大型空分裝置換熱器冷箱管道布置論述

周海如,鐘傳錦,郭書濤

(林德亞太工程有限公司,浙江 杭州 310023)

1 前 言

隨著空氣分離設備在大型煤化工及煉化裝置上的廣泛使用,空分裝置也迎來了巨大的發展機遇,逐漸向大型化、撬裝化的方向轉變。作為空分裝置核心的冷箱,合理的設備和管道布置、準確的管道應力分析,對空分裝置的安全性、經濟性起到至關重要的作用。

空分冷箱是指空氣分離設備的冷箱鋼結構外殼,它的作用或功能是保證空分低溫設備和管道的絕熱保冷。空分冷箱一般由換熱器冷箱、精餾冷箱以及氬冷箱組成,每個冷箱都有不同的設計要點,本文從換熱器冷箱內設備布置、管道布置的特點并結合管道應力分析的影響展開論述,把換熱器冷箱設計成安全高效、結構緊湊且施工方便作為最終目標。以達到有效提升管道布置實用性的目的,使得換熱器冷箱空間緊湊,占地面積小。

2 換熱器冷箱及內部設備布置

冷箱內換熱器的定位、支撐方式及主要工藝管道通常在基本設計階段就需要完成,然后才能確定冷箱的大小。因此在基本設計階段,一般要求設計人員必須有豐富的設備定位及配管經驗。

2.1 換熱器冷箱布置

換熱器冷箱與精餾冷箱/氬冷箱的空間布置是否優化合理,會直接影響整套裝置的投產及運行,對管道成本(包括安裝及材料成本)的影響尤其明顯。同時設備及管道布置應滿足國家及行業的相關標準、工藝流程及安裝操作檢修等要求。

換熱器冷箱與精餾冷箱/氬冷箱的空間布置多以L形布置(如圖1)。這種布置在空分行業冷箱設計中是較為經典的布置方式,L形布置對外圍的設備布置影響較小,冷箱內外管道連接容易標準化,冷箱設備布置相對固定,空間利用率高且更利于膨脹機管道柔性要求,基本上不受冷箱大小影響,換熱器冷箱與精餾/氬冷箱通過上下多個連接箱連接,連接箱的形式及數量一般根據工藝流程圖(PID)來定義,一般不超過3個連接箱。

圖1 冷箱內設備布置

2.2 換熱器冷箱內設備布置

2.2.1換熱器冷端

換熱器冷箱內部一般由高壓換熱器、低壓換熱器及過冷器等組成。以某10萬級大型空分為例,其換熱器冷箱包含6個高壓換熱器,4個低壓換熱器和2個過冷器。換熱器冷箱內部各組換熱器之間一般考慮中線對稱布置,但過冷器應靠近精餾冷箱,連接箱設置在此處,所有與精餾冷箱及氬冷箱相連接的管道都由此連接。所以過冷器時常(如圖1)與上塔相連,管徑較大,一般在DN900～DN1200,所占空間較大,所以過冷器靠近精餾冷箱,高壓換熱器布置在換熱器冷箱的中部,低壓換熱器布置在最右邊,冷箱內部保溫距離一般約為300 mm,冷箱的型鋼尺寸一般為300～350 mm,所以保證低溫管道或者設備離冷箱邊界有600～700 mm的距離,考慮適當的余量,換熱器之間、管道與管道之間的凈距離保證在100 mm左右即可,模型需考慮鋼結構尺寸、珠光沙保溫層尺寸(冷箱鋼結構內側距管道外壁最小距離為300 mm);原則上冷箱內的設備和冷管線不能超過最小保溫層界限[1]。

但過冷器與高壓換熱器之間的距離要合理,用于氣體液體膨脹機進出口管道及旁通管道匯集(閥門集中布置在此處)以及將來應力計算后管道柔性的調整空間。

低壓板換體積比高壓板換大,再加上連接到低壓板換上的管子比較少,所以當高低壓板換布置在一個冷箱時,低壓板換之間的間距可以縮小。

每組換熱器連接管道集中布置(如圖1),每對換熱器中間考慮T形支架用作管道支架。

過冷器放在主冷箱還是放在換熱器冷箱應在投標階段定義,多數放在換熱器冷箱。

過冷器的支撐形式有多種,可以用不銹鋼結構支撐在地面上,也可以用不銹鋼吊桿吊在冷箱頂部,支撐形式影響冷箱的大小,應綜合應力計算、過冷器數量和地震烈度與鋼結構工程師一起討論決定。

高度方向主要考慮過冷器底部低壓塔出來的GAN和污氮管道底部距地面最小留有400 mm的保溫距離(如圖2),過冷器高度也是由此定義的,因換熱器頂部基本屬于熱區域,所以換熱器頂部管嘴離頂部結構保證300 mm左右的凈空即可。

圖2 冷箱內基礎

對于多個過冷器的匯集形式,對稱布置是首選。但如果因此要增加冷箱尺寸,則采用U型布置,對于氣體介質的管道則必須考慮U型布置。而對于流體介質的管道則應與流程工程師討論確定,Z型布置管道也是一種選項。

對于單個過冷器,管口可以放在過冷器的前端,這樣可以節省空間及減小冷箱的尺寸,但這些須與設備工程師討論后決定。

2.2.2換熱器熱端

頂部熱端管道的匯集一般在冷箱外進行,頂部管道遵循的基本原則為“高大低小”,管徑越大,應該布置在最頂部,然后可參照管道尺寸大小順序布置下來,但不是越高越好,考慮風載以及地震載荷、結構尺寸及經濟性,一般最大管徑的頂部距換熱器冷箱頂表面不超過8.5 m。

污氮及氣氮管道一般在DN1200～DN2000,常布置在頂部,因為管道管徑較大時載荷較大,空間限制支管也難做柔性彎,為減少換熱器管口的載荷并考慮換熱器在運行時會有一定量的收縮,所以支架設計一般采用彈簧支架。

其它主管為DN500以下的管道,均通過支管做柔性彎吸收換熱器運行時的位移,若應力計算無要求,支架一般不考慮彈簧支架。

但從分子篩到換熱器冷箱的主原料氣管,考慮到檢維修及節省頂部空間,一般布置在側面。需要在管路下方留有一定的空間,考慮彈簧支架,該管的應力分析必須從分子篩結合主換熱器冷箱內管道一起進行,為隔絕外部管道對冷箱區域的影響,在分子篩與換熱器冷箱分界處的常規支架一般會設置無力矩約束固定架。

綜上,換熱冷箱的長寬高基本可以確定,后期可以跟據流程參數及應力計算適當的調整整體尺寸,以節省總體材料用量及現場施工費用。

2.3 換熱器冷箱內設備支撐方式

換熱器冷箱內設備的支撐方式對配管柔性的考慮、設備安裝難度都會有很大的影響。目前主流的支撐方式組合有兩種:一種是過冷器、高低壓換熱器均吊在冷箱頂部的結構上,如圖3;另一種是過冷器吊桿生根到頂部結構,高低壓換熱器通過支耳固定到一通梁上,如圖4。

圖3 換熱器懸吊在冷箱頂部

圖4 換熱器支撐在梁上面

第一種支撐方式組合由于都是吊架且生根到頂部結構,在豎直方向都是往上收縮,在水平方向也可以跟著管道的收縮而移動。由于這種位移的同向性和可跟隨性,使得對管道柔性要求不是很苛刻,但也存在兩個方面的缺點:其一是對地震會比較敏感,需要從結構上考慮增加構件,以加強對換熱器的水平約束,從而保證換熱器的穩定性;其二是設備的重量會全部作用到換熱器冷箱頂部結構,再加上熱端管道重量,使得頂部鋼結構受力很大,從而導致要選用較大的截面型鋼,同時由于受力點比較高,鋼結構的不穩定性也會增加。

第二種支撐方式組合的過冷器是吊到頂部結構,換熱器是中間固定到通梁上,這樣勢必會導致在豎直方向由于支撐點的高度差產生位移差,且換熱器是固定的,盡管過冷器可以轉動,但考慮其他管道的約束和珠光砂的阻尼作用,連接過冷器和換熱器的管道支管需要有很好的柔性,特別是與遠端換熱器相連的支管。可以看出這種支撐組合方式位移的同向性和可跟隨性不是很好,使得配管時需要考慮更多的柔性,對空間要求也比較高。但也有其優點,相比于第一種組合方式,由于換熱器有支耳固定在冷箱中部的通梁上,其抗震性和結構受力均比較好。

在項目執行中,可根據實際情況對兩種方式進行選擇。

2.4 換熱器冷箱運輸

一般現場施工條件比較差、安裝工人水平參差不齊,而換熱器冷箱又包含較多的換熱器等敏感設備,因此為保證裝置的安裝質量,會考慮在國內工廠把冷箱內的設備、管道及支架等都安裝好,然后運到施工現場。為避免在運輸時對換熱器冷箱內設備和管道造成破壞,在配管時需要考慮增加合理的運輸支架,而應力分析也需要根據項目實際情況考慮海運、陸運及現場起吊等運輸工況。

3 部分重要管道及閥門布置

換熱器本體的進氣口盡量布置于封頭中間,否則會造成換熱通道內氣流分布不均,影響換熱效果;出氣口位置可以偏置,但最好也放在封頭中間,否則應及時將信息反饋給設備設計廠家。

在完成設備布置后,可以開始管道設計。在建立管道模型前最好先熟悉工藝流程圖(PID),明確主要工藝管線的大致走向、閥門的初步位置、主冷箱及冷箱外圍管道連接的大致位置。

換熱器冷箱管道設計一般應遵循“先大管后小管,先高壓后低壓,先閥門/設備后管道”這幾個原則。

多組換熱器的管道布置,對稱的管道布置是最好的,如果不能實現或者說這樣做會增加冷箱的大小,則管道走向可以采用U型且進入換熱器的彎頭數量及彎頭角度也須保持一致。從熱力學的角度看,其他形式的配管會影響換熱器的換熱效果(可能會產生偏流),冷箱內管道應呈U字型對稱布置;對于多組換熱器,選擇其中的一組布置,完成后拷貝到其他組,然后把各個部分連接起來,這樣會大大提高管道的布置速度,而且不容易出錯[2]。

但支管接入主管的順序應該是使冷端熱端均保持一致,否則會出現偏流及熱交換不均等情況。

換熱器冷端的管道一般依靠自身承重到設備上,如果經應力計算需要增加支架的,可以在換熱器上就近的合適位置貼板,用做支架生根;盡量對稱布置;液體管道需要設置3°左右的坡度;進下塔的空氣管道應設置高點,防止液空回流,具體數據需要流程確認。

換熱器熱端管道布置相對比較復雜,優先考慮該部分管道對整個設計比較有利的布置方式;預先考慮管道支撐,預留管道支架空間,進行統籌設計。

進下塔的空氣管道應設置高點,防止液空回流,具體數據需要流程確認。

由于空間的考慮,氣體及液體膨脹機布置在換熱器冷箱側,其中氣體膨脹機進出口管道管徑較大,需要更多的空間所以布置在過冷器附近,液體膨脹機管道壓力高、壁層厚有比較高的柔性要求,從高壓換熱器出來后需要比較大的膨脹彎,所以考慮布置在遠離高壓換熱器的低壓換熱器旁,這樣氣體、液體膨脹機之間也保留了足夠的檢修空間,也更利于膨脹機體身公用工程的配管。

過冷器與高壓換熱器之間需要保持較大的空間,用于布置主空氣管、膨脹機旁通管道及閥門以及氣體膨脹機出口匯集至主空氣管,該管道尺寸一般為DN600,膨脹機出口后基于柔性的考慮豎直方向做膨脹彎,之后并入主空氣管進入下塔底部參與精餾。

膨脹機對進出口管道及旁通管道的應力條件比較苛刻,有較大的柔性需求,所以在管道設計時應預留適當的調整空間。在完成膨脹機進出口管道概念設計后,應提供給應力計算工程師粗算看柔性是否足夠。

膨脹機旁通閥一般采用高壓截流閥,節流至下塔(PC)的壓力,閥門前后壓力變化較大,考慮到節流后的作用反力,閥后需要安裝一個加強型固定架。節流后需保證>1 m的直管段(厚壁直管)和加厚的彎頭,以減小節流后的流體對彎頭內壁的沖擊,之后可用薄壁的管道。

4 結 論

隨著空分冷箱規模的不斷增大,冷箱內合理的設備布置及管道的優化設計已成為滿足裝置工藝要求及提高冷箱安全性、經濟性的有效手段,同時也是配管設計人員的一項長期任務。