大型空分裝置主空壓機出口管道設計要點分析

吳炯

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710000）

1 引言

空分裝置的大型化是滿足大型煤化工及其他大型化工企業發展的重要基礎，如神華4×106t/a 煤炭間接液化項目配建了12 套1×105Nm3/h（制氧量）規模的空分裝置，神華榆林循環經濟煤炭綜合利用項目（一階段工程）為1.80×106t/a 煤制甲醇和4×105t/a 煤制乙二醇生產裝置配建了3 套1×105Nm3/h 規模的空分裝置，盛虹煉化一體化項目配建了4 套9.3×104Nm3/h空分裝置，為全廠提供各級氧氣、氮氣、儀表空氣等。大型空分裝置的長周期穩定運行為全廠的生產運營提供了重要的原料及公用工程保障。

空氣壓縮機是空分裝置最核心的關鍵設備之一，其長期穩定運行才能保障空分裝置的長周期安全穩定生產?？諝鈮嚎s機組包括機器部分、級間冷卻系統、管道系統、潤滑油系統、控制連鎖等子系統，各系統有機組成一套完整的壓縮機組，每個子系統正常工作才能確保壓縮機機組平穩運行，其中，管道系統將各個機器和設備聯系起來，并將壓縮機增壓后的空氣輸送到下游裝置。管道系統的合理設計對壓縮機的平穩運行也起到了至關重要的作用。

大型空分裝置中主空壓機出口管道管徑大、流量大、工況復雜、位置敏感?？辗种骺諌簷C因出口管道設計不合理可能會發生振動、喘振、泄漏等故障，損壞機組的零部件，嚴重時導致裝置停車，影響全廠的生產。所以，在工程設計中，空壓機出口管道的設計是否合理直接影響壓縮機能否長周期穩定運行。

本文所述的空壓機出口管道主要包括兩部分，第一部分是從空壓機出口到空冷塔入口之間的管道；第二部分為空壓機出口主管到放空消音器入口之間的防喘振及放空旁路管道?？諌簷C出口主管上設置止回閥、防喘振及放空旁路管道上設置防喘振閥。本文根據空分裝置實際運行過程中出現的問題，通過對多項工程設計實例的經驗總結，從限容積設計、減振設計、應力分析3 方面對主空壓機出口管道的設計進行分析，總結該管道的設計要點。

2 防止壓縮機喘振限定管道容積

2.1 離心壓縮機喘振及防喘振設計

當離心壓縮機發生喘振時，壓縮機出口的壓力劇烈波動，介質的流動方向發生周期性逆轉，引起壓縮機振動和過熱，可能會導致壓縮機的軸承、密封甚至葉輪和轉子等部件損壞，對生產造成巨大影響。因此，離心壓縮機的防喘振設計是保障機組性能的重要環節[1]。

目前，防喘振設計的方法主要有兩類：一是通過優化壓縮機內部結構，如設置葉片轉動機構等；二是采用相應的防喘振裝置或通過改變管網特性使壓縮機運行遠離喘振區，從而避免喘振發生。

例如，在壓縮機出口管道上設置的防喘振閥即一種預防壓縮機發生喘振的裝置之一。當壓縮機的運行曲線接近喘振區時，防喘閥會在限定時間內迅速做出應答，開啟閥門，將壓縮機出口的氣體回流到入口或直接放空，從而消除壓縮機出口的壓力波動，確保通過壓縮機葉輪的流量值超出喘振區的流量范圍，避免喘振發生。為確保防喘閥能在短時間內調整壓縮機運行工況遠離喘振區，壓縮機廠家提出了出口管道的設計容積要求，一般要求出口管道的容積盡量小，不超過壓縮機廠家提出的容積要求。

2.2 壓縮機廠家關于管道容積的要求

例如，在大規?？辗种惺褂玫穆钙剑∕AN）的空壓機組，設計條件中一般提出的要求是：主空壓機出口、防喘閥、出口止回閥三者之間的管道總容積不超過壓縮機1 s 內的設計體積流量。同樣，西門子廠家空分裝置配套的壓縮機組，設計文件中提出的要求是防喘閥盡量靠近空壓機出口，并且到空壓機出口之間的管道長度≤10 m，目的是通過控制空壓機出口至防喘振閥門的距離來限制管道容積。

因此，在限定容積的條件下，管道設計時需將空壓機出口止回閥和防喘振閥盡量靠近壓縮機出口布置。對于大型空分裝置，空壓機出口的管道規格一般達到DN1 200 mm～DN1 800 mm，其管道的空間布置非常緊張，這就要求合理布置管道。

2.3 實際管道設計案例

圖1 中的配管方式是一種針對MAN 廠家的機組較典型的布置方式。大型空分裝置中MAN 設計的一拖二機組，汽輪機、空壓機、增壓機同軸布置，機組的頂板設計為矩形，矩形頂板的厚度能達到2 m，巨大的混凝土頂板確保了大型機組運行的穩定性?？諌簷C兩側的空間可以用來布置空壓機出口管道。止回閥安裝在盡量靠近管口的位置，防喘振閥布置在機組的混凝土平臺上，既盡量靠近空壓機出口控制容積，又能借助大型鋼筋混凝土基礎進行牢固支撐。

若因布置及結構限制，通過配管無法將容積控制到限定范圍，可以通過縮小管道的管徑來控制容積，但要確保管道的流速滿足要求。例如，圖2 所示為西門子廠家空壓機出口的管道設計，西門子的機組空壓機出口位置沒有可以牢固生根的結構，所以，將防喘振閥門布置到靠近地面的位置，該設計中防喘閥距空壓機出口的距離＞10 m，但與廠家協商的處理方案是縮小出口管道直徑，控制管道容積在一定范圍即可。該設計方案將防喘閥設置在地面附近，借助從地面升起的混凝土管墩對放空管道進行牢固支撐，防止管道振動。

圖1 某空分裝置MAN機組空壓機出口管道

圖2 某空分裝置西門子機組空壓機出口管道

所以，空壓機出口管道的限定容積設計是空壓機出口管口、防喘閥、出口止回閥三者之間的管道總容積需根據機器廠家的要求限定在一定范圍內，并將最終的配管容積提供給設備廠家進行核算，以滿足防喘振的要求。

3 管道減振設計

在執行防喘振的過程中，防喘振閥的作用是在限定時間內開啟閥門，確保壓縮機的運行流量高出喘振流量一定標準，從而脫離喘振區。并且，在開、停車過程中主要通過防喘振閥進行大量放空。防喘振閥門在開啟的狀態下，閥門上下游之間會形成約0.4～0.5 MPa 的壓差。大流量及大壓差導致氣流對閥門產生較大的激振力作用，引起閥體振動，若該振動處理不當，將會造成嚴重的后果。為控制閥門的振動并確保機組及其他結構的安全，管道設計時要從以下方面考慮：

1）若防喘振閥門本體設置有支撐結構，可在閥門上設置固定支撐，直接限制閥門的振動。

2）將閥門的定位器等零部件設置為分體式，與閥體脫開，避免閥門精密零部件的損壞。

3）在閥門上游的管道上緊靠防喘閥設置固定支架，該固定支架設置在混凝土承臺或地面混凝土管墩上，確保足夠的剛度及強度，避免振動傳導至其他結構上。同時，防喘振閥門下游至消音器入口管道上的支架設置為防振支架，確保減振管托的生根位置牢固。

4）為保證放空時流體通過閥門的流場，盡量穩定以減小對防喘閥的激振力作用，一般要求防喘振閥前的直管段長度≥4 倍閥門口徑，閥后的直管段≥7～8 倍閥門口徑。

5）設計時有必要動態分析放空管路，計算激振力的大小，在設計管架結構時考慮激振力的荷載。

4 管道應力分析

一般主空壓機出口管道設計溫度120 ℃，操作溫度約100 ℃。出口管道的管徑為DN1 200 mm～DN1 800 mm。其溫差應力產生的熱位移及管道推力易引起設備本體的振動和管口局部應力過大。在空壓機出口到空冷塔入口的管道設計時，為避免管道的熱膨脹對空壓機產生不利影響，須確保管道具有一定的柔性。為吸收管道的熱位移的同時采用管道自然補償和增加膨脹節的方式。因此，在空壓機管口位置需設置大拉桿膨脹節吸收管道的熱位移，同時在出口附近的管道上設置彈簧支架，保障壓縮機本體的安全。

因容積限制及減振要求，出口管道的放空旁路一般距離管口較近，并且由于減振設計要求緊靠防喘振閥門上游的管道支架設置成固定支架，放空旁路的管道對設備管口的作用也需要在合理設計管道柔性的前提下，同時在靠近主管位置設置膨脹節補償管道位移，才能消除管道應力對壓縮機管口的影響。同時在空壓機到空冷塔的主管中間位置或靠近空冷塔位置宜設置大拉桿膨脹節，并通過合理設置限位支架消除管道對設備的影響。圖3 所示為某項目中空壓機出口管道管架及膨脹節設置的案例。圖中標注了管道上各處零部件設施的安裝位置。出口管道上彈簧支架、膨脹節、固定支架、減震支架的設置以及相對位置基本一致，使用這種設計方法在空分裝置的實際運行過程中效果良好，能保證壓縮機及管道的各方面正常運行。

圖3 管架及膨脹節設計

5 結語

大型空壓機出口管道設計需綜合考慮管道容積、應力、振動等多方面因素，同時受廠房結構、設備布置、工藝條件等制約，需結合項目的實際情況具體分析，盡量滿足各方面的要求，才能實現一個較完善的方案，確保機組的安全平穩運行。