大型空分裝置換熱器冷箱管道布置論述

周海如,鐘傳錦,郭書濤

(林德亞太工程有限公司,浙江 杭州 310023)

1 前 言

隨著空氣分離設(shè)備在大型煤化工及煉化裝置上的廣泛使用,空分裝置也迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇,逐漸向大型化、撬裝化的方向轉(zhuǎn)變。作為空分裝置核心的冷箱,合理的設(shè)備和管道布置、準(zhǔn)確的管道應(yīng)力分析,對(duì)空分裝置的安全性、經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用。

空分冷箱是指空氣分離設(shè)備的冷箱鋼結(jié)構(gòu)外殼,它的作用或功能是保證空分低溫設(shè)備和管道的絕熱保冷?？辗掷湎湟话阌蓳Q熱器冷箱、精餾冷箱以及氬冷箱組成,每個(gè)冷箱都有不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn),本文從換熱器冷箱內(nèi)設(shè)備布置、管道布置的特點(diǎn)并結(jié)合管道應(yīng)力分析的影響展開論述,把換熱器冷箱設(shè)計(jì)成安全高效、結(jié)構(gòu)緊湊且施工方便作為最終目標(biāo)。以達(dá)到有效提升管道布置實(shí)用性的目的,使得換熱器冷箱空間緊湊,占地面積小。

2 換熱器冷箱及內(nèi)部設(shè)備布置

冷箱內(nèi)換熱器的定位、支撐方式及主要工藝管道通常在基本設(shè)計(jì)階段就需要完成,然后才能確定冷箱的大小。因此在基本設(shè)計(jì)階段,一般要求設(shè)計(jì)人員必須有豐富的設(shè)備定位及配管經(jīng)驗(yàn)。

2.1 換熱器冷箱布置

換熱器冷箱與精餾冷箱/氬冷箱的空間布置是否優(yōu)化合理,會(huì)直接影響整套裝置的投產(chǎn)及運(yùn)行,對(duì)管道成本(包括安裝及材料成本)的影響尤其明顯。同時(shí)設(shè)備及管道布置應(yīng)滿足國家及行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程及安裝操作檢修等要求。

換熱器冷箱與精餾冷箱/氬冷箱的空間布置多以L形布置(如圖1)。這種布置在空分行業(yè)冷箱設(shè)計(jì)中是較為經(jīng)典的布置方式,L形布置對(duì)外圍的設(shè)備布置影響較小,冷箱內(nèi)外管道連接容易標(biāo)準(zhǔn)化,冷箱設(shè)備布置相對(duì)固定,空間利用率高且更利于膨脹機(jī)管道柔性要求,基本上不受冷箱大小影響,換熱器冷箱與精餾/氬冷箱通過上下多個(gè)連接箱連接,連接箱的形式及數(shù)量一般根據(jù)工藝流程圖(PID)來定義,一般不超過3個(gè)連接箱。

圖1 冷箱內(nèi)設(shè)備布置

2.2 換熱器冷箱內(nèi)設(shè)備布置

2.2.1換熱器冷端

換熱器冷箱內(nèi)部一般由高壓換熱器、低壓換熱器及過冷器等組成。以某10萬級(jí)大型空分為例,其換熱器冷箱包含6個(gè)高壓換熱器,4個(gè)低壓換熱器和2個(gè)過冷器。換熱器冷箱內(nèi)部各組換熱器之間一般考慮中線對(duì)稱布置,但過冷器應(yīng)靠近精餾冷箱,連接箱設(shè)置在此處,所有與精餾冷箱及氬冷箱相連接的管道都由此連接。所以過冷器時(shí)常(如圖1)與上塔相連,管徑較大,一般在DN900～DN1200,所占空間較大,所以過冷器靠近精餾冷箱,高壓換熱器布置在換熱器冷箱的中部,低壓換熱器布置在最右邊,冷箱內(nèi)部保溫距離一般約為300 mm,冷箱的型鋼尺寸一般為300～350 mm,所以保證低溫管道或者設(shè)備離冷箱邊界有600～700 mm的距離,考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?換熱器之間、管道與管道之間的凈距離保證在100 mm左右即可,模型需考慮鋼結(jié)構(gòu)尺寸、珠光沙保溫層尺寸(冷箱鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)距管道外壁最小距離為300 mm);原則上冷箱內(nèi)的設(shè)備和冷管線不能超過最小保溫層界限[1]。

但過冷器與高壓換熱器之間的距離要合理,用于氣體液體膨脹機(jī)進(jìn)出口管道及旁通管道匯集(閥門集中布置在此處)以及將來應(yīng)力計(jì)算后管道柔性的調(diào)整空間。

低壓板換體積比高壓板換大,再加上連接到低壓板換上的管子比較少,所以當(dāng)高低壓板換布置在一個(gè)冷箱時(shí),低壓板換之間的間距可以縮小。

每組換熱器連接管道集中布置(如圖1),每對(duì)換熱器中間考慮T形支架用作管道支架。

過冷器放在主冷箱還是放在換熱器冷箱應(yīng)在投標(biāo)階段定義,多數(shù)放在換熱器冷箱。

過冷器的支撐形式有多種,可以用不銹鋼結(jié)構(gòu)支撐在地面上,也可以用不銹鋼吊桿吊在冷箱頂部,支撐形式影響冷箱的大小,應(yīng)綜合應(yīng)力計(jì)算、過冷器數(shù)量和地震烈度與鋼結(jié)構(gòu)工程師一起討論決定。

高度方向主要考慮過冷器底部低壓塔出來的GAN和污氮管道底部距地面最小留有400 mm的保溫距離(如圖2),過冷器高度也是由此定義的,因換熱器頂部基本屬于熱區(qū)域,所以換熱器頂部管嘴離頂部結(jié)構(gòu)保證300 mm左右的凈空即可。

圖2 冷箱內(nèi)基礎(chǔ)

對(duì)于多個(gè)過冷器的匯集形式,對(duì)稱布置是首選。但如果因此要增加冷箱尺寸,則采用U型布置,對(duì)于氣體介質(zhì)的管道則必須考慮U型布置。而對(duì)于流體介質(zhì)的管道則應(yīng)與流程工程師討論確定,Z型布置管道也是一種選項(xiàng)。

對(duì)于單個(gè)過冷器,管口可以放在過冷器的前端,這樣可以節(jié)省空間及減小冷箱的尺寸,但這些須與設(shè)備工程師討論后決定。

2.2.2換熱器熱端

頂部熱端管道的匯集一般在冷箱外進(jìn)行,頂部管道遵循的基本原則為“高大低小”,管徑越大,應(yīng)該布置在最頂部,然后可參照管道尺寸大小順序布置下來,但不是越高越好,考慮風(fēng)載以及地震載荷、結(jié)構(gòu)尺寸及經(jīng)濟(jì)性,一般最大管徑的頂部距換熱器冷箱頂表面不超過8.5 m。

污氮及氣氮管道一般在DN1200～DN2000,常布置在頂部,因?yàn)楣艿拦軓捷^大時(shí)載荷較大,空間限制支管也難做柔性彎,為減少換熱器管口的載荷并考慮換熱器在運(yùn)行時(shí)會(huì)有一定量的收縮,所以支架設(shè)計(jì)一般采用彈簧支架。

其它主管為DN500以下的管道,均通過支管做柔性彎吸收換熱器運(yùn)行時(shí)的位移,若應(yīng)力計(jì)算無要求,支架一般不考慮彈簧支架。

但從分子篩到換熱器冷箱的主原料氣管,考慮到檢維修及節(jié)省頂部空間,一般布置在側(cè)面。需要在管路下方留有一定的空間,考慮彈簧支架,該管的應(yīng)力分析必須從分子篩結(jié)合主換熱器冷箱內(nèi)管道一起進(jìn)行,為隔絕外部管道對(duì)冷箱區(qū)域的影響,在分子篩與換熱器冷箱分界處的常規(guī)支架一般會(huì)設(shè)置無力矩約束固定架。

綜上,換熱冷箱的長寬高基本可以確定,后期可以跟據(jù)流程參數(shù)及應(yīng)力計(jì)算適當(dāng)?shù)恼{(diào)整整體尺寸,以節(jié)省總體材料用量及現(xiàn)場施工費(fèi)用。

2.3 換熱器冷箱內(nèi)設(shè)備支撐方式

換熱器冷箱內(nèi)設(shè)備的支撐方式對(duì)配管柔性的考慮、設(shè)備安裝難度都會(huì)有很大的影響。目前主流的支撐方式組合有兩種:一種是過冷器、高低壓換熱器均吊在冷箱頂部的結(jié)構(gòu)上,如圖3;另一種是過冷器吊桿生根到頂部結(jié)構(gòu),高低壓換熱器通過支耳固定到一通梁上,如圖4。

圖3 換熱器懸吊在冷箱頂部

圖4 換熱器支撐在梁上面

第一種支撐方式組合由于都是吊架且生根到頂部結(jié)構(gòu),在豎直方向都是往上收縮,在水平方向也可以跟著管道的收縮而移動(dòng)。由于這種位移的同向性和可跟隨性,使得對(duì)管道柔性要求不是很苛刻,但也存在兩個(gè)方面的缺點(diǎn):其一是對(duì)地震會(huì)比較敏感,需要從結(jié)構(gòu)上考慮增加構(gòu)件,以加強(qiáng)對(duì)換熱器的水平約束,從而保證換熱器的穩(wěn)定性;其二是設(shè)備的重量會(huì)全部作用到換熱器冷箱頂部結(jié)構(gòu),再加上熱端管道重量,使得頂部鋼結(jié)構(gòu)受力很大,從而導(dǎo)致要選用較大的截面型鋼,同時(shí)由于受力點(diǎn)比較高,鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性也會(huì)增加。

第二種支撐方式組合的過冷器是吊到頂部結(jié)構(gòu),換熱器是中間固定到通梁上,這樣勢必會(huì)導(dǎo)致在豎直方向由于支撐點(diǎn)的高度差產(chǎn)生位移差,且換熱器是固定的,盡管過冷器可以轉(zhuǎn)動(dòng),但考慮其他管道的約束和珠光砂的阻尼作用,連接過冷器和換熱器的管道支管需要有很好的柔性,特別是與遠(yuǎn)端換熱器相連的支管?？梢钥闯鲞@種支撐組合方式位移的同向性和可跟隨性不是很好,使得配管時(shí)需要考慮更多的柔性,對(duì)空間要求也比較高。但也有其優(yōu)點(diǎn),相比于第一種組合方式,由于換熱器有支耳固定在冷箱中部的通梁上,其抗震性和結(jié)構(gòu)受力均比較好。

在項(xiàng)目執(zhí)行中,可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)兩種方式進(jìn)行選擇。

2.4 換熱器冷箱運(yùn)輸

一般現(xiàn)場施工條件比較差、安裝工人水平參差不齊,而換熱器冷箱又包含較多的換熱器等敏感設(shè)備,因此為保證裝置的安裝質(zhì)量,會(huì)考慮在國內(nèi)工廠把冷箱內(nèi)的設(shè)備、管道及支架等都安裝好,然后運(yùn)到施工現(xiàn)場。為避免在運(yùn)輸時(shí)對(duì)換熱器冷箱內(nèi)設(shè)備和管道造成破壞,在配管時(shí)需要考慮增加合理的運(yùn)輸支架,而應(yīng)力分析也需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況考慮海運(yùn)、陸運(yùn)及現(xiàn)場起吊等運(yùn)輸工況。

3 部分重要管道及閥門布置

換熱器本體的進(jìn)氣口盡量布置于封頭中間,否則會(huì)造成換熱通道內(nèi)氣流分布不均,影響換熱效果;出氣口位置可以偏置,但最好也放在封頭中間,否則應(yīng)及時(shí)將信息反饋給設(shè)備設(shè)計(jì)廠家。

在完成設(shè)備布置后,可以開始管道設(shè)計(jì)。在建立管道模型前最好先熟悉工藝流程圖(PID),明確主要工藝管線的大致走向、閥門的初步位置、主冷箱及冷箱外圍管道連接的大致位置。

換熱器冷箱管道設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循“先大管后小管,先高壓后低壓,先閥門/設(shè)備后管道”這幾個(gè)原則。

多組換熱器的管道布置,對(duì)稱的管道布置是最好的,如果不能實(shí)現(xiàn)或者說這樣做會(huì)增加冷箱的大小,則管道走向可以采用U型且進(jìn)入換熱器的彎頭數(shù)量及彎頭角度也須保持一致。從熱力學(xué)的角度看,其他形式的配管會(huì)影響換熱器的換熱效果(可能會(huì)產(chǎn)生偏流),冷箱內(nèi)管道應(yīng)呈U字型對(duì)稱布置;對(duì)于多組換熱器,選擇其中的一組布置,完成后拷貝到其他組,然后把各個(gè)部分連接起來,這樣會(huì)大大提高管道的布置速度,而且不容易出錯(cuò)[2]。

但支管接入主管的順序應(yīng)該是使冷端熱端均保持一致,否則會(huì)出現(xiàn)偏流及熱交換不均等情況。

換熱器冷端的管道一般依靠自身承重到設(shè)備上,如果經(jīng)應(yīng)力計(jì)算需要增加支架的,可以在換熱器上就近的合適位置貼板,用做支架生根;盡量對(duì)稱布置;液體管道需要設(shè)置3°左右的坡度;進(jìn)下塔的空氣管道應(yīng)設(shè)置高點(diǎn),防止液空回流,具體數(shù)據(jù)需要流程確認(rèn)。

換熱器熱端管道布置相對(duì)比較復(fù)雜,優(yōu)先考慮該部分管道對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)比較有利的布置方式;預(yù)先考慮管道支撐,預(yù)留管道支架空間,進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

進(jìn)下塔的空氣管道應(yīng)設(shè)置高點(diǎn),防止液空回流,具體數(shù)據(jù)需要流程確認(rèn)。

由于空間的考慮,氣體及液體膨脹機(jī)布置在換熱器冷箱側(cè),其中氣體膨脹機(jī)進(jìn)出口管道管徑較大,需要更多的空間所以布置在過冷器附近,液體膨脹機(jī)管道壓力高、壁層厚有比較高的柔性要求,從高壓換熱器出來后需要比較大的膨脹彎,所以考慮布置在遠(yuǎn)離高壓換熱器的低壓換熱器旁,這樣氣體、液體膨脹機(jī)之間也保留了足夠的檢修空間,也更利于膨脹機(jī)體身公用工程的配管。

過冷器與高壓換熱器之間需要保持較大的空間,用于布置主空氣管、膨脹機(jī)旁通管道及閥門以及氣體膨脹機(jī)出口匯集至主空氣管,該管道尺寸一般為DN600,膨脹機(jī)出口后基于柔性的考慮豎直方向做膨脹彎,之后并入主空氣管進(jìn)入下塔底部參與精餾。

膨脹機(jī)對(duì)進(jìn)出口管道及旁通管道的應(yīng)力條件比較苛刻,有較大的柔性需求,所以在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)恼{(diào)整空間。在完成膨脹機(jī)進(jìn)出口管道概念設(shè)計(jì)后,應(yīng)提供給應(yīng)力計(jì)算工程師粗算看柔性是否足夠。

膨脹機(jī)旁通閥一般采用高壓截流閥,節(jié)流至下塔(PC)的壓力,閥門前后壓力變化較大,考慮到節(jié)流后的作用反力,閥后需要安裝一個(gè)加強(qiáng)型固定架。節(jié)流后需保證>1 m的直管段(厚壁直管)和加厚的彎頭,以減小節(jié)流后的流體對(duì)彎頭內(nèi)壁的沖擊,之后可用薄壁的管道。

4 結(jié) 論

隨著空分冷箱規(guī)模的不斷增大,冷箱內(nèi)合理的設(shè)備布置及管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為滿足裝置工藝要求及提高冷箱安全性、經(jīng)濟(jì)性的有效手段,同時(shí)也是配管設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)長期任務(wù)。