化工类空冷器的设备布置及管道布置设计研究

张 军

(华陆工程科技有限责任公司，陕西西安 710065)

对于石油化工行业而言，空冷器是一种常见的设备，该种设备主要对介质进行换冷使用，在对其进行设计安装的过程中，除了需要满足介质的换冷需求以外，还具有一定的特点和要求，与传统的水冷设备相比，空冷器的使用可以节约大量的水资源，同时，可以避免水资源的污染问题，目前，空冷器已经得到了大面积的推广和使用[1]。对于空冷器的安装设计问题，如果设计不当，不但会使得介质换冷效率大大降低，同时，还会引发一定的安全事故，因此，十分有必要对空冷器及其配管的安装及设计进行研究，并对管道进行应力计算和校核。

1 空冷器布置

1.1 空冷器布置的基本要求

一般情况下，空冷器最好安装在化工企业的管廊内，在进行布置设计的过程中，首先需要对设备进行计算选型，从而满足日常生产的需求，同时，空冷器的选择也需要考虑化工企业内管廊的尺寸[2]。为了使得空冷器布置符合相关要求，对于水平式的空冷器而言，其配管的长度推荐使用12 m、9 m、6 m三种型号；对于斜顶式的空冷器而言，其配管长度推荐使用6 m的型号。对于空冷器的管道架构而言，推荐使用11.5 m×6 m、8.7 m×6 m、5.7 m×6 m三种型号，此时所对应的管廊长度分别为11.5 m、8.7 m、5.7 m。在另一方面，在对空冷器进行布置设计时，也需要考虑管道的走势，尽可能降低管道的高度，即进行低管配置，尽可能避免出现管道U形弯状况，管道的长度应尽可能缩短。如果空冷器需要对两相流进行换冷处理，或者设备出口部位没有专门的阀门，则对管道进行设计安装时，应尽可能做到管道平行对称，从而使得设备出口位置处的流量可以达到均匀[3]。

1.2 空冷器布置应避免热风循环

空冷器在使用的过程中，主要是通过外界空气来对内部的介质进行换冷，因此，该设备入口位置处外界空气的温度会对其日常工作产生较大的影响，如果该设备的布置安装出现问题，导致设备入口处的温度高于周围环境的温度，则会使得设备的工作效率大大降低，如果设备需要在夏季工作，则出现该问题所导致的后果将更加严重[4]。引起该问题的原因主要有两点：(1)空冷器设备与工厂内高温设备的距离相对较近，导致该设备运行过程中吸收了大量的高温气体；(2)空冷器设备在运行的过程中，其出口将会排出一定量的热量，如果部分热量被吸回设备，也会导致该问题出现，这种现象可以称为热量循环，一般情况下，应尽可能避免该问题。

为了降低空冷器受到其它设备的影响，在进行设备布置的过程中，应尽可能将其安装在下风向的位置。对于热量循环问题，经过实验研究发现，如果出现该问题，则设备入口处的温度将会升高5 ℃，从而使得空冷器内外温差达到15 ℃，空冷器的工作效率将会降低30%，因此，避免热量循环问题更为关键，为了防止出现该问题，空冷器的布置还需要考虑夏季的风向问题。在进行布置的过程中，在空冷器上风向20 m～25 m的范围内，应尽可能不出现大型设备，从而防止影响空冷器的通风问题，一般通风问题解决，就不会出现热量循环问题。另一方面，如果空冷器需要处理低温介质，则空冷器应尽可能安装在上风向的位置，进一步避免出现热量循环问题。如果上述要求都无法被满足，则在进行空冷器设计安装的过程中，需要专业人员的参与，同时，需要将设备的设计温度提高1.5 ℃～4.0 ℃。在进行空冷器布置的过程中，还需要满足三点要求：(1)如果需要多台设备配合使用，则设备之间不能存在间隙；(2)如果多台设备无法被同时放置在同一位置，则应尽可能保证多台设备处于同一高度；(3)不同类型的空冷器不能进行混合布置，如果必须进行混合布置，则不同类型空冷器的管束或风扇应保证平齐，图1为不同类型空冷器的布置示意图。

图1 不同类型空冷器的混合布置示意图Fig.1 Mixed layout schematics of different types of air cooler

2 空冷器的管道布置

对于空冷器管道的设计布置问题，除了需要满足管道的基本布置要求以外，还应尽可能使其经济可靠。同时，还需要满足一定的维修、操作及日常维护需求。空冷器管道的布置也具有一定的特点，首先，管道应尽可能保持对齐，从而使得多组设备之间的流量可能达到均匀的目的[5]；其次，在空冷器分支管道的前方必须设计一定长度的主管道，从而实现流量均匀分配的目的；最后，为了防止管道的盲段位置处出现腐蚀问题，则管道与管道之间应尽可能使用弯头进行连接。图2和图3即为常见的空冷器管道布置示意图。

图2 空冷器典型管道设计示意图Fig.2 Drawing of typical pipeline design for air cooler

图3 空冷器典型管道设计示意图Fig.3 Drawing of typical pipeline design for air cooler

一般情况下，空冷器的管道架构都是采用的“门”型框架，从而达到管道支撑的目的。如果管道的距离相对较短，则可以使用空冷器作为支架，但是，这种情况需要根据空冷器的基本结构而定。如果管道的距离相对较长，则第一个管道支架与设备之间的距离不得小于500 mm，同时，支架的设计需要专业人员来进行。为了使得管道方便检修和维护，在其框架的周围必须安装专门的平台，平台的大小需要根据工厂的实际情况确定。如果工厂内采用的是单管程型的空冷器，则框架周围检修平台的宽度应保持在800 mm～1 000 mm之间；如果工厂内采用的是双管程型的空冷器，则框架周围管箱进出口部位的检修平台宽度应保持在1 000 mm～1 200 mm之间，其它位置检修平台宽度应保持在800 mm左右，同时，管箱进出口部位应安装专门的阀门。在另一方面，为了使得管道阀门方便被检修，则管箱周围的检修平台应处于连通状态，平台之间的连接宽度应大于800 mm[6]。一般情况下，检修平台的高度应低于管道高度，从而使得工作人员更方便操作管道及其阀门，检修平台的两端应安装专门的梯子，如果工厂内有较大的空间，则最好选择使用45°的斜梯。在另一方面，由于空冷器设备入口部位的管道相对较高，所以，在入口管道相对较长的情况下，应设计专门的支架进行管道支撑，在设计支架的过程中，应避免支架影响管道的整体检修，同时其应力也应符合相关要求。

3 空冷器管道应力计算

一般情况下，空冷器的管嘴位置处最容易出现泄漏问题，因此，该位置处的应力需要专门的计算，其热胀应力不得超过设备出厂时的应力要求，如果设备制造商没有对其进行应力测试，则管道应力可以按照API661标准的2倍值进行计算。如果管嘴位置处的应力计算值超过了相关要求，则必须增加管道的柔性。管道应力的计算主要包括三个方面，分别是管道的环向应力、轴向应力以及温度应力，每项应力计算值都必须满足相应的标准要求，每种应力的计算公式如下所示。

(1)管道的环向应力：

式中：p——管道内流体介质的压力，MPa；d——空冷器管道的内径，mm；δ——空冷器管道的壁厚，mm。

(2)管道的轴向应力：

σa=Ea(t0-t1)+μσn

式中：σa——空冷器管道轴向应力的计算值，MPa；E——空冷器管道所选钢材的弹性模量：a——空冷器管道所选钢材的膨胀系数：t0——空冷器管道的安装温度，℃；t1——空冷器管道的工作温度，℃；σn——空冷器管道的环向应力，MPa；μ——空冷器管道的泊松比，取0.3。

(3)管道的温度应力：

σt=αEΔt

式中：α——空冷器管道所选管材的膨胀系数，一般取1.2×10-5/℃；E——空冷器管道所选管材的弹性系数，一般取2.06×105MPa；Δt——空冷器管道工作温度与施工温度之差，℃。

当管嘴位置处应力计算不满足要求时，需要通过附加位移的方式来增加管道的柔性，附加位移的方法主要有两种，首先可以根据设计院的计算结果，要求空冷器的生产单位在生产的过程中在管嘴位置处增加一定的位移；其次可以根据设备的结构，根据计算结果自行增加位移。一般情况下，空冷器的生产单位并不会根据用于需求进行特别的调整，所以大多数情况下需要使用者根据应力计算结果进行自行增加位移。在自行增加位移的过程中，如何确定设备固定点的位置是一项关键问题。一般情况下，管箱都会存在浮动问题，这样可以降低管道的变形问题，此外，对管道进行安装的过程中，管道吊装到制定位置以后，需要将管箱与框架之间的螺栓松开，从而管道在上方位置出现活动空间，同时，在空冷器开始工作以后，也需要将管箱两端位置处的铆钉松开，从而使得管箱在工作的过程中可以自动活动，从而防止管道热胀冷缩出现变形问题。由以上分析可以发现，空冷器的管箱即处于一段固定另一端活动的状态，因此，空冷器的基本结构如图4所示。

图4 空冷器基本结构图Fig.4 Basic structure chart of air cooler

通过图4可以发现，在对管嘴位置进行附加位移计算的过程中，空冷器的入口位置方向可以将管箱看作是设备的固定点，其它方向均可将空冷器设备的中点看作是设备的固定点，这就解决了固定点的寻找问题。不同类型设备固定点的选择可能会出现一定的误差，在实际生产的过程中，可根据研究所提出的固定点位置，对管道的附加位移进行计算，并将计算结果与厂家所提供的结果进行对比，反向确定固定点的准确位置。

4 结论

综上所述，化工企业内空冷器及其管道的布置设计十分重要，不但影响空冷器的使用效率，还将会对空冷器的使用安全产生一定的影响。研究发现，在对空冷器的配管长度进行选择时，应根据空冷器类型的不同进行合理的选择，同时，在空冷器上风向20 m～25 m的范围内，应尽可能不出现大型设备，从而防止影响空冷器的通风问题，其次，空冷器管道支架与空冷器设备之间的距离不易过短，应尽可能大于500 mm，在管道设计完成以后，需要对管道进行应力校核，以此保障管道符合安全性的要求。