大型空分装置换热器冷箱管道布置论述

周海如,钟传锦,郭书涛

(林德亚太工程有限公司,浙江 杭州 310023)

1 前 言

随着空气分离设备在大型煤化工及炼化装置上的广泛使用,空分装置也迎来了巨大的发展机遇,逐渐向大型化、撬装化的方向转变。作为空分装置核心的冷箱,合理的设备和管道布置、准确的管道应力分析,对空分装置的安全性、经济性起到至关重要的作用。

空分冷箱是指空气分离设备的冷箱钢结构外壳,它的作用或功能是保证空分低温设备和管道的绝热保冷。空分冷箱一般由换热器冷箱、精馏冷箱以及氩冷箱组成,每个冷箱都有不同的设计要点,本文从换热器冷箱内设备布置、管道布置的特点并结合管道应力分析的影响展开论述,把换热器冷箱设计成安全高效、结构紧凑且施工方便作为最终目标。以达到有效提升管道布置实用性的目的,使得换热器冷箱空间紧凑,占地面积小。

2 换热器冷箱及内部设备布置

冷箱内换热器的定位、支撑方式及主要工艺管道通常在基本设计阶段就需要完成,然后才能确定冷箱的大小。因此在基本设计阶段,一般要求设计人员必须有丰富的设备定位及配管经验。

2.1 换热器冷箱布置

换热器冷箱与精馏冷箱/氩冷箱的空间布置是否优化合理,会直接影响整套装置的投产及运行,对管道成本(包括安装及材料成本)的影响尤其明显。同时设备及管道布置应满足国家及行业的相关标准、工艺流程及安装操作检修等要求。

换热器冷箱与精馏冷箱/氩冷箱的空间布置多以L形布置(如图1)。这种布置在空分行业冷箱设计中是较为经典的布置方式,L形布置对外围的设备布置影响较小,冷箱内外管道连接容易标准化,冷箱设备布置相对固定,空间利用率高且更利于膨胀机管道柔性要求,基本上不受冷箱大小影响,换热器冷箱与精馏/氩冷箱通过上下多个连接箱连接,连接箱的形式及数量一般根据工艺流程图(PID)来定义,一般不超过3个连接箱。

图1 冷箱内设备布置

2.2 换热器冷箱内设备布置

2.2.1换热器冷端

换热器冷箱内部一般由高压换热器、低压换热器及过冷器等组成。以某10万级大型空分为例,其换热器冷箱包含6个高压换热器,4个低压换热器和2个过冷器。换热器冷箱内部各组换热器之间一般考虑中线对称布置,但过冷器应靠近精馏冷箱,连接箱设置在此处,所有与精馏冷箱及氩冷箱相连接的管道都由此连接。所以过冷器时常(如图1)与上塔相连,管径较大,一般在DN900～DN1200,所占空间较大,所以过冷器靠近精馏冷箱,高压换热器布置在换热器冷箱的中部,低压换热器布置在最右边,冷箱内部保温距离一般约为300 mm,冷箱的型钢尺寸一般为300～350 mm,所以保证低温管道或者设备离冷箱边界有600～700 mm的距离,考虑适当的余量,换热器之间、管道与管道之间的净距离保证在100 mm左右即可,模型需考虑钢结构尺寸、珠光沙保温层尺寸(冷箱钢结构内侧距管道外壁最小距离为300 mm);原则上冷箱内的设备和冷管线不能超过最小保温层界限[1]。

但过冷器与高压换热器之间的距离要合理,用于气体液体膨胀机进出口管道及旁通管道汇集(阀门集中布置在此处)以及将来应力计算后管道柔性的调整空间。

低压板换体积比高压板换大,再加上连接到低压板换上的管子比较少,所以当高低压板换布置在一个冷箱时,低压板换之间的间距可以缩小。

每组换热器连接管道集中布置(如图1),每对换热器中间考虑T形支架用作管道支架。

过冷器放在主冷箱还是放在换热器冷箱应在投标阶段定义,多数放在换热器冷箱。

过冷器的支撑形式有多种,可以用不锈钢结构支撑在地面上,也可以用不锈钢吊杆吊在冷箱顶部,支撑形式影响冷箱的大小,应综合应力计算、过冷器数量和地震烈度与钢结构工程师一起讨论决定。

高度方向主要考虑过冷器底部低压塔出来的GAN和污氮管道底部距地面最小留有400 mm的保温距离(如图2),过冷器高度也是由此定义的,因换热器顶部基本属于热区域,所以换热器顶部管嘴离顶部结构保证300 mm左右的净空即可。

图2 冷箱内基础

对于多个过冷器的汇集形式,对称布置是首选。但如果因此要增加冷箱尺寸,则采用U型布置,对于气体介质的管道则必须考虑U型布置。而对于流体介质的管道则应与流程工程师讨论确定,Z型布置管道也是一种选项。

对于单个过冷器,管口可以放在过冷器的前端,这样可以节省空间及减小冷箱的尺寸,但这些须与设备工程师讨论后决定。

2.2.2换热器热端

顶部热端管道的汇集一般在冷箱外进行,顶部管道遵循的基本原则为“高大低小”,管径越大,应该布置在最顶部,然后可参照管道尺寸大小顺序布置下来,但不是越高越好,考虑风载以及地震载荷、结构尺寸及经济性,一般最大管径的顶部距换热器冷箱顶表面不超过8.5 m。

污氮及气氮管道一般在DN1200～DN2000,常布置在顶部,因为管道管径较大时载荷较大,空间限制支管也难做柔性弯,为减少换热器管口的载荷并考虑换热器在运行时会有一定量的收缩,所以支架设计一般采用弹簧支架。

其它主管为DN500以下的管道,均通过支管做柔性弯吸收换热器运行时的位移,若应力计算无要求,支架一般不考虑弹簧支架。

但从分子筛到换热器冷箱的主原料气管,考虑到检维修及节省顶部空间,一般布置在侧面。需要在管路下方留有一定的空间,考虑弹簧支架,该管的应力分析必须从分子筛结合主换热器冷箱内管道一起进行,为隔绝外部管道对冷箱区域的影响,在分子筛与换热器冷箱分界处的常规支架一般会设置无力矩约束固定架。

综上,换热冷箱的长宽高基本可以确定,后期可以跟据流程参数及应力计算适当的调整整体尺寸,以节省总体材料用量及现场施工费用。

2.3 换热器冷箱内设备支撑方式

换热器冷箱内设备的支撑方式对配管柔性的考虑、设备安装难度都会有很大的影响。目前主流的支撑方式组合有两种:一种是过冷器、高低压换热器均吊在冷箱顶部的结构上,如图3;另一种是过冷器吊杆生根到顶部结构,高低压换热器通过支耳固定到一通梁上,如图4。

图3 换热器悬吊在冷箱顶部

图4 换热器支撑在梁上面

第一种支撑方式组合由于都是吊架且生根到顶部结构,在竖直方向都是往上收缩,在水平方向也可以跟着管道的收缩而移动。由于这种位移的同向性和可跟随性,使得对管道柔性要求不是很苛刻,但也存在两个方面的缺点:其一是对地震会比较敏感,需要从结构上考虑增加构件,以加强对换热器的水平约束,从而保证换热器的稳定性;其二是设备的重量会全部作用到换热器冷箱顶部结构,再加上热端管道重量,使得顶部钢结构受力很大,从而导致要选用较大的截面型钢,同时由于受力点比较高,钢结构的不稳定性也会增加。

第二种支撑方式组合的过冷器是吊到顶部结构,换热器是中间固定到通梁上,这样势必会导致在竖直方向由于支撑点的高度差产生位移差,且换热器是固定的,尽管过冷器可以转动,但考虑其他管道的约束和珠光砂的阻尼作用,连接过冷器和换热器的管道支管需要有很好的柔性,特别是与远端换热器相连的支管。可以看出这种支撑组合方式位移的同向性和可跟随性不是很好,使得配管时需要考虑更多的柔性,对空间要求也比较高。但也有其优点,相比于第一种组合方式,由于换热器有支耳固定在冷箱中部的通梁上,其抗震性和结构受力均比较好。

在项目执行中,可根据实际情况对两种方式进行选择。

2.4 换热器冷箱运输

一般现场施工条件比较差、安装工人水平参差不齐,而换热器冷箱又包含较多的换热器等敏感设备,因此为保证装置的安装质量,会考虑在国内工厂把冷箱内的设备、管道及支架等都安装好,然后运到施工现场。为避免在运输时对换热器冷箱内设备和管道造成破坏,在配管时需要考虑增加合理的运输支架,而应力分析也需要根据项目实际情况考虑海运、陆运及现场起吊等运输工况。

3 部分重要管道及阀门布置

换热器本体的进气口尽量布置于封头中间,否则会造成换热通道内气流分布不均,影响换热效果;出气口位置可以偏置,但最好也放在封头中间,否则应及时将信息反馈给设备设计厂家。

在完成设备布置后,可以开始管道设计。在建立管道模型前最好先熟悉工艺流程图(PID),明确主要工艺管线的大致走向、阀门的初步位置、主冷箱及冷箱外围管道连接的大致位置。

换热器冷箱管道设计一般应遵循“先大管后小管,先高压后低压,先阀门/设备后管道”这几个原则。

多组换热器的管道布置,对称的管道布置是最好的,如果不能实现或者说这样做会增加冷箱的大小,则管道走向可以采用U型且进入换热器的弯头数量及弯头角度也须保持一致。从热力学的角度看,其他形式的配管会影响换热器的换热效果(可能会产生偏流),冷箱内管道应呈U字型对称布置;对于多组换热器,选择其中的一组布置,完成后拷贝到其他组,然后把各个部分连接起来,这样会大大提高管道的布置速度,而且不容易出错[2]。

但支管接入主管的顺序应该是使冷端热端均保持一致,否则会出现偏流及热交换不均等情况。

换热器冷端的管道一般依靠自身承重到设备上,如果经应力计算需要增加支架的,可以在换热器上就近的合适位置贴板,用做支架生根;尽量对称布置;液体管道需要设置3°左右的坡度;进下塔的空气管道应设置高点,防止液空回流,具体数据需要流程确认。

换热器热端管道布置相对比较复杂,优先考虑该部分管道对整个设计比较有利的布置方式;预先考虑管道支撑,预留管道支架空间,进行统筹设计。

进下塔的空气管道应设置高点,防止液空回流,具体数据需要流程确认。

由于空间的考虑,气体及液体膨胀机布置在换热器冷箱侧,其中气体膨胀机进出口管道管径较大,需要更多的空间所以布置在过冷器附近,液体膨胀机管道压力高、壁层厚有比较高的柔性要求,从高压换热器出来后需要比较大的膨胀弯,所以考虑布置在远离高压换热器的低压换热器旁,这样气体、液体膨胀机之间也保留了足够的检修空间,也更利于膨胀机体身公用工程的配管。

过冷器与高压换热器之间需要保持较大的空间,用于布置主空气管、膨胀机旁通管道及阀门以及气体膨胀机出口汇集至主空气管,该管道尺寸一般为DN600,膨胀机出口后基于柔性的考虑竖直方向做膨胀弯,之后并入主空气管进入下塔底部参与精馏。

膨胀机对进出口管道及旁通管道的应力条件比较苛刻,有较大的柔性需求,所以在管道设计时应预留适当的调整空间。在完成膨胀机进出口管道概念设计后,应提供给应力计算工程师粗算看柔性是否足够。

膨胀机旁通阀一般采用高压截流阀,节流至下塔(PC)的压力,阀门前后压力变化较大,考虑到节流后的作用反力,阀后需要安装一个加强型固定架。节流后需保证>1 m的直管段(厚壁直管)和加厚的弯头,以减小节流后的流体对弯头内壁的冲击,之后可用薄壁的管道。

4 结 论

随着空分冷箱规模的不断增大,冷箱内合理的设备布置及管道的优化设计已成为满足装置工艺要求及提高冷箱安全性、经济性的有效手段,同时也是配管设计人员的一项长期任务。