大型離心式壓縮機的布置及配管研究

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著石油化工行業的迅猛發展，壓縮機被廣泛應用于化工領域。壓縮機是工藝生產裝置的心臟，是工藝介質的動力來源，其順利開車、穩定運行對整個項目有著非常重要的意義[1]。與往復式壓縮機相比，離心式壓縮機有著運轉平穩、機組外形尺寸小、質量輕、占地面積少等優點，因而獲得越來越廣泛的應用。筆者根據多年項目經驗，并參考其他文獻，探討了大型離心式壓縮機的設備布置及配管。

1 壓縮機廠房的設備布置

壓縮機廠房的設備布置，應以工藝生產流程為依據，并充分考慮總體平面布局。由于壓縮機廠房在總體平面布局中涉及面廣，影響因素多，通常采用多種方案對比分析，從中選出最優布置方案。首先，壓縮機廠房的設計，應符合國家現行有關標準規范的規定，如GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》、GB 50016—2014《建筑設計防火規范》。國外項目的壓縮機廠房設計，還需滿足當地的有關標準規范的規定。

廠房的設備布置包括機組的布置和附屬設備的布置[2]。大型離心式壓縮機的驅動機一般為汽輪機，汽輪機與壓縮機組成機組。附屬設備一般包括氣液分離器、各級段間冷卻器、表冷器(采用水冷的凝氣式汽輪機)、凝結水泵、潤滑油站、高位油箱等。壓縮機機組及其附屬設備的布置應滿足壓縮機廠家的要求，可參考制造商提供的機組及其附屬設備建議布置圖和設備安裝檢修需要的凈距要求等來進行廠房的布置。根據壓縮機廠家建議布置圖、工藝、設備操作檢修需求等因素、以及業主的要求，確定段間冷卻器和氣液分離器布置在室內或室外。

1.1 壓縮機廠房與管廊的相對位置關系

壓縮機廠房與管廊的相對位置關系，需根據項目實際情況而定，因地制宜，以滿足裝置布置和占地條件。壓縮機廠房通常沿著裝置主管廊布置，以便于進出廠房的管道與主管廊交接。在場地受限的情況下，也可采用壓縮機廠房垂直于主管廊、并為廠房設置內部支管廊的布置方式[3]。

1.2 壓縮機與廠房的相對位置關系

壓縮機在廠房內的布置方式可分為軸向串聯布置(見圖1)和橫向并列布置(見圖2)。其優缺點對比見表1。

圖1 軸向串聯布置

圖2 橫向并列布置

表1 壓縮機在廠房內的布置方式對比

1.3 壓縮機廠房的圍護形式

壓縮機廠房的圍護形式分為敞開、半敞開和全封閉形式，根據介質性質、現場環境及相關方的要求等來確定，壓縮機廠房的圍護形式對比見表2。壓縮機廠房宜采用敞開或半敞開式的，項目處于寒冷或者多沙塵暴地區時，宜采用全封閉形式的。

表2 壓縮機廠房的圍護形式對比

1.4 二樓平臺的高度設置

大型離心式壓縮機的進口、出口一般在機體下部，并且附屬設備較多，宜上下兩層布置，上層布置機組，下層布置附屬設備。通常壓縮機裝置圖上給出了供參考的二樓平臺標高，設計人員可以根據實際情況適當調整此標高。

二樓平臺的高度，應滿足下述要求：①進出口管道與地面、壓縮機混凝土頂板的凈空要求；②進出口管道與管廊上管道的對接高度要求；③進口管道上過濾器的安裝檢修要求；④當壓縮機為凝氣式汽輪機驅動時，其安裝高度應根據表冷器的外形尺寸及冷凝液泵的吸入壓頭確定，還應保證表冷器安裝就位方便及排氣安全閥的接管高度要求。如果冷凝液泵的吸入口高度降低，樓面的高度則可相應降低。在條件受限的情況下，可以選用液下式冷凝液泵，最大限度地降低廠房高度；⑤機間緩沖罐和換熱器(包括潤滑油站上的換熱器)應滿足位差、抽芯檢修和管道布置的要求；⑥壓縮機入口管道的無袋型要求(該管道宜坡向入口分離罐)。然而，現在生產裝置趨向大型化，使得入口分離罐的高度增加，進而影響二樓平臺的標高。若將分離罐改為臥式的，則可降低二樓平臺的高度。

1.5 高位油箱的設置

高位油箱是利用重力作用在事故停車時給機組供給潤滑油的設備?；诮洕蚩紤]，為了降低廠房的高度且避免高位油箱影響廠房內吊車的運行，高位油箱可選擇布置在廠房外或廠房內的端頭。如果布置在廠房外，在寒冷地區，為避免室外的低溫環境造成潤滑油的黏度上升，則需要對高位油箱采取防凍伴熱或其他采暖措施。高位油箱的高度應滿足制造商的要求，一般高于壓縮機轉子中心6 m。高位油箱及潤滑油站油箱位置應滿足位差要求且盡量靠近。

1.6 吊車的設置

原則上壓縮機廠房內的吊車為壓縮機檢修使用，其最大工作載荷只考慮壓縮機的最大檢修件質量，一般不考慮壓縮機整體吊裝。若因施工需要，起吊質量在吊車的載荷范圍內時，也可用于壓縮機部分部件和輔助設備的安裝。

壓縮機檢修吊車的選型，需考慮機組的最大檢修件重量、起吊高度、廠房的跨度、防爆形式等。需要確定的吊車數據見表3。

表3 吊車數據

最大起重量根據壓縮機廠家提供的最大檢修件質量，再考慮15%～20%的裕量，然后從吊車樣本中向上圓整確定。吊車軌頂標高是根據壓縮機廠家提出的最大檢修起吊高度，加上吊車樣本中吊鉤到軌頂之間的最小距離，還要考慮吊裝時吊繩的長度(按兩側吊繩呈60°夾角計算)以及裕量，最后累加得出吊車軌頂的標高。需要注意是否存在跨越其他機組或設備的情況，那么還需要核算軌頂標高能否滿足跨越的要求。

2 壓縮機廠房的管道布置

壓縮機的配管設計應符合PID與壓縮機廠家圖紙的設計要求。由于壓縮機為包設備整體采購，需關注材料供貨分界，如果缺少配對材料，可能會影響項目進度。一般非標法蘭需要廠家供貨，其他供貨分界詳見合同及PID。建議逐一清理壓縮機接口表，核對材料。

壓縮機管道應盡量布置在廠房二樓平臺下方，需要經常操作的閥門布置在廠房的操作平臺或地面上。

2.1 壓縮機進出口管道的布置

壓縮機進出口管道應滿足試壓、吹掃和沖洗的要求，壓縮機進出口處應設置管道短節，并有足夠的拆卸空間，以便于管道與壓縮機管口脫離及設置盲板。

壓縮機進氣管應在入口處設置一段直管段，其長度應滿足壓縮機廠家的要求，一般不少于3～5倍管口直徑的直管段，以免進氣不平穩。入口過濾器應盡量靠近壓縮機入口安裝，并采用法蘭連接，以便于拆卸。當入口過濾器選用錐型過濾器時，過濾器兩端需分別設置法蘭，管道支撐設置在該段法蘭之外的管段上，而兩對法蘭之間的直管段上不可設置支架，以便于錐形過濾器的檢修。

壓縮機出口管道上的止回閥，應盡可能靠近壓縮機出口布置，滿足壓縮機廠家對止回閥前管段的有效容積要求，以避免壓縮機停車時，積存在管道中的高壓氣體導致壓縮機轉子反轉。

2.2 汽輪機蒸汽管線的布置

汽輪機蒸汽管線在進出口處應設置可拆卸法蘭，以便于管道試壓和吹掃。蒸汽管道的低點應設置集液包和疏水閥組，特別是在管口附近的低點，以排凈暖管過程產生的冷凝液。

汽輪機的暖管管線應盡量在靠近汽輪機的入口處接出，暖管線上的切斷閥應靠近蒸汽主管設置。暖管線的管徑宜選取DN50左右(可在切斷閥后適當擴徑)，管徑太小，開車時暖管太慢；管徑太大，則管道布置難度較大(尤其是蒸汽主管接出處，汽輪機入口處通常被機體自帶部件包住，可利用的配管空間非常有限)，而且對管道應力影響也較大。

圖3 消音器的支撐架

暖管線上的消聲器應引至廠房外高點放空。建議布置在廠房外側的管廊上方，這樣既便于支撐，又遠離廠房。如無法布置在管廊上方，則高于廠房屋頂設置，但此處消音器支撐不易設置，建議支撐形式見圖3。

2.3 油路管線的布置

機組的回油管道應盡可能短，并坡向潤滑油站的油箱，坡度滿足壓縮機廠家與工藝專業提出的最小坡度要求。大型離心式壓縮機的回油總管(壓縮機廠家的供貨范圍)一般設置在壓縮機混凝土頂板的側面，此種設置方式易造成回油總管與二樓平臺的結構梁相碰。因而，應在土建條件圖中標示出回油總管，以便于土建專業在設計過程中避免結構梁與油管碰撞。油路管線應分段設置拆卸法蘭，通常每段管道長度不宜大于6 m，彎頭不宜超過2個，以滿足現場安裝拆卸和酸洗的要求。

2.4 放空管線的布置

壓縮機廠房內的放空管線較多，布置要求見表4。例如，蒸汽管線上的暖管線放空和安全閥后放空管道應引至廠房外高點放空，以保證安全并降低噪音；油系統和干氣密封系統的放空管線末端、潤滑油站和軸承套的放空管線末端應以90°彎頭朝下，避免雨水進入管道，并設置防鳥網。

表4 放空管線的布置對比

2.5 機組管道的應力

機組管道的布置，應能滿足機組管口允許力矩和位移的要求(在壓縮機廠家未提出允許受力限制時，一般參考API617或者NEMA SM23對其受力加以限制)[4]，并達到管口無應力對中布置的要求。機組管道的布置，應盡可能利用管道的自然補償來滿足柔性和管口受力要求。如果管道的自然補償無法滿足管口受力要求時，在操作壓力允許的情況下可在管道上設置膨脹節。

由于汽輪機蒸汽管線操作溫度較高，汽輪機管口的允許受力限制非常嚴格，蒸汽管道的柔性設計是管道應力分析中的難點之一。為了保證足夠的管道柔性，建議蒸汽管道至少繞機組半圈，并在管道與汽輪機死點處坐標軸對應的交點位置附近設置限位支架，從而把蒸汽管道的應力和位移切分成若干段，使汽輪機管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當，以減小管道對汽輪機管口的影響，典型管道布置見圖4。離心式壓縮機管道和汽輪機管道的設計具有相似之處，在此不再贅述。

圖4 汽輪機蒸汽管道的典型布置

汽輪機采用雙進汽設計時(兩進汽口一般為對稱布置)，進汽支管采用對稱布置，進汽主管為中心線位置，典型管道布置見圖5。

圖5 雙進汽口汽輪機蒸汽管道的典型布置

3 結語

在化工設計中，與其他單元相比，大型離心式壓縮機的設備布置和管道布置難度較大，是設計人員普遍感到棘手的單元之一。本文依據化工工程設計相關標準規范，并結合工程項目經驗，具體論述了大型離心式壓縮機的設備布置、管道布置的幾個設計要點，為工程設計提供參考。