12 000 Nm3/h液氮空分裝置撬裝化設計

2022-12-19 06:46:14俞卓瑋周欣海周軍帥

低溫與特氣 2022年5期

俞卓瑋，周欣海，周軍帥

(杭氧集團股份有限公司，浙江杭州 310014)

1 前言

隨著我國經濟的飛速發展，對石油化工和鋼鐵等產業的需求進一步增大，空分裝置作為該類產業的供氣源頭，需求量日益增加。目前用戶普遍要求空分設計及施工周期短、質量高。空分裝置冷箱撬裝化設計以占地面積小、質量可靠、建設周期短等優勢，越發受到諸多企業及用戶的關注及研究。本文從液氮空分裝置工藝流程、組成、模塊化撬裝設計等方面進行闡述。

2 液氮裝置總體介紹

2.1 液體產品情況

液氮裝置為流量12 000 Nm3/h、日產360 t液氮產品的空分設備，液氮產品純度為99.99%，氧含量≤3×10-6。液氮中對水和二氧化碳含量要求較高，水含量≤0.25×10-6、二氧化碳含量≤0.25×10-6才能達到特種氣體要求。

2.2 液氮裝置組成

液氮裝置由原料空氣過濾器、空氣透平壓縮機組、空氣預冷機組、分子篩吸附純化系統、循環氮氣壓縮機組、高低溫氣體透平膨脹機組、液氮分餾塔冷箱系統、液氮貯存系統等組成。液氮分餾塔冷箱系統為廠內組裝撬裝出廠至用戶現場，透平膨脹機組等其它系統在用戶現場安裝調試。

2.3 工藝流程簡述

原料空氣經除塵、壓縮、預冷、凈化后進入主換熱器與返流氣體(富氧空氣、氮氣)換熱達到接近空氣液化溫度-178℃后進入下塔。在下塔中，空氣經精餾分離成氮氣和富氧液空，氮氣經主冷凝蒸發器液化后一部分作為下塔回流液，一部分作為液氮產品輸送至貯槽[1]，工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程簡圖

3 液氮裝置冷箱撬裝化布置方案

液氮裝置冷箱由液氮分餾塔冷箱、主換熱器冷箱以及膨脹機過橋冷箱組成。本項目的撬裝冷箱采用公路運輸，運輸尺寸限制比水路運輸更加嚴苛。最終的撬裝主冷箱尺寸為22 900 mm×4 200 mm×3 800 mm，4 200 mm寬度為運輸面，閥門安裝面在高度方向上。主換熱器冷箱尺寸為14 500 mm×8 000 mm×3 600 mm，因撬裝運輸寬度限制，將其分割成換熱器冷箱1和2，換熱器冷箱1內包含2臺換熱器，換熱器冷箱2內包含3臺換熱器，各自配置換熱器支容器架以及運輸支架組裝出廠。

下塔和主冷凝蒸發器組合安裝定位于主冷箱上部并靠近運輸面，結合冷箱鋼結構骨架位置安裝容器運輸支架固定，防止容器在運輸過程中晃動移位。液空過冷器支撐于下塔塔體上。氣液分離1號罐撐于冷箱基礎骨架上，2號罐位于主冷箱上部并支撐于主冷凝蒸發器上，既保證液氮進貯槽壓力又保證相連管道的同步收縮，容器布置圖如圖2。

為了便于冷箱撬裝運輸，冷箱內所有閥門均布置于冷箱正面。為便于高壓液氮節流閥的檢修，單獨做隔箱置于+2 m一層平臺。液氮去氣液分離器調節閥以及液氮產品閥設置于+5 m二層平臺。下塔液空去主冷調節閥、主冷液氮回流下塔閥置于+11 m三層平臺。出下塔液氮調節閥、氣液分離器出口氮氣調節閥位于+17 m四層平臺，因閥門連接的管道冷縮尺寸過大設為浮動安裝。

主冷凝蒸發器安全閥及氣液分離2號罐安全閥裝于主冷箱頂部平臺，并至客戶現場安裝。下塔安全閥就近設置于二層平臺。其余管線吹除閥、排液閥、加溫氣閥等手動閥大部分均布置于冷箱正面，以便于操作及運輸。

圖2 容器布置圖

4 空分冷箱內管道布置

4.1 主冷箱內管道布置

因受運輸尺寸限制，主冷箱尺寸較小，而主要的壓力容器冷凝器直徑較大，冷凝器外壁離冷箱壁最近處只有600 mm，冷箱內剩余空間并不寬裕，部分通道狹窄，故而管道布置難度較大，在滿足工藝要求的基礎上需考慮盡可能的緊湊布置并保證和冷箱壁的保溫距離，以免冷量損失、增加能耗。

從冷凝器頂部引出的富氧空氣去主換熱器DN400管道沿冷凝器及下塔直落到過冷器后，穿過隔箱進入換熱器冷箱。沿塔管段管架支撐于塔器之上，走管全程簡捷，沿程阻力較小。來自低溫膨脹機后的氮氣經過氣液分離罐后也沿下塔上行徑直進入冷凝器，管架撐于塔器之上。

冷凝蒸發器的壓力氮氣出口公稱口徑為DN800，應工藝要求，壓力氮氣從管口出來后必須向上一段以避免帶出分餾塔中液體，然而DN800的彎管彎曲半徑達到1 200 mm，管口直接連接彎頭后就碰到冷箱鋼結構骨架。壓力氮氣流速受限，故容器管口口徑不能縮小，因冷箱內空間局促容器管口方向無法調整，經多次調整后考慮用DN800的等徑三通加一個DN800的管帽來取代這個大彎管以滿足保溫要求。

下塔液空進冷凝器、氣液分離器1號罐底液氮去2號罐等液體管道，因要經過調節閥，故閥門前后管段均筆直沿冷箱壁到達容器進口高度做水平管段補償后進入容器。豎直段管道所有限位及導向管架均支撐于冷箱壁鋼結構上。

4.2 換熱器冷箱內管道布置

因換熱器冷箱和主冷箱是分開各自安裝的，為了使材料明晰、安裝方便，將換熱器冷箱單獨設計成一個管道模塊PIPEB以區別主冷箱的PIPEA。換熱器冷箱單獨出管道材料、管架材料以及管道軸測圖以便于安裝，節省時間及人力。考慮到換熱器冷箱仍需分割成兩部分運輸，最后管道軸測圖按實際分割管線分成PIPEB1和PIPEB2出圖，滿足了工藝及運輸要求。另外同一路管線因換熱器冷箱運輸分割的分割界限點需留出現場安裝的直管段切割余量。

低溫膨脹機膨脹端出口氮氣管道一路傾斜向下進入氣液分離器1號罐。在氣液分離器1號罐中進行氣液分離后，出口氮氣管道再全程沿下塔筆直進入主冷凝蒸發器。

為了減少法蘭連接氮氣進出高低溫膨脹機的管線、不另外加波紋管補償器，因此這幾條管線在換熱器冷箱內繞行做自然補償,以滿足膨脹機管口荷載要求。進出膨脹機的氮氣管道因繞行補償水平管段較長需橫穿整個換熱器冷箱，換熱器冷箱分割運輸的時候管道無法支撐，故管段頭尾均增加卡箍運輸支架(碳鋼材質)固定，至用戶安裝現場后拆除。

4.3 管道應力計算

空分冷箱內管道不同于普通工藝管道，是在低溫下(一般-180℃左右)工作的，溫度的變化會引起管道的熱脹冷縮，如果管道設置不合理導致應力超過強度極限，便會有斷裂的危險，必須對管道進行應力分析計算。管道應力計算主要是通過對管線的柔性分析來校核管道在各個工況下的一次應力和二次應力是否均滿足許用要求，校核管道對設備管口的作用力是否在許用范圍內。通過應力分析計算，可以更加合理地設置管道支吊架。

在12 000 Nm3/h液氮設備冷箱內管道設計中，應力計算與單元設備、管道和管架的布置相輔相成，同步進行，貫穿于項目的整個設計階段。采用CAESAR Ⅱ軟件對液氮設備冷箱內所有工藝管線以及輔助加溫、排液、吹掃等管線進行建模計算，通過計算結果來調整設備及閥門位置、優化管道走向、合理布置管道支吊架和校核單元設備管口載荷。本裝置高低溫膨脹機進出口管線拋開常規膨脹節補償的方法，利用換熱器冷箱多余空間進行管道自補償的方法來解決管道熱應力和設備管口受力問題(見圖3)，該補償方法既經濟又安全。