丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)管道設計

柳 坤

中國成達工程有限公司 成都 610041

丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)是烯烴分離裝置的關鍵系統(tǒng)之一[1]，介質溫度經歷自72.2℃至-40.6℃的工況，冷熱條件同時存在，具有與一般壓縮機系統(tǒng)不同的特點，其管道設計的合理與否直接影響著裝置的正常運行。目前無太多文獻對此系統(tǒng)的管道設計做全面且系統(tǒng)的討論，本文結合某烯烴分離項目，對丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)的管道設計進行深入的分析，為今后類似系統(tǒng)的管道設計提供參考。

1 機組概況及工藝流程

本文中丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)由壓縮機組及其附件(包括油站、高位油箱等設備)、蒸汽透平機組及其附件(包括凝汽器、兩級射汽抽氣裝置、凝結水泵、排氣安全閥等設備)、多段吸入罐、冷凝器、冷劑儲罐、排污罐等組成。丙烯制冷壓縮機組及附屬設備工藝流程見圖1。

1-透平；2-丙烯制冷壓縮機；3-丙烯冷凝器；4-丙烯冷劑儲罐；5-預切割塔再沸器；6-四段吸入罐；7-三段吸入罐；8-二段吸入罐；9-一段吸入罐；10-丙烯液相排出泵

丙烯制冷壓縮機為四段離心式壓縮機，氣相丙烯從四段吸入罐注入系統(tǒng)，將系統(tǒng)壓力充壓至0.3MPa，再泄壓至火炬系統(tǒng)，反復三次將系統(tǒng)內氮氣置換，然后將系統(tǒng)充壓至適合壓力，將液相丙烯注入四段吸入罐，并在二、三、四段吸入罐內建立液相，以使系統(tǒng)啟動。

系統(tǒng)運行后，丙烯經壓縮機壓縮，以72.2℃的溫度進入冷凝器冷凝，然后至丙烯冷劑儲罐，經儲罐后的液相丙烯作為熱源進入預切割塔再沸器，降溫后作為冷劑為系統(tǒng)中各換熱器提供冷量，即依次經過四至一段吸入罐，為系統(tǒng)提供4.1℃、-7.5℃、-25.9℃、-40.6℃四個溫度級位的冷量。氣相丙烯從各段吸入罐頂部進入壓縮機壓縮，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉式循環(huán)制冷過程。需要時，各段吸入罐中的丙烯通過丙烯液相排出泵送至界區(qū)外，正常工況下無流量。

2 丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)布置

丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)平面布置需要考慮以下因素：① 根據(jù)工藝流程順序，將一至四段吸入罐依次按中心線布置，壓縮機靠近吸入罐布置，減少吸入管道的阻力，壓縮機旁設檢修、消防用的道路。吸入罐與壓縮機之間布置附屬管橋，以便管道的進出；② 壓縮機附件(包括油站、高位油箱等設備)靠近壓縮機布置，透平機組附件(包括凝汽器、兩級射汽抽氣裝置、凝結水泵、排氣安全閥等設備)靠近透平布置，其中凝汽器布置在透平下方，與透平柔性連接；③ 根據(jù)《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB 50160—2008)中5.2.1條，將丙烯冷凝器與冷劑儲罐(屬操作溫度低于自燃點的設備)布置在與丙烯壓縮機9m之外的位置(丙烯壓縮機為甲類可燃氣體壓縮機)，且將丙烯冷凝器相對冷劑儲罐均勻布置，減小偏流，見圖2。

圖2 丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)平面布置圖

在平面布置基礎上，對豎面布置考慮以下問題：① 根據(jù)凝結水泵的必需汽蝕余量(NPSH)r確定冷凝器的高度，結合廠家提供的壓縮機和透平的參考高度，確定壓縮機進出口管道距地面的凈空要求以及閥組平臺的操作檢修空間要求，同時將數(shù)據(jù)返與廠家核算，包括透平與冷凝器的柔性以及壓縮機吸入口直管段核算，在此基礎上確定附件(包括高位油箱、兩級射汽抽氣裝置等設備)標高，根據(jù)吊裝條件確定吊車軌道標高；② 丙烯冷劑儲罐主要作用是液封，故丙烯凝冷器底部出口與丙烯冷劑儲罐頂高差不應太大，本文核算后應小于6m，由此確定此二者豎面標高，見圖3。

圖3 丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)豎面布置圖

3 管道設計

通過以上分析可以看出，丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)有著特別的工況和設計要求：①壓縮機制冷過程中介質溫度經歷72.2℃～-40.6℃的工況，存在大量通常意義上低于或等于-20℃的低溫管道；②由于冷熱管道的同時存在，管道的支架設計及型式需要做特別考慮。本文將對丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)中最重要的壓縮機進出口管道進行分析，以闡述丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)管道設計的核心要點。

3.1 參數(shù)設計

系統(tǒng)在低溫工況運行時，其管道材料的技術要求為：具有足夠的強度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等[2]。其中，低溫韌性是最重要的因素，以防止管系的脆裂和脆斷，要求低溫鋼在最低使用溫度下有一定的沖擊韌性值，即滿足夏比試驗溫度下沖擊功的合格指標。根據(jù)壓縮機進出口條件，選用鎮(zhèn)靜鋼即完全脫氧鋼，一段進口為A671 GR.CC60低溫碳鋼，二、三段進口為A333 GR.6的低溫碳鋼；四段進口及壓縮機出口選用20#鋼。

隔熱材料方面，需要考慮導熱系數(shù)和材料密度兩個方面，以保證隔熱材料的經濟合理。對保冷材料而言，國內石化裝置通常選擇硬質聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃，根據(jù)其主要性能，當設計溫度≥-65℃時，保冷層材料可選用硬質聚氨酯塑料泡沫；當設計溫度低于-65℃時，宜采用復合保冷技術，且當隔熱層厚度大于或等于80mm時，采用分層設計。

3.2 方案布置

考慮丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)管道布置方案時，首先考慮以下4點：①滿足工藝及儀表流程的要求；②考慮管道應力設計；③考慮管道管件的操作和檢修，設置必要的平臺；④盡量布置合理、經濟、整齊、美觀。

丙烯制冷壓縮機進口管道布置見圖4。

A1I1-一段進口；A2H2-二段進口；A3G3-三段進口；A4H4-四段進口

對丙烯制冷壓縮機進口管道，平衡其閥組的操作檢修、應力和流量計直管段要求是此部分管道設計的難點，如圖4所示，對此做以下布置：① 因壓縮機四進口I1、H2、G3、H4管嘴間距離較近以及保冷材料厚度的限制，無法同時將一至四段進口線布置在地面，故將一、三段進口線A1-I1、A3-G3布置地面處，二、四段進口線A2-H2、A4-H4布置在相對地坪標高4米平臺處，以滿足管道間距及進口閥門的檢修操作，將數(shù)據(jù)返回廠家核算進口直管段要求；②各吸入罐至壓縮機進口具有8～20米的垂直距離，需要進行自然補償滿足應力要求：(a)為滿足壓縮機進口受力，考慮對管口受力的限制，對一至三段進口，因具有達-45℃工況，故考慮在H1、G2、F3點做建東方向的限位，同時對一段進口E1-F1段產生的冷縮，考慮在G1-H1段上做建南方向的限位，二段進口E2-F2段產生的冷縮，考慮在F2- G2段上做建北方向的限位，由于四段進口不存在小于0℃工況，考慮E4-F4段的熱漲，在F4-G4段設導向；同時，考慮在H1、G2、F3、G4設置恒力彈簧，限制管線在Y方向對管嘴的力；(b)對二次應力，垂直方向力考慮通過設置C1-F1、C2-F2、C3-D3、C4-F4段補償吸收；③進口管線流量計，分別在E1-F1、C2-D2、E3-F3、E4-F4段對其布置，以滿足需要約10倍管道公稱直徑的直管段要求；④為防止拆卸螺栓時破壞主管上的保冷層，低溫管道上的法蘭與彎頭或三通之間留取一段直管段，不宜直接焊接。

A-壓縮機出口；L、M、Q、R-冷凝器進口

丙烯制冷壓縮機出口管道操作溫度為72.2℃，其布置間圖5：①與四段進口管道錯開檢修空間，將出口閥組B-C段置于地面處，直管段數(shù)據(jù)返回廠家核算；②防止B-C段、D-E段熱漲對管嘴的受力，考慮在B點做建東方向限位、在C點做建北方向限位；同時，考慮在B設置恒力彈簧，限制管線在Y方向對管嘴的力；③四臺冷凝器進口管道進行對稱布置，即G至L、M、Q、R段，減小偏流的情況。

3.3 應力分析

對上述管道布置方案，進行應力核算，主要包括一次應力、二次應力和管口受力校核。表1為壓縮機進出口管道的參數(shù)工況條件，用COADE公司開發(fā)的管道應力分析程序CAESARII Ver4.50對上述管道進行應力分析和計算。

表1 壓縮機進出口工況

3.3.1 一次應力校核

根據(jù)計算結果，一次應力校核見表2：壓縮機一至四段進出口管道上的170、150、170、250、330點是具有最大一次應力值點，各綜合應力與許用應力的比值在17.4%～38.5%之間，滿足一次應力校核要求。

表2 一次應力校核

3.3.2 二次應力校核

二次應力校核見表3：壓縮機一至四段進出口管道上的210、110、98、88、550點具有最大二次應力值，各綜合應力與許用應力的比值在3.5%～32.6%之間，滿足二次應力校核要求。

表3 二次應力校核

3.3.3 管口受力校核

丙烯制冷壓縮機進出口管嘴布置及機組固定點見圖6，其中，壓縮機一至四段進口管嘴和出口管嘴分別為定義為240、220、260、290、10點，其公稱直徑分別為900mm、450mm、350mm、250mm、450mm。

注：圖中尺寸單位mm。

壓縮機進出口管道對管口的力和力矩應符合制造廠或API 617的要求，因與廠家協(xié)商，按NEMA SM23規(guī)定允許受力值的3倍執(zhí)行，即管口力和力矩需要滿足以下條件[3]：

(1)任一管口的力和力矩應滿足：

0.9144FR+MR?a×26.689×De

(1)

式中，De為當量直徑，mm；當管口公稱直徑不大于200時，De=管口公稱直徑；當管口公稱直徑大于200 時，De=(管口公稱直徑+400)/3；FR為單個管口上的合力，N；MR為單個管口上的合力矩，N·m；a為與廠家確認倍數(shù)，a=3。

(2)

(3)

式中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z為單個管口上X、Y、Z方向的作用力，N；Mx，My，Mz為單個管口上X、Y、Z方向的作用力矩，N·m。

(2)各管口的力和力矩合成到某一管口中心處的合力和合力矩應滿足：

①合力和合力矩應滿足：

0.6096Fc+Mc?a×13.345×Dc

(4)

式中，F(xiàn)c為各管口的合力，N；Mc為各管口的力和力矩合成到某一管口中心處的合力和合力矩，N·m；Dc為按公稱直徑計算得到的各管口面積之和的當量直徑，mm[當各管口面積之和折合成圓形的折算直徑不大于230mm時，Dc=折算直徑；當各管口面積之和折合成圓形的折算直徑大于230mm時，Dc=(折算直徑+460)/3]；a為與廠家確認倍數(shù)，a=3。

需要注意的是，條件(2)中的各管口，對壓縮機是指四段進口和出口；條件(2)中的某一管口，對壓縮機是指最大管口，即一段進口。

②Fc和Mc在X、Y、Z三個方向的分力和分力矩應滿足：

|Fcx|?a×8.756Dc

(5)

|Fcy|?a×21.891Dc

(6)

|Fcz|?a×17.513Dc

(7)

|Mcx|?a×13.345Dc

(8)

|Mcy|?a×6.672Dc

(9)

|Mcz|?a×6.672Dc

(10)

式中，F(xiàn)cx、Fcy、Fcz為Fc在X、Y、Z三個方向的分力，N；Mcx、Mcy、Mcz為Mc在X、Y、Z三個方向的分力矩，N·m；a為與廠家確認倍數(shù)，a=3。

需要注意的是，條件(2)中的各管口，對壓縮機是指四段進口和出口；條件(2)中的某一管口，對壓縮機是指最大管口，即一段進口。

在上述管道布置方案下，壓縮機管口力和力矩見表4。

表4 管口力和力矩

以壓縮機一段進口節(jié)點240管嘴為例進行計算：

(a)單獨管口的力和力矩：

De=(900+400)÷3=433.3mm

0.9144FR+MR=0.9144×9550.5+12280=21013

a×26.689×De=3×26.689×433.3=34695.7

對其余各管口做相同計算，結果見表5。

表5 單嘴口受力校核

表5結果滿足式(1)的要求，受力合格。

(b)各管口合成的力和力矩：

|Fcx|=|5264+(-92)+(-52)+(-343)+2183|=6960

|Mcx|=|(-9438)+7804+1539+1379+(-4721)+{(-2992)×0.85+(-3793)×0.5}+{(-2950)×0.85+(-513)×0.5}+{(-232)×0.85+(-750)×0}+{3970×0+2512×0}|=11212.9

同理，「Fcy?，「Fcz?，「Mcy?，「Mcz?計算見表6中結果。

表6 壓縮機嘴口受力校核

表7 壓縮機嘴口力矩校核

各管口面積之和：

A=(9002+4502+3502+2502+4502)×3.14÷4=1099000mm2

將上述值帶入式(4)～式(10)，得到表6～表8中的結果，可以看出，壓縮機一段進口合力和合力矩占許用值的88%，其他各分力和分力矩也滿足要求。

表8 壓縮機合成嘴口受力校核

4 支吊架設計

通過以上應力計算，對管道進行合適的支吊架設計，以滿足管系設計的要求。丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)需要特別注意低溫保冷管道的支架設計，以壓縮機一段進口管道為例，如圖7所示，此管道操作溫度為-40.8℃，對壓縮機管口，G1-H1直管段出現(xiàn)建東方向冷縮，E1-F1直管段出現(xiàn)建南方向冷縮，故在217點及170點做止推支架，防止240點壓縮機管口在Fx、Fz及Mx、Mz受力和力矩不滿足要求。50點標高與一段吸入罐頂出口標高相差不大，因此50點設剛性稱重支架，H1-I1段及F1-G1段由于冷縮，G1-H1段有Y方向位移，故在170點和210點設置彈簧，為使240點壓縮機管口FY在要求范圍內，210點設恒力彈簧，同時，170點設可變彈簧，彈簧的設置也使90點和120點在Y方向的位移為0mm，設置剛性支架。除了彈簧，A1-I1在F方向的力由C1-H1在X-Y面的自然補償來吸收，120點和170點設μ=0.1的低摩擦滑動支架。

圖7 壓縮機一段進口保冷管道支架圖

對丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)保冷管道支架，為避免管道產生“冷橋”，出現(xiàn)冷量的損失[4]，一般對保冷管道支架或生根的設備設置隔冷塊，或者采用管夾式結構管托，將保冷結構置于管夾內，內部有金屬層、保冷層和防潮層等，管夾和保冷層之間加丁基橡膠板，以便管道發(fā)生變形時，管道與保冷層之間沒有相對移動，這種整體考慮的管夾，可降低施工難度，且便于使用中的維護。圖8為一種保冷管夾的結構型式。

圖8 保冷管夾結構示意圖

5 結語

綜上所述，對于烯烴分離裝置丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)，本文就其平面及豎面布置需要考慮的因素及應對措施提出了設計時應把握的原則；同時，對于丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)的管道設計，從參數(shù)設計、方案布置、應力分析、支吊架設計等幾方面，闡述了其設計的要點。對上述各方面進行設計時，需要注意各部分既相互獨立、又相互聯(lián)系。比如在做方案布置時，就要考慮應力分析和支吊架的設計，綜合考慮以上各方面的因素，結合丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)的具體特點，方可設計出即可靠又經濟合理的工程方案。