淺談PTA制程空氣壓縮機(jī)的設(shè)備布置及配管

京鼎工程建設(shè)有限公司 北京 100011

1 制程空氣壓縮機(jī)的布置

1.1 單元平面布置

某廠四期擴(kuò)建項(xiàng)目年產(chǎn)250萬t PTA工藝裝置，按照工藝流程順序，其從西至東依次為密閉循環(huán)水站單元、空壓機(jī)及尾氣干燥單元、氧化單元、溶劑回收單元、精制單元、干燥單元及成品料倉(cāng)單元，在空壓機(jī)及尾氣干燥單元南側(cè)為66kV總降變配電室、空壓機(jī)及主裝置變配電室等。

根據(jù)工藝過程，對(duì)二甲苯以醋酸為溶劑，在催化劑的作用下與加入的工藝空氣中的氧反應(yīng)生成粗對(duì)苯二甲酸。上述氧化反應(yīng)是一個(gè)放熱過程，在設(shè)有攪拌器的氧化反應(yīng)器中發(fā)生；在氧化單元中產(chǎn)生了大量蒸汽及尾氣，經(jīng)過冷卻器進(jìn)行冷卻；同時(shí)副產(chǎn)蒸汽、低壓蒸汽和超低壓蒸汽，被送到制程空氣壓縮機(jī)的蒸汽透平機(jī)及膨脹機(jī)；蒸汽透平做功驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)，同時(shí)尾氣經(jīng)過相關(guān)工藝處理后，大部分進(jìn)入兩套制程空氣壓縮機(jī)的膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；另一部分送至尾氣干燥單元干燥，用作產(chǎn)品輸送氣體和工藝用惰性氣。

按上述工藝流程在總圖布置時(shí)，空壓機(jī)及尾氣干燥單元和氧化單元從西到東相臨布置，這樣布置使蒸汽及尾氣管道輸送距離縮短，做到節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本。

A/B兩套制程空氣壓縮機(jī)組分別布置在南北兩側(cè)的廠房?jī)?nèi)，A套南側(cè)墻外設(shè)有海水冷卻虹吸井，尾氣干燥系統(tǒng)布置在B套的北側(cè)。在A、B套之間由6m的檢修道路隔開以方便維修。

按照空氣壓縮機(jī)廠商要求，其制程空氣壓縮機(jī)變電所不能遠(yuǎn)離相關(guān)設(shè)備，因此將其專用變電所布置在B套制程空氣壓縮機(jī)的東南側(cè)。依據(jù)廠商資料，本項(xiàng)目空氣壓縮機(jī)為無油壓縮機(jī)，根據(jù)《石油化工生產(chǎn)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3017，其廠房的火災(zāi)危險(xiǎn)類別為戊類。按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50160和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016，空氣壓縮機(jī)廠房與南面66kV總降變配電室防火間距，標(biāo)準(zhǔn)要求距離為10m，實(shí)際距離為37.5m，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)滿足廠商要求。兩套制程壓縮機(jī)之間防火間距，規(guī)范要求為10m，實(shí)際距離為17.8m，符合規(guī)范要求。圖1斜線陰影部分為A、B套兩制程空氣壓縮機(jī)組位置布置圖。

1.2 制程空氣壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)的布置

本項(xiàng)目所使用的空氣壓縮機(jī)是德國(guó)MAN公司產(chǎn)品，與之配套的蒸汽冷凝器及一些輔助設(shè)備是國(guó)內(nèi)廠商提供的。根據(jù)設(shè)備資料，其平面占地長(zhǎng)為47.3m、寬35m，見圖 2。

由于項(xiàng)目處在北方寒冷地區(qū)，廠房?jī)?nèi)除了布置制程空氣壓縮機(jī)主體設(shè)備外，還配套蒸汽汽水分離罐、潤(rùn)滑油系統(tǒng)及潤(rùn)滑油高位油箱。其次，考慮廠房?jī)?nèi)人員操作通道及部件檢修場(chǎng)地，壓縮機(jī)機(jī)組布置與廠房墻壁的凈距還應(yīng)滿足壓縮機(jī)部件的檢修要求。根據(jù)廠商資料，最大檢修部件長(zhǎng)5.5 m、寬4.7m、高3.8 m，在廠房還需預(yù)留長(zhǎng)8m、寬6m的檢修空間，以滿足壓縮機(jī)最大部件檢修需求；同時(shí)，在廠房南側(cè)墻面上需預(yù)留有供蒸汽冷凝器抽出的空間；另外，為避免共振，壓縮機(jī)基礎(chǔ)與廠房及操作平臺(tái)的基礎(chǔ)分開。根據(jù)上述要求及考慮配管空間，在廠房西北角預(yù)留了長(zhǎng)8m、寬6m的檢修空間，潤(rùn)滑油系統(tǒng)及潤(rùn)滑油高位油箱布置在廠房的南側(cè)，廠房實(shí)際大小為：東西向長(zhǎng)57m，南北向?qū)?4.5m。

圖1 空壓機(jī)及尾氣干燥單元位置布置圖

圖2 制程空氣壓縮機(jī)主體設(shè)備圖

制程空氣壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)吊裝機(jī)具設(shè)置，按照相關(guān)規(guī)范壓縮機(jī)組的最大檢修部件重量大于10t時(shí)，宜選用電動(dòng)橋式吊車；根據(jù)空壓機(jī)廠商資料，其最大檢修部件重量為48t，考慮到其重量及日常維修，吊裝機(jī)具選用電動(dòng)橋式吊車， 并按照業(yè)主要求設(shè)置一大一小兩臺(tái)電動(dòng)橋式吊車，大的電動(dòng)橋式吊車吊重為55t，供最大維修部件使用，小的電動(dòng)橋式吊車吊重為20t，供設(shè)備日常維修使用。橋式吊車平面尺寸車寬為6.95m、跨距為32.5m。在廠房南北兩側(cè)的支撐柱上布置貫通廠房東西向的吊車導(dǎo)軌，廠房南側(cè)A1柱至A8柱支撐導(dǎo)軌梁上布置檢修通道，在廠房南側(cè)A1柱至A8柱各有一個(gè)直爬梯可從地面爬到檢修通道的平臺(tái)上。考慮機(jī)組最大檢修部件的進(jìn)出，在廠房西墻北側(cè)設(shè)有檢修用大門，供上述大型部件檢修時(shí)進(jìn)出大型機(jī)具使用。制程空氣壓縮機(jī)設(shè)備平面布置見圖3。

圖3 制程空氣壓縮機(jī)設(shè)備平面布置圖

制程空氣壓縮機(jī)廠房高度是由壓縮機(jī)檢修高度及電動(dòng)橋式吊車高度所確定的。制程空氣壓縮機(jī)設(shè)備資料顯示，廠商要求壓縮機(jī)上方吊鉤凈高為20.5m，從橋式吊車設(shè)備資料看，電動(dòng)橋式吊車高度為2.49m，同時(shí)廠商要求吊車上方凈距要大于等于0.3m。按照設(shè)備高度及相關(guān)管道高度，壓縮機(jī)上方吊鉤凈高為21m（大于廠商要求的20.5m），從軌道支撐梁頂?shù)綇S房下檐口凈高為3.5m，電動(dòng)橋式吊車上方凈距為0.54m（大于廠商要求的0.3m）。經(jīng)過計(jì)算，在滿足設(shè)備維修前提下，壓縮機(jī)廠房下檐口標(biāo)高設(shè)計(jì)為EL+34000（地面標(biāo)高為EL+8200），制程空氣壓縮機(jī)廠房立面圖見圖4。

圖4 制程空氣壓縮機(jī)廠房立面圖

另外，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016規(guī)定，廠房的安全出口應(yīng)分散布置，廠房?jī)?nèi)每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)的每個(gè)樓層，其安全出口的數(shù)量應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定，且不應(yīng)少于2個(gè)；壓縮機(jī)操作平臺(tái)在不同方向設(shè)有通往地面的安全疏散斜梯；相鄰安全疏散通道之間的距離：東西方向?yàn)?7m，南北方向?yàn)?7m，不大于50m，且平臺(tái)上任一點(diǎn)距疏散口的距離不大于25m，滿足規(guī)范要求。制程空氣壓縮機(jī)廠房， 人員進(jìn)出門分別設(shè)在廠房的北墻和南墻，南墻東側(cè)還設(shè)日常檢修用大門，在檢修大門上面設(shè)有人員進(jìn)出安全門。

2 制程空氣壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)

制程空氣壓縮機(jī)主要管道有蒸汽管道、壓縮空氣管道、蒸汽凝液管道、循環(huán)冷卻水管道、尾氣管道、潤(rùn)滑油管道等。下面針對(duì)蒸汽管道、壓縮空氣管道，簡(jiǎn)要說明在設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問題。

2.1 蒸汽管道設(shè)計(jì)

按照制程空氣壓縮機(jī)廠商提供的蒸汽透平機(jī)驅(qū)動(dòng)工藝流程簡(jiǎn)圖（圖5），驅(qū)動(dòng)蒸汽管道主要由蒸汽管道、低壓蒸汽管道、超低壓蒸汽管道及蒸汽凝液等管道組成。

蒸汽管道布置原則按照《石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》：蒸汽管道要從蒸汽主管頂部引出，蒸汽管道要有坡度，并坡向進(jìn)口分液罐；管道配置應(yīng)具有一定的柔性，管道的柔性設(shè)計(jì)經(jīng)過應(yīng)力分析，可以防止因管道的熱脹、冷縮引起的管道疲勞破壞。同時(shí)，管道對(duì)設(shè)備管口的作用力需滿足設(shè)備管口的載荷及熱膨脹位移要求，防止因管道作用力過大影響設(shè)備正常運(yùn)行。蒸汽輪機(jī)的進(jìn)出口管道布置應(yīng)經(jīng)過柔性計(jì)算確定，管道對(duì)管口的作用力和力矩應(yīng)符合制造廠或NEMA SAM23的要求。

圖5 蒸汽透平機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)易工藝流程簡(jiǎn)圖

按照上述原則，透平機(jī)蒸汽驅(qū)動(dòng)管道從廠房旁邊管架上的蒸汽主管頂部接出，然后向下進(jìn)入汽水分離罐。蒸汽管道進(jìn)入透平機(jī)時(shí)管道內(nèi)不能有凝結(jié)水，目的是防止啟動(dòng)時(shí)凝結(jié)水進(jìn)入透平機(jī)造成葉片的損壞。為方便空壓機(jī)系統(tǒng)日后部件維修吊裝，在空壓機(jī)系統(tǒng)上方穿過的管道要加裝拆卸法蘭；透平機(jī)蒸汽的蒸汽進(jìn)口管道加裝膨脹節(jié)與設(shè)備管口相連；管道支撐與壓縮機(jī)混凝土結(jié)構(gòu)分開。

根據(jù)本項(xiàng)目管道柔性分析相關(guān)規(guī)定，透平機(jī)蒸汽驅(qū)動(dòng)管道需要進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，管道柔性分析執(zhí)行NEMA SAM23標(biāo)準(zhǔn)。蒸汽管道具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、透平機(jī)設(shè)備管口許用值見表2、透平機(jī)蒸汽管口受力計(jì)算報(bào)告見表3。

表1 蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)表

N100管口最大位移量按照廠商提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算出操作工況及安裝工況下的受力，兩者計(jì)算值選取最大值與廠商給出相關(guān)許用數(shù)據(jù)比較，看是否小于廠商給出的許用值，以此判斷管道柔性是否滿足要求。通過蒸汽管道應(yīng)力分析計(jì)算報(bào)告給出的數(shù)據(jù)，計(jì)算出最大許用受力（FR）、最大許用力矩（MR）及最大許用受力和最大許用力矩（C）。

N100管口的最大許用受力計(jì)算公式見式（1）。

計(jì)算得管口的最大許用受力為6760N，小于管口的最大許用受力值7400N。

N100管口的最大許用力矩計(jì)算公式見式（2）。

計(jì)算得管口的最大許用力矩為3575N?m，小于管口的最大許用力矩值4100N?m。

管口的最大許用受力和管口的最大許用力矩計(jì)算公式見式（3）。

由上式可見，F(xiàn)R+1.09?MR＜C。

綜上所述，經(jīng)過校核，N100管口最大許用受力、力矩及熱膨脹位移量均滿足廠商要求。

通過蒸汽管道應(yīng)力分析計(jì)算報(bào)告，管道上各點(diǎn)的一次應(yīng)力值滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；管道上各點(diǎn)的二次應(yīng)力值也滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

按照管道應(yīng)力分析要求，在透平機(jī)蒸汽管口處增加膨脹節(jié)，在控制閥下游附近設(shè)置彈簧支撐，在汽液分離罐出口附近增加彈簧支撐，在水平轉(zhuǎn)彎處設(shè)置彈簧吊架，來吸收因管道熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用而引起的二次應(yīng)力。在控制閥上游靠近彎頭附近設(shè)置門型支架及導(dǎo)向支撐，限制管道系統(tǒng)Y方向位移及Z方向位移。通過上述措施很好地解決了管道受力、位移及設(shè)備管口受力問題。蒸汽管道的應(yīng)力分析見圖6。

表2 透平機(jī)設(shè)備管口許用值

表3 透平機(jī)設(shè)備蒸汽管口受力計(jì)算報(bào)告

圖6 蒸汽管道的應(yīng)力分析圖

2.2 空氣管道設(shè)計(jì)

按照廠商提供的壓縮空氣管道工藝流程簡(jiǎn)圖，空氣通過入口過濾器進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，然后經(jīng)過五級(jí)壓縮得到滿足工藝需求的壓縮空氣，送至氧化單元，與對(duì)二甲苯發(fā)生氧化反應(yīng)得到相應(yīng)產(chǎn)品。其簡(jiǎn)易工藝流程見圖7。

按照廠商要求，從壓縮機(jī)五級(jí)出口法蘭到管道上止回閥、防喘振閥（FCV B07）之間的空氣管道（PA-10119-30″）內(nèi)氣體體積不能超過定值，管道實(shí)際布置其體積滿足此項(xiàng)要求；管道（PA-10121-20″）防喘振閥（FCV-B07）上游須有5D左右的直管段，兩者之間管道實(shí)際長(zhǎng)度為3.4m，滿足廠商要求。空氣管道布置見圖8。

圖7 壓縮空氣管道工藝流程簡(jiǎn)圖

圖8 空氣管道布置圖

根據(jù)本項(xiàng)目管道柔性分析相關(guān)規(guī)定，空氣壓縮機(jī)出口管道需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，管道柔性分析執(zhí)行API Std 617標(biāo)準(zhǔn)。

N201管口最大位移量按照廠商提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算出操作工況及安裝工況下的受力，兩者計(jì)算值選取最大值與廠商給出相關(guān)許用數(shù)據(jù)比較，看是否小于廠商給出的許用值，以此判斷管道柔性是否滿足要求。空氣壓縮機(jī)空氣出口管道設(shè)計(jì)參數(shù)見表4， 空氣壓縮機(jī)管口許用數(shù)據(jù)見表5，壓縮機(jī)空氣管道管口受力計(jì)算報(bào)告見表6。

表4 空氣壓縮機(jī)空氣出口管道設(shè)計(jì)參數(shù)表

通過空氣管道應(yīng)力分析計(jì)算報(bào)告給出的數(shù)據(jù)，計(jì)算出最大許用受力（Fx+FY）和最大許用力矩（My+Mz）。

管口經(jīng)過操作工況及安裝工況的應(yīng)力分析計(jì)算（兩者計(jì)算值選取其中最大值與相關(guān)數(shù)據(jù)比較）：N201管口的最大受力（Fx=-1442N、Fy+Fz=3756N），全部小于壓縮機(jī)管口的最大受力值（Fx=3400N、Fy+Fz=10200N），N201管口的最大力矩 （MX+Mz+4222N?m、MY=-286N?m），全部小于壓縮機(jī)管口最大力矩值（MX+Mzz=5700N?m、MY=1900N?m）。 可見，壓縮機(jī)的空氣管口載荷及熱膨脹位移均滿足廠商要求。

通過空氣管道應(yīng)力分析報(bào)告，可以看出管道上各點(diǎn)的一次應(yīng)力值滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；管道上各點(diǎn)的二次應(yīng)力值滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；管道對(duì)壓縮機(jī)空氣管口的推力和力矩值在允許值范圍內(nèi)。

在壓縮機(jī)空氣管道管口處增加膨脹節(jié)，在流量計(jì)上下游附近管道底部增加彈簧和導(dǎo)向支架，來吸收因管道熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移荷載的作用而引起的二次應(yīng)力。限制管道系統(tǒng)Y方向位移及Z方向位移。壓縮機(jī)空氣管道應(yīng)力分析見圖9。

圖9 空氣管道的應(yīng)力分析圖

表5 空氣壓縮機(jī)管口許用數(shù)據(jù)表

表6 壓縮機(jī)空氣管道管口受力計(jì)算報(bào)告

3 結(jié)論

通過上述工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)制程空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備布置分析表明：設(shè)備布置時(shí)對(duì)工藝、安全、操作、維修及合理性需統(tǒng)籌規(guī)劃，在滿足工藝需求的同時(shí)，與周邊設(shè)施防火間距還要滿足規(guī)范要求。結(jié)合設(shè)備布置特點(diǎn)盡量節(jié)約用地，對(duì)于設(shè)備單元內(nèi)操作維修平臺(tái)和安全疏散通道也要統(tǒng)籌考慮且滿足規(guī)范要求。

管道設(shè)計(jì)應(yīng)符合工藝管道及儀表流程圖（包括P&ID、U&ID）和相關(guān)規(guī)范的要求，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀，并滿足施工、操作和檢修等方面的要求；做好管道柔性分析，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。