淺談PTA制程空氣壓縮機的設備布置及配管

京鼎工程建設有限公司 北京 100011

1 制程空氣壓縮機的布置

1.1 單元平面布置

某廠四期擴建項目年產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水站單元、空壓機及尾氣干燥單元、氧化單元、溶劑回收單元、精制單元、干燥單元及成品料倉單元，在空壓機及尾氣干燥單元南側為66kV總降變配電室、空壓機及主裝置變配電室等。

根據工藝過程，對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生成粗對苯二甲酸。上述氧化反應是一個放熱過程，在設有攪拌器的氧化反應器中發生；在氧化單元中產生了大量蒸汽及尾氣，經過冷卻器進行冷卻；同時副產蒸汽、低壓蒸汽和超低壓蒸汽，被送到制程空氣壓縮機的蒸汽透平機及膨脹機；蒸汽透平做功驅動空壓機，同時尾氣經過相關工藝處理后，大部分進入兩套制程空氣壓縮機的膨脹機驅動發電機發電；另一部分送至尾氣干燥單元干燥，用作產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，空壓機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，做到節能減排，保護環境，節約成本。

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

按照空氣壓縮機廠商要求，其制程空氣壓縮機變電所不能遠離相關設備，因此將其專用變電所布置在B套制程空氣壓縮機的東南側。依據廠商資料，本項目空氣壓縮機為無油壓縮機，根據《石油化工生產建筑設計規范》SH/T 3017，其廠房的火災危險類別為戊類。按照《石油化工企業設計防火標準》GB50160和《建筑設計防火規范》GB50016，空氣壓縮機廠房與南面66kV總降變配電室防火間距，標準要求距離為10m，實際距離為37.5m，符合標準要求，同時滿足廠商要求。兩套制程壓縮機之間防火間距，規范要求為10m，實際距離為17.8m，符合規范要求。圖1斜線陰影部分為A、B套兩制程空氣壓縮機組位置布置圖。

1.2 制程空氣壓縮機廠房內的布置

本項目所使用的空氣壓縮機是德國MAN公司產品，與之配套的蒸汽冷凝器及一些輔助設備是國內廠商提供的。根據設備資料，其平面占地長為47.3m、寬35m，見圖 2。

由于項目處在北方寒冷地區，廠房內除了布置制程空氣壓縮機主體設備外，還配套蒸汽汽水分離罐、潤滑油系統及潤滑油高位油箱。其次，考慮廠房內人員操作通道及部件檢修場地，壓縮機機組布置與廠房墻壁的凈距還應滿足壓縮機部件的檢修要求。根據廠商資料，最大檢修部件長5.5 m、寬4.7m、高3.8 m，在廠房還需預留長8m、寬6m的檢修空間，以滿足壓縮機最大部件檢修需求；同時，在廠房南側墻面上需預留有供蒸汽冷凝器抽出的空間；另外，為避免共振，壓縮機基礎與廠房及操作平臺的基礎分開。根據上述要求及考慮配管空間，在廠房西北角預留了長8m、寬6m的檢修空間，潤滑油系統及潤滑油高位油箱布置在廠房的南側，廠房實際大小為：東西向長57m，南北向寬34.5m。

圖1 空壓機及尾氣干燥單元位置布置圖

圖2 制程空氣壓縮機主體設備圖

制程空氣壓縮機廠房內吊裝機具設置，按照相關規范壓縮機組的最大檢修部件重量大于10t時，宜選用電動橋式吊車；根據空壓機廠商資料，其最大檢修部件重量為48t，考慮到其重量及日常維修，吊裝機具選用電動橋式吊車， 并按照業主要求設置一大一小兩臺電動橋式吊車，大的電動橋式吊車吊重為55t，供最大維修部件使用，小的電動橋式吊車吊重為20t，供設備日常維修使用。橋式吊車平面尺寸車寬為6.95m、跨距為32.5m。在廠房南北兩側的支撐柱上布置貫通廠房東西向的吊車導軌，廠房南側A1柱至A8柱支撐導軌梁上布置檢修通道，在廠房南側A1柱至A8柱各有一個直爬梯可從地面爬到檢修通道的平臺上。考慮機組最大檢修部件的進出，在廠房西墻北側設有檢修用大門，供上述大型部件檢修時進出大型機具使用。制程空氣壓縮機設備平面布置見圖3。

圖3 制程空氣壓縮機設備平面布置圖

制程空氣壓縮機廠房高度是由壓縮機檢修高度及電動橋式吊車高度所確定的。制程空氣壓縮機設備資料顯示，廠商要求壓縮機上方吊鉤凈高為20.5m，從橋式吊車設備資料看，電動橋式吊車高度為2.49m，同時廠商要求吊車上方凈距要大于等于0.3m。按照設備高度及相關管道高度，壓縮機上方吊鉤凈高為21m（大于廠商要求的20.5m），從軌道支撐梁頂到廠房下檐口凈高為3.5m，電動橋式吊車上方凈距為0.54m（大于廠商要求的0.3m）。經過計算，在滿足設備維修前提下，壓縮機廠房下檐口標高設計為EL+34000（地面標高為EL+8200），制程空氣壓縮機廠房立面圖見圖4。

圖4 制程空氣壓縮機廠房立面圖

另外，根據《建筑設計防火規范》GB50016規定，廠房的安全出口應分散布置，廠房內每個防火分區內的每個樓層，其安全出口的數量應經計算確定，且不應少于2個；壓縮機操作平臺在不同方向設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：東西方向為37m，南北方向為27m，不大于50m，且平臺上任一點距疏散口的距離不大于25m，滿足規范要求。制程空氣壓縮機廠房， 人員進出門分別設在廠房的北墻和南墻，南墻東側還設日常檢修用大門，在檢修大門上面設有人員進出安全門。

2 制程空氣壓縮機的管道設計

制程空氣壓縮機主要管道有蒸汽管道、壓縮空氣管道、蒸汽凝液管道、循環冷卻水管道、尾氣管道、潤滑油管道等。下面針對蒸汽管道、壓縮空氣管道，簡要說明在設計時需注意的問題。

2.1 蒸汽管道設計

按照制程空氣壓縮機廠商提供的蒸汽透平機驅動工藝流程簡圖（圖5），驅動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計規范》：蒸汽管道要從蒸汽主管頂部引出，蒸汽管道要有坡度，并坡向進口分液罐；管道配置應具有一定的柔性，管道的柔性設計經過應力分析，可以防止因管道的熱脹、冷縮引起的管道疲勞破壞。同時，管道對設備管口的作用力需滿足設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備正常運行。蒸汽輪機的進出口管道布置應經過柔性計算確定，管道對管口的作用力和力矩應符合制造廠或NEMA SAM23的要求。

圖5 蒸汽透平機驅動簡易工藝流程簡圖

按照上述原則，透平機蒸汽驅動管道從廠房旁邊管架上的蒸汽主管頂部接出，然后向下進入汽水分離罐。蒸汽管道進入透平機時管道內不能有凝結水，目的是防止啟動時凝結水進入透平機造成葉片的損壞。為方便空壓機系統日后部件維修吊裝，在空壓機系統上方穿過的管道要加裝拆卸法蘭；透平機蒸汽的蒸汽進口管道加裝膨脹節與設備管口相連；管道支撐與壓縮機混凝土結構分開。

根據本項目管道柔性分析相關規定，透平機蒸汽驅動管道需要進行管道應力計算，管道柔性分析執行NEMA SAM23標準。蒸汽管道具體設計參數見表1、透平機設備管口許用值見表2、透平機蒸汽管口受力計算報告見表3。

表1 蒸汽管道設計參數表

N100管口最大位移量按照廠商提供的數據，計算出操作工況及安裝工況下的受力，兩者計算值選取最大值與廠商給出相關許用數據比較，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。通過蒸汽管道應力分析計算報告給出的數據，計算出最大許用受力（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算公式見式（1）。

計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算公式見式（2）。

計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算公式見式（3）。

由上式可見，FR+1.09?MR＜C。

綜上所述，經過校核，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。

通過蒸汽管道應力分析計算報告，管道上各點的一次應力值滿足標準規范要求；管道上各點的二次應力值也滿足標準規范要求。

按照管道應力分析要求，在透平機蒸汽管口處增加膨脹節，在控制閥下游附近設置彈簧支撐，在汽液分離罐出口附近增加彈簧支撐，在水平轉彎處設置彈簧吊架，來吸收因管道熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用而引起的二次應力。在控制閥上游靠近彎頭附近設置門型支架及導向支撐，限制管道系統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、位移及設備管口受力問題。蒸汽管道的應力分析見圖6。

表2 透平機設備管口許用值

表3 透平機設備蒸汽管口受力計算報告

圖6 蒸汽管道的應力分析圖

2.2 空氣管道設計

按照廠商提供的壓縮空氣管道工藝流程簡圖，空氣通過入口過濾器進入空氣壓縮機，然后經過五級壓縮得到滿足工藝需求的壓縮空氣，送至氧化單元，與對二甲苯發生氧化反應得到相應產品。其簡易工藝流程見圖7。

按照廠商要求，從壓縮機五級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″）內氣體體積不能超過定值，管道實際布置其體積滿足此項要求；管道（PA-10121-20″）防喘振閥（FCV-B07）上游須有5D左右的直管段，兩者之間管道實際長度為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圖

圖8 空氣管道布置圖

根據本項目管道柔性分析相關規定，空氣壓縮機出口管道需要進行應力計算，管道柔性分析執行API Std 617標準。

N201管口最大位移量按照廠商提供的數據，計算出操作工況及安裝工況下的受力，兩者計算值選取最大值與廠商給出相關許用數據比較，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。空氣壓縮機空氣出口管道設計參數見表4， 空氣壓縮機管口許用數據見表5，壓縮機空氣管道管口受力計算報告見表6。

表4 空氣壓縮機空氣出口管道設計參數表

通過空氣管道應力分析計算報告給出的數據，計算出最大許用受力（Fx+FY）和最大許用力矩（My+Mz）。

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

通過空氣管道應力分析報告，可以看出管道上各點的一次應力值滿足標準規范要求；管道上各點的二次應力值滿足標準規范要求；管道對壓縮機空氣管口的推力和力矩值在允許值范圍內。

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

圖9 空氣管道的應力分析圖

表5 空氣壓縮機管口許用數據表

表6 壓縮機空氣管道管口受力計算報告

3 結論

通過上述工程設計實例，對制程空氣壓縮機系統的設備布置分析表明：設備布置時對工藝、安全、操作、維修及合理性需統籌規劃，在滿足工藝需求的同時，與周邊設施防火間距還要滿足規范要求。結合設備布置特點盡量節約用地，對于設備單元內操作維修平臺和安全疏散通道也要統籌考慮且滿足規范要求。

管道設計應符合工藝管道及儀表流程圖（包括P&ID、U&ID）和相關規范的要求，做到安全可靠、經濟合理、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，保證設備安全可靠運轉。