和管道振動(dòng)，并避免了切粒水箱和水泵被凍壞的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)的裝置或占地面積要求苛刻的裝置更具有實(shí)際意義。本文從多方面對(duì)比分析了A 和B 兩套方案，具體闡述了兩套方案的優(yōu)劣，論證了優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)，希望對(duì)今后類似的工程設(shè)計(jì)有所幫助。