烯烴分離裝置丙烯制冷壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙小溪

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

近年來，隨著甲醇制烯烴(MTO)技術(shù)的發(fā)展和烯烴分離單元工藝的進(jìn)一步優(yōu)化， 甲醇制烯烴聯(lián)合裝置向著更加高效、節(jié)能、平穩(wěn)的方向發(fā)展。丙烯制冷壓縮機(jī)是烯烴分離單元中的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)組以丙烯為介質(zhì)，通過壓縮、冷凝、蒸發(fā)達(dá)到制冷效果，提供冷量給低溫系統(tǒng)中的各用戶，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的冷量損失。丙烯制冷壓縮機(jī)的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)于全裝置的穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。本文將結(jié)合機(jī)組的管道設(shè)計(jì)工作，總結(jié)歸納機(jī)組廠房布置、管道布置及低溫管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并有針對(duì)性的提出一些此類管道設(shè)計(jì)工作中需要注意的問題。

1 機(jī)組概述

本文所涉及的丙烯制冷壓縮機(jī)組主要由離心式壓縮機(jī)(單缸三段)及汽輪機(jī)(抽氣凝氣式)組成，其輔助系統(tǒng)主要為潤(rùn)滑及調(diào)節(jié)油系統(tǒng)、壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)、汽輪機(jī)蒸汽疏水系統(tǒng)、冷凝器及其輔助設(shè)備、密封蒸汽輔助系統(tǒng)等。本套丙烯制冷壓縮機(jī)采用水平剖分，主要由定子(機(jī)殼、隔板、軸承等)和轉(zhuǎn)子(軸、葉輪、平衡活塞、推力盤等)組成。壓縮機(jī)為單缸三段壓縮，在二段和三段入口分別補(bǔ)氣，8個(gè)葉輪串級(jí)布置，其中一段兩個(gè)葉輪，二段三個(gè)葉輪，三段三個(gè)葉輪。為平衡軸向力，設(shè)平衡活塞，8個(gè)葉輪依次排列，殘余軸向力由推力軸承進(jìn)行平衡。殼體采用焊接殼體，碳鋼材質(zhì)，水壓試驗(yàn)壓力按最大工作壓力的1.5倍進(jìn)行。葉輪為閉式銑制焊接葉輪，合金鋼材質(zhì)。主軸采用合金鋼鍛造而成。平衡盤采用熱裝式，合金鋼材質(zhì)。壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)采用中壓抽汽凝氣式汽輪機(jī)。壓縮機(jī)和汽輪機(jī)之間采用帶中間節(jié)的膜片式聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接。軸封采用串聯(lián)式干氣密封，干氣密封盤固定在壓縮機(jī)旁的二層平臺(tái)上。

2 丙烯制冷壓縮機(jī)組廠房布置

合理布置壓縮機(jī)組及其輔助設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)管道正確合理的安裝[2]。

本套丙烯制冷壓縮機(jī)組由離心式壓縮機(jī)、抽汽凝汽式汽輪機(jī)及輔助系統(tǒng)組成，采用雙層布置，壓縮機(jī)和汽輪機(jī)采用聯(lián)合底座，壓縮機(jī)干氣密封布置在機(jī)組廠房二層樓板上(見圖1)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)布置在廠房地面層。潤(rùn)滑油高位油箱置于廠房附管橋頂平臺(tái)上(見圖1)，冷凝器布置在廠房地面層，汽封冷卻器，中冷-后冷器及蒸汽密封單元布置在廠房?jī)?nèi)中間層平臺(tái)上(見圖2)。

圖1 廠房豎面圖

圖2 機(jī)組輔助設(shè)備平面布置圖

3 丙烯制冷壓縮機(jī)組管道布置

3.1 總體布置原則

要做好離心式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面的問題：

(1) 壓縮機(jī)周圍的管道布置不應(yīng)影響壓縮機(jī)的吊裝及檢修，并應(yīng)留有檢修空間[1]。

a. 本套壓縮機(jī)的管道布置根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作和檢維修要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。與機(jī)組相連接的干氣密封管線均布置在壓縮機(jī)二層樓板下方，這樣可以保證壓縮機(jī)及周圍的管道不會(huì)妨礙壓縮機(jī)的操作和維修。

b. 壓縮機(jī)廠房二層樓板上設(shè)有吊裝孔及檢修承重區(qū)。廠房中間層機(jī)組輔助設(shè)備平臺(tái)上布置有汽封冷卻器，中、后冷卻器及蒸汽密封單元等設(shè)備，因此，該區(qū)域管道布置既要考慮到不能影響吊車的正常運(yùn)行，同時(shí)也要兼顧到不得占用機(jī)組及輔助設(shè)備檢修和抽取內(nèi)件的空間。

(2) 壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的布置在滿足管道柔性及管口受力的條件下，應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少[3]。

a.壓縮機(jī)進(jìn)出口管道均采用沿地敷設(shè)布置，地面水平敷設(shè)段無彎頭，確保工藝的低壓降要求。

b.壓縮機(jī)出口管道應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，確保其具有柔性，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

(3) 離心式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道對(duì)管口的作用力和力矩應(yīng)符合制造廠或API Std 617的要求[3]。

離心式壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道，通常不進(jìn)行振動(dòng)分析，但必須對(duì)上述管道進(jìn)行柔性分析，使壓縮機(jī)進(jìn)出口管嘴受力小于其允許值，并使其疊加的合力和合力矩也小于其允許值。允許值一般由制造廠提供，若制造廠沒有提供允許值，可按API 617和NEMA SM23的規(guī)定確定。根據(jù)API 617的規(guī)定，該力和力矩的允許值是NEMA SM23 規(guī)定值的1.85倍[3]。

壓縮機(jī)管道類型不僅局限于機(jī)組進(jìn)出口工藝介質(zhì)管道，同時(shí)還包括驅(qū)動(dòng)蒸汽以及附屬的氮?dú)狻⒛Y(jié)水和潤(rùn)換油管道等，對(duì)于機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行而言，這些管道的作用也是不容忽視的。所以，對(duì)上述管道進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，既要考慮工藝流程的要求，又要兼顧管道布局的合理性，例如，凝結(jié)水管線布置的高差要求，潤(rùn)滑油管線的坡度要求等。因?yàn)楦鞣N機(jī)型之間存在一定的差異性，所以在管道設(shè)計(jì)的時(shí)候也會(huì)有不同的要求，故應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮。

3.2 機(jī)組低溫管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

烯烴分離單元采用中冷分離技術(shù)，所以在管道設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)管線材質(zhì)的低溫脆性做充分考慮。同時(shí)，若要將冷損失降至最低，那么合理的選擇保冷材料及選取合適的支架類型就顯得尤為重要。

以下筆者將結(jié)合本裝置的特點(diǎn)，通過選取丙烯制冷壓縮機(jī)一、二、三段入口低溫管道上的閥門布置及支架設(shè)置這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來闡述低溫管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.2.1 機(jī)組入口管道低溫閥門的布置要點(diǎn)

低溫閥門具有長(zhǎng)頸閥蓋(見圖3)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作用是使閥門的手輪及填料函遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，進(jìn)而保證填料函底部溫度在零攝氏度以上，其目的是防止填料密封性能降低，延長(zhǎng)填料的使用年限。由于低溫閥門自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其安裝也具有一定的特殊性。低溫閥門宜安裝在水平管道上，閥桿方向宜垂直向上，目的就是為了防止低溫介質(zhì)流到閥蓋的加長(zhǎng)部分，造成填料失效，進(jìn)而將冷量傳到手輪，危及操作人員的人身安全。由于低溫閥門安裝的特殊性， 丙烯壓縮機(jī)進(jìn)口工藝管線上的低溫閥門可采用集中布置，并在管線沿地敷設(shè)段的合適位置設(shè)置操作平臺(tái)，以解決手輪過高不便于操作的問題。

圖3 一種低溫閥門剖面圖

此外，泄壓孔也是低溫閥門的另一個(gè)重要特點(diǎn)。通常情況下，在低溫閘閥或球閥中應(yīng)開設(shè)泄壓孔。因閥門在關(guān)閉的狀態(tài)下，閥腔內(nèi)充滿低溫介質(zhì)，如遇溫度變化，會(huì)出現(xiàn)低溫介質(zhì)氣化的情況，閥腔壓力急劇提升，如不及時(shí)泄壓，會(huì)導(dǎo)致閥門泄漏，更嚴(yán)重的情況則是閥體開裂，導(dǎo)致事故發(fā)生。故在安裝閥門時(shí)，一定要注意閥門的安裝方向，以確保閥體所標(biāo)識(shí)的泄壓的方向和流程圖保持一致。

3.2.2 機(jī)組入口低溫管道的支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

減少冷損失是保冷支架設(shè)置的重要理念之一，正確設(shè)置保冷支架可以有效防止"冷橋"的產(chǎn)生。在水平敷設(shè)低溫管道的時(shí)候，所使用的保冷支架與傳統(tǒng)支架不同，為避免低溫管線的冷損失，保冷支架均設(shè)置有保冷結(jié)構(gòu)，一般為木塊或者隔熱塊，水平敷設(shè)的低溫管道通常采取的支架形式為管箍式，其作用是不僅可以降低施工難度，同時(shí)也便于日后的檢維修。丙烯制冷壓縮機(jī)一、二、三段入口低溫管線的保冷支架選型和設(shè)置的要點(diǎn)應(yīng)綜合考慮隔冷塊的機(jī)械強(qiáng)度、管線檢維修以及支架的止推、導(dǎo)向及低摩擦等多重因素。

圖4為一種標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)保冷支架的結(jié)構(gòu)形式圖。圖5為一種應(yīng)用于丙烯制冷壓縮機(jī)入口管道上的非標(biāo)保冷支架示意圖。

圖4 一種標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)保冷支架結(jié)構(gòu)圖

圖5 保冷止推支架示意圖

4 結(jié)語

壓縮機(jī)及其附屬管道布置的安全、合理、可靠性對(duì)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。筆者在不斷總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的過程中認(rèn)為以下幾點(diǎn)是丙烯制冷壓縮機(jī)及其附屬管道設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該認(rèn)真考慮的問題：

(1)嚴(yán)格執(zhí)行國家及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是布置壓縮機(jī)及其附屬管道的前提條件。

(2)合理優(yōu)化布局機(jī)組與廠房及其配套設(shè)備的相對(duì)位置是實(shí)現(xiàn)管道合理布局的基本條件。

(3)正確選擇保冷支架類型是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵條件。正確設(shè)置保冷支架位置(例如，預(yù)留好管箍式保冷支架與其相鄰低溫管道的安裝空間)是設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的體現(xiàn)。

總之，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分貫徹落實(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，善于結(jié)合用戶使用情況及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處理，不斷提升設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。