石油化工裝置空冷器的布置與管道設計

高 揚

(山東三維石化工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266071)

空冷器主要由管束、風機、構架三個基本部分和百葉窗、梯子、平臺等輔助部分組成。其以環境空氣作為冷卻介質，與水冷相比，空冷節約用水，操作費用低，即使風機出現故障仍可保持30%～40%的自然冷卻能力，因此空冷器被廣泛用于煉油、化工和電力等行業。

1 空冷器布置

某石化項目的空冷器均為水平鼓風式，參考規范[1]要求，集中布置在裝置管廊的上方以充分利用空間。布置時分為獨立的三組，中間留出通道方便操作人員通行，也可以避免集中布置時，在布置方向上產生較大的熱膨脹量；采用鼓風式的通風方式時，出口的風速較低，上風向側空冷器排出的熱風易被下游空冷風機抽回，形成熱風循環的可能性較大。為降低熱風循環對空冷器性能的影響，所有空冷器的管束和鼓風機安裝在同一高度，使吸風斷面處于同一水平上。同時，在滿足工藝流程順序的前提下，盡量將高溫流體的空冷器布置在全年最小頻率風向的上側，減少其出口熱風對其它空冷器的影響；此外，布置時將風機配套電機的安裝方位取齊，以方便電氣專業接線和檢修，平面布置圖如圖1所示。

圖1 空冷器平面布置

項目所用空冷器構架長度為11700 mm，而主管廊構架寬度13500 mm，布置時將空冷器構架靠管廊一側，使其一邊落在管廊構架柱子上；在另一側留出通道和檢修場地，其柱子可以根據需要升高，作為空冷器入口管道的支撐。當管廊與空冷器構架寬度一樣時，為支撐空冷器平臺和進出口管道，需要單獨設置立柱；而采用本文的布置方法，可以利用管廊構架升起作為支撐，減少懸挑結構的使用；同時由于管廊構架比空冷構架寬1800 mm，又可以避免管廊立柱升起時碰到空冷器檢修平臺。管廊兩側的地面預留的空地和冷換設備管束抽出區均可作為空冷器吊裝檢修區。為了方便管束的檢修和百葉窗角度的調節，每組空冷器的四周均設置了寬800 mm的平臺，空冷器電機的檢修平臺則直接利用管廊19.00 m平臺。空冷平臺與管廊平臺間采用直梯相連接，利用管廊已有斜梯通向地面，作為安全疏散通道。

2 空冷器管道設計及支撐

2.1 入口管道

空冷器入口的管道布置應考慮流體的均勻分配，當物料為氣液兩相流時，可安裝閥門來調節流量，并且可作為檢修時的切斷閥使用。使用閥門來均勻分配流量時，雖然管道不需要嚴格的對稱布置，但工況不穩定時需要經常調節閥門，并且閥門自重會增加管嘴受力，閥門自身也會增加管道的壓力降。空冷器進出口管道上不宜設置切斷閥，工藝介質為氣液兩相流流體時，入口管道宜采用對稱形式的流程[2]。

通常，推薦空冷器入口管道采用圖2所示方法布置[3-4]。圖2(a)方法由于兩相流在管內流動時，氣體流動比液體快，在光滑的轉彎處，流體有沿著外壁流動的趨勢，這種方法在改變流向時采用了異徑三通和管帽，且異徑三通水平放置，以便使液相分布均勻。圖2(b)方法以等徑三通分支，分支后的水平管上使用偏心大小頭進行變徑，在最后一個彎頭到下一分支之間設直管段，用于穩定流體的流動狀態，達到分配均勻的目的。

圖2 空冷器入口管道布置

2.2 出口管道

一般情況下，空冷器的出口各支管也應對稱布置，但當空冷出口介質為液相時，均勻分配通常不太重要，也可采用一根集合管匯合，并布置在空冷器下方；另外，空冷器出口管道的布置應特別注意，避免與梁、柱等構筑物發生碰撞。

2.3 管道柔性設計與支吊架

管道柔性設計和設置支吊架的主要目的是減少空冷器管嘴所受力矩和力，使其符合制造廠或相關標準的要求。增加管道柔性常見的方法是改變管道走向，從而提高管道通過自身形變吸收熱漲冷縮和其他位移形變的能力；而設置支架，將集合管支撐于其上，可有效減少管道自重對管嘴的作用力。管道的支撐方法常根據現場情況進行設計，空冷器入口管道的支撐，應盡量利用別處已有管架，例如將空冷自身構架向上延伸，或者依托空冷器平臺生根做管架進行支撐；出口管道可制作倒門型支架生根于通道下，或三角支架生根于通道立柱的一側。一般來說，進出口總管距離空冷器最近的一個管架宜設為彈簧支吊架，但具體情況需要通過應力分析計算后來確定。

2.4 實例

某項目丁烷異構裝置共有空冷器10臺，其中產品冷凝器操作壓力較高，且出入口均為氣液兩相流，為滿足物流的均勻分配和管道柔性等的要求，采取了如圖3所示管道布置方式。該空冷器共2片管箱，管道布置相對簡單，主管自位于EL 11.00 m平臺的換熱器來，將構架立柱升高增設橫梁對其支撐，采用對稱形式均勻分為四股物流進入管束，入口的分支管道跨過空冷平臺時，其管底至平臺間留出了2200 mm的空間，方便人員通過；出口也采用了相同的管道布置方法，采用頂平大小頭進行變徑，在升高的立柱間設置橫梁對管道進行支撐。

圖3 產品冷凝器管道布置模型

裝置中丙烷塔冷凝器的工藝流程比較復雜，管道布置需要考慮的因素較多。首先，丙烷塔冷凝器有10個管箱，管嘴數量為20個，不能使用完全對稱式的管道布置方法。管道自塔頂到空冷入口的距離較長且不保溫，考慮到可能出現凝液及均勻分配的需要，管道布置時參考手冊[4]中3片空冷器入口管道的布置方法，盡量使管道對稱。管道的設計模型如圖4所示，自塔頂來的DN300主管首先分為兩個對稱的支管，支管繼續分為兩個，其中一個支管直接變徑至DN150與一片管箱上的兩個管口相連，而另一個支管則繼續向下逐級縮徑與分支，直到與空冷管束的管嘴相連，在需要變徑處使用底平大小頭以保證沒有低點，可利用管廊和空冷構架向上延伸，或者在平臺外沿設置一排立柱，在它們之間設置橫梁作為管道的支撐；正常工況下，該空冷的出口為純液相，故采用了較簡單的管道布置方式，出口管通過平臺下方直接進入主管匯合，主管的支撐則利用立柱生根做三角支架。

圖4 丙烷塔冷凝器管道布置模型

3 結論

通過運用標準規范進行空冷器的布置與管道設計，應根據實際情況靈活調整方案。空冷器布置時采用主構架比空冷構架寬的方法，方便升高主構架立柱作為支撐。空冷器出、入口的管道布置應考慮流體的均勻分配，采用對稱形式的管道布置。