氮?dú)鈮嚎s機(jī)管道設(shè)計(jì)

趙陽(yáng) 石家美 邱百昌

摘 ?????要：壓縮機(jī)是石油化工裝置中的核心設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)實(shí)現(xiàn)氣體壓縮、提高氣體壓力，對(duì)裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)制氮裝置的設(shè)計(jì)，總結(jié)了壓縮機(jī)設(shè)備平面布置、管道柔性設(shè)計(jì)、支架支撐形式等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，增加了壓縮機(jī)及其附屬管道的操作彈性及檢維便利。

關(guān) ?鍵 ?詞：壓縮機(jī);應(yīng)力;管道;支吊架

中圖分類(lèi)號(hào)：TH457 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0158-04

Design of Nitrogen Compressor Piping

ZHAO?Yang， SHI Jia-mei， QIU Bai-chang

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.，?Liaoning Dalian116085， China）

Abstract： Compressor is the core equipment in petrochemical process units. It is main equipment to compress gas and increase gas pressure in the production process. In this paper， main points?in the design of compressor?in?nitrogen generation unit were?summarized， such as the rational equipment layout， the pipeline?flexible design， the?support form and so on.

Key words：?Compressor; Stress; Pipe; Hanger

往復(fù)式壓縮機(jī)工作基本原理是機(jī)體中的活塞通過(guò)上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將一定容積的氣體在容積罐內(nèi)產(chǎn)生周期性的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而提升氣體壓力。它的優(yōu)點(diǎn)在于在石油化工裝置中應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)成熟可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢維修便捷;不足之處在于壓縮機(jī)工作時(shí)氣體管道容易產(chǎn)生振動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真考慮。往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有臥式、立式、W型、星形和對(duì)稱(chēng)平衡型等^[1]。某石化公司制氮裝置是我公司2018年設(shè)計(jì)完成的項(xiàng)目，項(xiàng)目新建一套4 000 m³/h深冷空分制氮裝置，其中包括兩臺(tái)往復(fù)式氮?dú)鈮嚎s機(jī)，壓縮機(jī)出口管道接入現(xiàn)有氮?dú)夤芫W(wǎng)。

本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，論述了壓縮機(jī)平面布置、管道布置、支架設(shè)置等方面的內(nèi)容，對(duì)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 ?壓縮機(jī)平面布置

1.1 ?壓縮機(jī)及廠房的平面布置

制氮裝置往復(fù)式壓縮機(jī)為二級(jí)壓縮兩列對(duì)稱(chēng)平衡型，采用一開(kāi)一備工藝流程，壓縮機(jī)組布置在空分車(chē)間南側(cè)新增氮?dú)鈮嚎s機(jī)廠房?jī)?nèi)，廠房尺寸24×15=360 m²，具體布置要點(diǎn)如下：

（1）裝置地理位置位于我國(guó)北方，冬季較為寒冷，壓縮機(jī)需布置在封閉式廠房?jī)?nèi)，同時(shí)考慮采暖;

（2）壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)介質(zhì)為氮?dú)狻⑺x表風(fēng)等，無(wú)可燃介質(zhì)，且廠房?jī)?nèi)只有壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備（冷卻器、水箱、水站、潤(rùn)滑油站），因此設(shè)備間無(wú)安全距離要求。壓縮機(jī)附屬設(shè)備級(jí)間冷卻器、油站按照壓縮機(jī)流程就近布置，同時(shí)考慮設(shè)備抽芯及檢維修空間;

（3）壓縮機(jī)廠房四周情況：廠房北側(cè)為裝置內(nèi)道路、南側(cè)為系統(tǒng)管廊，廠房與相關(guān)設(shè)施無(wú)安全距離要求;廠房西側(cè)距離配電室4.5 m、東側(cè)距離裝置內(nèi)泵房4 m。根據(jù)GB 50016 《建筑設(shè)備放火規(guī)范》第3.4條規(guī)定：相鄰兩座廠房間隔距離最少10 m。根據(jù)GB 50016《建筑設(shè)備放火規(guī)范》表3.4.1中注2要求：兩座廠房相鄰較高一面外墻為防火墻時(shí)，其防火間距不限，但甲類(lèi)廠房間距不小于4 m。基于上述兩點(diǎn)要求，壓縮機(jī)廠房東西側(cè)分別設(shè)置防火墻，滿足GB 50160《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50016《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求，壓縮機(jī)廠房平面布置圖見(jiàn)圖1。

1.2 ?壓縮機(jī)廠房的高度設(shè)置

壓縮機(jī)廠房高度H主要分兩部分^[2]：吊車(chē)至屋頂高度H₁（建筑專(zhuān)業(yè)考慮），吊車(chē)下部至地面的檢修最小高度H₂（管道專(zhuān)業(yè)考慮）。其中，廠房檢修高度H₂設(shè)計(jì)是否合理對(duì)廠房?jī)?nèi)吊車(chē)能否正常使用、設(shè)備能否正常檢修十分重要。

若廠房?jī)?nèi)吊車(chē)高度偏高，造成投資浪費(fèi);若高度偏低，則吊車(chē)無(wú)法完成正常起吊，設(shè)備檢修件無(wú)法移送到檢修區(qū)域。因此，我們需要從以下幾個(gè)因素來(lái)確定廠房檢修高度H₂：

（1）首先確定壓縮機(jī)設(shè)備本體（固定件）頂部標(biāo)高或設(shè)備進(jìn)出口管道（固定件）頂部標(biāo)高中較高的值A;

（2）了解最大檢修件尺寸及高度B;

（3）被起吊件必須跨越其他設(shè)備的高度C;

（4）被吊最大檢修件頂部和吊鉤中心的最小間隙D索具與垂直線角度不大于60°且最短不小于800?mm;

（5）吊車(chē)結(jié)構(gòu)尺寸E;

綜合以上因素，吊車(chē)的最小高度：H₂=A+B+C+D+E;壓縮機(jī)廠房的最小高度：H=H₁+H₂，壓縮機(jī)廠房高度圖見(jiàn)圖2。

2 ?壓縮機(jī)管道布置

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是使一定容積的氣體呈間歇性、周期性的吸入、排出，因此不可避免的進(jìn)、出口管道流體產(chǎn)生脈動(dòng)引起管道振動(dòng)，如不加以限制或排除，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)易造成機(jī)器的損壞、管道的破裂^[3]。

2.1 ?管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)盡量減少氣體壓

力脈動(dòng)，防止機(jī)械振動(dòng)和振動(dòng)的傳遞。壓縮機(jī)入口、出口管道均安裝緩沖罐且靠近壓縮機(jī)管口，如緩沖罐距離較遠(yuǎn)應(yīng)增多管架數(shù)量，避免因管道的溫升產(chǎn)生熱膨脹會(huì)對(duì)壓縮機(jī)管嘴及機(jī)殼有影響^[4];

（2）往復(fù)式壓縮機(jī)一般至少為2臺(tái)（一開(kāi)一備），出入口管道閥門(mén)，壓力表、儀表閥組等盡量在操作側(cè)設(shè)置，方便巡檢人員觀察、檢修;

（3）在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)的出、入口管道是最容易產(chǎn)生振動(dòng)的地方，因此要合理布置管道走向，對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析（并聯(lián)壓縮機(jī)管道盡量不完全對(duì)稱(chēng)布置），確定管道的支撐形式及間距;

（4）壓縮機(jī)管道上引出的小于DN50的分支管道及儀表管嘴至少應(yīng)采用承插焊加強(qiáng)管接頭或者異徑三通，如有必要還需要在分支管上設(shè)加強(qiáng)筋，提升管系剛度，遠(yuǎn)離振源^[5];

（5）壓縮機(jī)極其附屬設(shè)備、管道都采用獨(dú)立基礎(chǔ)，管道不能在支撐廠房?jī)?nèi)的梁柱上設(shè)置支架，需做獨(dú)立支架，采取防振措施;

（6）壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)吊車(chē)高度及壓縮機(jī)管道應(yīng)提前規(guī)劃合理（見(jiàn)文章1.2條），避免兩者之間發(fā)生無(wú)法移送檢修設(shè)備的問(wèn)題。

2.2 ?管道柔性設(shè)計(jì)

2.2.1 ?壓縮機(jī)入口管道設(shè)計(jì)

（1）壓縮機(jī)入口管道一般分兩部分：

（a）從廠房外氮?dú)饩彌_罐經(jīng)過(guò)管廊布置到廠房，管道一般沿管廊敷設(shè)，同時(shí)考慮管道振動(dòng);

（b）從廠房?jī)?nèi)到壓縮機(jī)入口緩沖罐，此部分管道沿地面布置，用管墩做支撐，高度一般在500 mm左右;

（2）壓縮機(jī)入口管道一般有入口切斷閥、過(guò)濾器及壓力表等，閥們沿地面敷設(shè)，無(wú)須設(shè)置操作平臺(tái)，但閥門(mén)和過(guò)濾器的自重改變了管道的荷載平衡，需在閥門(mén)前后方設(shè)置防振支架，支架在地面生根。

2.2.2 ?壓縮機(jī)出口管道設(shè)計(jì)

（1）壓縮機(jī)出口管道不僅因壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)由于被氣體壓縮而使管道產(chǎn)生溫升膨脹，因此出口管道盡量沿地面布置，減緩管道振動(dòng)對(duì)設(shè)備管嘴的受力和力矩，避免管道的推力作用到管嘴上，同時(shí)滿足管道應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力值。

（2）壓縮機(jī)出口管道一般沿地面布置，管道支撐在地面生根，管墩高度與入口管道相同，管道走向及管道支撐盡量不對(duì)稱(chēng)設(shè)置，閥門(mén)設(shè)置原則與入口管道相同，儀表閥組的側(cè)線及閥門(mén)也沿地面敷設(shè)，支撐形式與入口管道相同，減少管道的振動(dòng)提高壓縮機(jī)的性能，有利于延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用的壽命。

2.2.3 ?冷卻器與壓縮機(jī)緩沖罐的管道設(shè)計(jì)

氮?dú)鈮嚎s機(jī)為兩級(jí)壓縮，級(jí)間冷卻器與緩沖罐之間的管道布置一般需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）管道布置盡量沿地面敷設(shè)，支架在地面生根，高度同壓縮機(jī)出入口支撐一致，但需要考慮人員的檢修通道及冷卻器抽芯位置，保證人員能正常通行、沒(méi)有障礙物阻擋;

（2）每一級(jí)冷卻器殼程出口都設(shè)置安全閥，安全閥管道需要在地面布置，做防振支撐，在分支管與主管銜接處附近做防振支撐。

2.2.4 ?壓縮機(jī)輔助設(shè)備管道

在氮?dú)鈮嚎s機(jī)附屬設(shè)備中主要有潤(rùn)滑油站、水箱、水站、儀表盤(pán)等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般考慮以下幾點(diǎn)：

（1）潤(rùn)滑油站廠家撬裝提供，潤(rùn)滑油泵、冷卻器布置在撬塊上，節(jié)省空間，布置時(shí)一般將其布置在壓縮機(jī)氣缸前地面處（廠家給出建議方位），同時(shí)要考慮撬塊上冷卻器的抽芯空間，滿足檢修需要。撬塊上附屬管道與壓縮機(jī)連接處廠家考慮，共用工程管道設(shè)計(jì)方考慮（水、氣、風(fēng)等），保證撬塊的操作和檢修方便;

（2）在氮?dú)鈮嚎s機(jī)廠房?jī)?nèi)，水站一般建議布置在壓縮機(jī)操作側(cè)空地，同時(shí)將水箱布置在其上方設(shè)置水箱平臺(tái)，優(yōu)點(diǎn)在于：①附屬管道與壓縮機(jī)主體管道同在一側(cè)，管道規(guī)劃時(shí)可統(tǒng)一考慮;②水箱一般需要增設(shè)平臺(tái)，高度較高，如考慮不周容易影響檢修區(qū)域的設(shè)備吊裝;

（3）儀表盤(pán)一般設(shè)置在壓縮機(jī)氣缸正前方、便于操作人員觀察和檢修的地方，但要考慮是否影響周?chē)O(shè)施的檢修空間。

2.2.5 ?管道支架受力情況

本文結(jié)合制氮裝置其中一臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)為例，通過(guò)合理的管道布置，適當(dāng)?shù)闹涡问剑瑢⒐艿朗芰刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，保證壓縮機(jī)平穩(wěn)正常運(yùn)行。管道應(yīng)力模型見(jiàn)圖3，主要節(jié)點(diǎn)受力值見(jiàn)表1。

3 ?管道支架設(shè)置

3.1 ?支架設(shè)置原則

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)出入口管道、級(jí)間緩沖罐出入口管道支架需設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，不能同建筑物和壓縮機(jī)基礎(chǔ)聯(lián)合在一起，管道支架宜沿地面敷設(shè)，

（2）抗震支架的位置盡量不要對(duì)稱(chēng)設(shè)置，可錯(cuò)開(kāi)安裝。多臺(tái)壓縮機(jī)出口管道一般平行布置，支架管墩位置盡量間距不等;

（3）由于在閥門(mén)處會(huì)對(duì)管道閥門(mén)前后產(chǎn)生壓差、在三通及彎頭處管道流向改變產(chǎn)生管道振動(dòng)，因此在此處應(yīng)設(shè)置防振支架。

3.2 ?支架設(shè)置形式

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的支架應(yīng)采用防震管卡或固定支架，不能簡(jiǎn)單采用支托，更不能采用吊架，支架材料一般采用Q235B，管托底板必須與生根部位的預(yù)埋鋼板焊接牢固;

（2）防振管卡不得采用U型螺栓式管卡，應(yīng)用扁鋼制作，且防振管卡與管道間應(yīng)墊3 mm橡膠石棉襯墊或軟木;

（3）防振支架的受力及推力值需經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)和支架的生根部分應(yīng)滿足計(jì)算值的要求;

（4）壓縮機(jī)管道支撐主要分為三種：水平管道支撐、豎直管道支撐及高空管道支撐。支撐的形式見(jiàn)圖4-圖6。

4 ?結(jié)論

綜上所述，往復(fù)式壓縮機(jī)一般集中布置在封閉式或者半敞開(kāi)式廠房?jī)?nèi)，壓縮機(jī)出入口管道要同時(shí)兼顧管道柔性及管道振動(dòng)，管道支架基礎(chǔ)之間距離不等且要相互獨(dú)立，選用防震管托和管卡。

在一定程度上滿足管道柔性要求及管道對(duì)管口作用力的前提下，最大限度地降低管道壓降以滿足操作的要求。合理的設(shè)計(jì)將在一定程度上降低工程投資，增加操作及檢修的便利，確保管道及裝置運(yùn)行的安全。

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