空冷器的设备及管道布置

郑志伟 朱大亮 王 辉 车春媚 中国石油工程建设公司华东设计分公司 青岛 266071

空冷器是石油化工行业一种常用的冷换设备，其设备布置和管道布置除了应满足冷换设备的一般规定外，有其自身的特点和要求。空冷器是以空气作为冷却介质，强迫空气通过传热管外面的翅片以冷却管内介质的间壁式换热器，可用作冷却器和冷凝器。与水冷相比，空冷器可节省大量冷却用水，减少工业地区的水污染，降低工厂投资和维修费用。特别在缺水地区，以空冷代替水冷，可以缓和水源不足的矛盾。空冷器在石油化工行业的应用越来越广泛，掌握空冷器的设备、管道布置及其应力计算也变得尤为重要。

1 空冷器布置

1.1 空冷器布置的基本要求

空冷器宜集中布置在管廊或构架顶层。在工艺设计过程中，当进行空冷设备选型时，应考虑设备布置的合理性。空冷器的选型应首先考虑将空冷器布置在管廊或构架上的尺寸要求。为使布置合理，水平式空冷器建议采用管束长度为12m、9m、6m三种，斜顶式空冷器建议采用管束长度为6m，配合空冷器的构架结构尺寸为11.5m×6m、8.7m×6m、5.7m×6m，这样管廊尺寸可以定为11.5m、8.7m、5.7m。同时空冷器布置时应考虑到其管道布置的特殊要求，对于分馏塔顶到空冷器的油气管道，应步步低布置，不应出现U形弯，管道要尽量短，并且在进行竖面布置时要合理确定从分馏塔顶到空冷器再到冷换构架的高差。当空冷器出入口没有阀门控制或为两相流时，管道必须对称布置，使各组空冷器流量均匀。在空冷器布置时要适当规划管道，在保证空冷器进出口各总管对称的前提下确定空冷器相对于塔或后冷的平面位置。

1.2 空冷器布置应避免热风循环

空冷器是利用空气冷却管内介质的冷换设备，空冷器入口处的空气温度对其工作性能有很大影响，如果空冷器布置不当，会造成空冷器入口气温高于环境气温，使传热温差减少而降低传热能力。特别是在夏季，若出现这一情况，空冷器的冷却效果将会受到很大的影响。空冷器入口气温高于环境气温，有两方面原因:一是空冷器距某些高温设备太近，吸进了高温气流;二是空冷器排出的热风，其中一部分又被风机抽回空冷器，称之为热风再循环。其中，避免热风循环对空冷器的布置尤为重要［1］。

为了减少或避免受温度较高设备的影响，空冷器应布置在装置全年最小频率风向的下风向。

热风循环严重影响空冷器的传热性能。在某些情况下，由于热风循环的影响，空冷器的进口处空气温度可能会增加5℃，从而使对数平均温差为15℃的空冷器降低传热量30%。为了减少或避免热风循环，在布置空冷器时应根据夏季主要风向合理地进行全装置的布置。在布置平面时应注意:在空冷器的全年最小频率风向上风侧20～25m范围不应有高于空冷器的建筑物、构筑物或大型设备，以免阻碍空冷器的通风，造成热风循环。另外，低温流体的空冷器应布置在上风向，防止高温流体空冷器的出口热风又被吹到下风向的空冷器，造成热风循环。如上述情况难以避免，应与工艺专业协商，将空冷器空气端设计温度提高1.5～4.0℃。为防止热风循环，空冷器的典型布置方式有以下几种类型:

(1)多台空冷器应布置在一起，其间不留间隙。

(2)多组同类型空冷器若受条件限制不能一起布置时，多组空冷器应布置在同一高度，或采取其它防止热风循环的措施。

(3)引风式空冷器与鼓风式空冷器不宜混合布置，须混合布置时，应使引风式空冷器的管束同鼓风式空冷器的风扇标高基本平齐，见图1。另外，应将引风式空冷器布置在鼓风式空冷器的全年最小频率风向的下风侧。

图1 引风式空冷器与鼓风式空冷器的混合布置

(4)斜顶式空冷器通风面不应对着夏季的主导风向，斜顶式空冷器宜成列布置，若成排布置，两排中间应有不小于3m的空间，中间的空隙应敷设大面积的隔风钢平台。

1.3 空冷器布置的其他要求

(1)空冷器不宜布置在操作温度等于或高于自燃点、操作温度等于或高于250℃的可燃液体设备、输送或储存液化烃的设备上方，否则应采用非燃烧材料的隔板隔离保护。另外，为防止空冷器腐蚀、结垢及着火，布置时注意在上风向处不要有腐蚀性气体、粉尘及油气排出。

(2)空冷器与加热炉之间的距离及空冷器与变电所、配电室、仪表控制室等建筑物的间距应符合《石油化工企业设计防火规范》的规定。

(3)布置空冷器时，应考虑地面上检修空冷器的机具的回旋空间及通道，在布置空冷器的管廊或构架的一侧地面，应留有检修场地和通道。

2 空冷器的管道布置

空冷器的管道布置，除要满足管道布置的一般规定，做到安全可靠、经济合理、满足施工、操作、维修等方面的要求，并力求整齐美观外，还有空冷器管道布置本身的特点。空冷器的管道布置，最主要的就是“对称”，即保证各组空冷器流量均匀。同时，在分支前的主管应有一定长度的直管能够等量分配流量。根据工艺包商及工艺专业的技术要求进行管道布置，具体见图2和图3。另外，为减少盲端腐蚀，在空间允许的情况下，集合管两端应采用弯头连接，而不应采用三通加管帽的形式。

图2 空冷器典型配管图a

图3 空冷器典型配管图b

气液两相流管道布置是空冷器管道设计中经常遇到的。气液两相流具有单相流动所不存在的许多复杂因素，气液两相流管道布置也有其特殊的要求，配管不当就会引起管道严重振动，导致管道和设备破坏。在气液两相流管道布置时应避免形成液袋或气袋。若配管时形成液袋，则液体会在低点积聚，当介质流动速度过低时，有可能充满低点管子，接下来后面的气体则会把低点所积聚的液体推走，而后又会有液体在低点积聚，气体再把液体推走，如此反复，最后形成柱状流。这种情况下气体以比液体平均速度大得多的速度推着液体流动，碰撞回弯管件，形成激振力，从而引起管道的严重振动。另外，应将异径管置于水平管段，若置于立管，由于扩径介质流速下降，在立管就会形成柱状流，引起管道振动。由于气液两相流态的复杂性，对管道和设备可能带来振动和疲劳破坏，所以在空冷器两相流管道布置时，按照图3所示进行管道布置，确保生产装置的安全运行［2］。

空冷器的配套服务管道包括消防蒸汽、吹扫用管道及放凝管道，这些管道的主管一般都是DN40或DN50的小管，其规划应从全局考虑，使其便于操作，安全合理。空冷器操作平台上设置的消防蒸汽及吹扫接头，其设置位置应有利于操作人员的安全迅速接近。蒸汽主管及吹扫主管应布置在平台外侧，且尽量靠近空冷器平台，一般应保证与空冷器平台的水平距离不超过450mm。消防蒸汽及吹扫管道应在各层设置快速接头，其接头应设在易于接近的地方，但接头不应伸向空冷构架内，而应使其接头平行于平台栏杆方向，保证安全操作。同时，接头上的阀门应安装在水平管道上，接头应高于上栏杆顶面200mm。

空冷器构架一般采用“门”形结构，用以支撑进出口管道。靠近空冷器管箱侧的立柱可以直接从空冷器本身构架上起柱子，这种情况需要由厂家设计构架;也可以从空冷器构架外约500mm处另起柱子，此时一般由结构专业设计支架。为操作和检修方便，在整个空冷器构架四周均设置平台，其平台大小可根据具体管道布置情况确定。对于单管程空冷器，管箱两侧均应设置宽度为800～1000mm的操作和检修用平台;对双管程空冷器，进出管口的管箱侧应设置宽度为1000～1200mm的平台，另一侧设置宽度为800mm的平台。进出口管箱侧设阀门时，平台可适当加宽。为检修及操作方便，管箱两端的平台应相互连通，连通平台的宽度最少为800mm。平台设置的高度一般低于管箱底面约600～800mm，应保证能操作到空冷器进口管道上的阀门。整个空冷器构架平台应设置不少于两个通往地面的梯子，在空间允许的情况下最好采用45°斜梯。同时，应注意空冷器构架平台与其邻近的构架平台的通道连接。空冷器入口管道一般较高，如距离较长，往往需在中间设置专门的管架以支撑管道，在管道布置时应同时考虑大型支架的生根位置，在设置支撑时，应注意不影响管束的检修，且在空冷器构架受力允许范围内。

3 空冷器管道应力计算

空冷器的管嘴不能承受过大的应力，否则容易发生泄漏。作用在管嘴上的管道和管束的热胀应力之和不得超过制造厂规定的应力范围。当制造厂未提供允许值时，可按API661的2倍值进行管道应力计算。如管嘴受力或力矩超过允许值，则必须考虑增加管系的柔性。在进行空冷器管道应力计算时，管嘴附加位移是空冷器进出口管道应力分析非常重要的边界条件，缺少该条件，管道应力分析结果将会与实际情况不符，失去应力分析的意义。

管嘴附加位移的获得有两种手段:一是设计院要求空冷器厂家提供的技术协议中包括空冷器管嘴的受力要求及空冷器管嘴的附加位移，二是根据空冷器的结构形式由设计者计算管嘴的附加位移。在设计前期空冷器的技术协议一般都不能到位，在管道应力计算时，多由设计者提供空冷器管嘴附加位移。在计算管嘴附加位移时，正确合理的确定空冷器的固定点是关键。根据相关文献的介绍，管箱的一段浮动时，可减少管束的变形，应按照空冷器安装规范施工，保证浮动端无约束［3］。另外，根据相关文献中关于空冷器管束安装要求的介绍可知，管束在构架上就位后，要松开活动管箱和构架侧梁之间的连接螺栓，即管束上存在活动端。同时，根据空冷器管束操作的注意事项可知，在开车前应将浮动管箱两端的紧定螺钉卸掉，保证浮动管箱在运行过程中可自由移动，以补偿翅片管热胀冷缩的变形量［4］。通过分析可知，为适应管束的热膨胀，空冷器一端管箱不固定，容许沿管子长度方向自由移动，空冷器固定端与滑动端的位置见图4。

图4 空气冷却器基本结构图

由分析及图4可知，在计算管嘴附加位移时，应该将空冷器入口处作为管箱长度方向上的固定点，其余两个方向均以空冷器中心点为固定点。即对于双管程空冷器，进出口沿管道长度方向的附加位移为零;对于单管程空冷器，进口的附加位移为零，而出口的附加位移应根据管箱内介质的平均温度及管箱长度，计算管嘴的热位移。这一结论与某些文献中给出的固定点有较大出入。建议根据厂家已经给出附加位移的空冷器为例，比较两种计算方法的结果与厂家给出附加位移的差值，以确定正确的空冷器固定点。

4 结语

(1)空冷器的设备布置除了要按照流程布置并遵循防火规范的相关要求外，最主要的是保证空冷器的入口处的空气温度不高于环境温度。热风循环是影响空冷器空气入口温度的主要因素，在布置空冷器时应尽量避免热风循环。

(2)空冷器的管道布置主要应考虑工艺管道的布置及其附属公用工程管道和构架平台的设计。两相流管道的布置是空冷器管道设计的核心和难点，应根据工艺包商及工艺专业的技术要求来进行设计，在合理规划管道的前提下确定构架平台高度，便于操作和检修。

(3)管嘴附加位移是空冷器进出口管道应力分析非常重要的边界条件，而固定点的选取是计算管嘴附加位移的关键。本文详细介绍的固定点的选取原则，为应力计算提供较为准确的边界条件，使应力计算结果更接近实际。

1 李 诚.浅谈空气冷却器在化工领域中的应用［J］.化工设备与管道，2002，5(39):22－23.

2 刘卫坤.煤制合成气气液两相流管道布置探讨［J］.化工设计通讯，2006，32(3):42－43.

3 樊玉光，赵志杰，季宇明.加氢装置空冷器管束变形分析及防止［J］.石油化工设备，2000，29(6):47－49.

4 章湘武，姚志东.空冷器技术问答［M］.中国石化出版社，2007:68－83.