空冷器的設備及管道布置

鄭志偉 朱大亮 王 輝 車春媚 中國石油工程建設公司華東設計分公司 青島 266071

空冷器是石油化工行業一種常用的冷換設備，其設備布置和管道布置除了應滿足冷換設備的一般規定外，有其自身的特點和要求。空冷器是以空氣作為冷卻介質，強迫空氣通過傳熱管外面的翅片以冷卻管內介質的間壁式換熱器，可用作冷卻器和冷凝器。與水冷相比，空冷器可節省大量冷卻用水，減少工業地區的水污染，降低工廠投資和維修費用。特別在缺水地區，以空冷代替水冷，可以緩和水源不足的矛盾。空冷器在石油化工行業的應用越來越廣泛，掌握空冷器的設備、管道布置及其應力計算也變得尤為重要。

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構架頂層。在工藝設計過程中，當進行空冷設備選型時，應考慮設備布置的合理性。空冷器的選型應首先考慮將空冷器布置在管廊或構架上的尺寸要求。為使布置合理，水平式空冷器建議采用管束長度為12m、9m、6m三種，斜頂式空冷器建議采用管束長度為6m，配合空冷器的構架結構尺寸為11.5m×6m、8.7m×6m、5.7m×6m，這樣管廊尺寸可以定為11.5m、8.7m、5.7m。同時空冷器布置時應考慮到其管道布置的特殊要求，對于分餾塔頂到空冷器的油氣管道，應步步低布置，不應出現U形彎，管道要盡量短，并且在進行豎面布置時要合理確定從分餾塔頂到空冷器再到冷換構架的高差。當空冷器出入口沒有閥門控制或為兩相流時，管道必須對稱布置，使各組空冷器流量均勻。在空冷器布置時要適當規劃管道，在保證空冷器進出口各總管對稱的前提下確定空冷器相對于塔或后冷的平面位置。

1.2 空冷器布置應避免熱風循環

空冷器是利用空氣冷卻管內介質的冷換設備，空冷器入口處的空氣溫度對其工作性能有很大影響，如果空冷器布置不當，會造成空冷器入口氣溫高于環境氣溫，使傳熱溫差減少而降低傳熱能力。特別是在夏季，若出現這一情況，空冷器的冷卻效果將會受到很大的影響。空冷器入口氣溫高于環境氣溫，有兩方面原因:一是空冷器距某些高溫設備太近，吸進了高溫氣流;二是空冷器排出的熱風，其中一部分又被風機抽回空冷器，稱之為熱風再循環。其中，避免熱風循環對空冷器的布置尤為重要［1］。

為了減少或避免受溫度較高設備的影響，空冷器應布置在裝置全年最小頻率風向的下風向。

熱風循環嚴重影響空冷器的傳熱性能。在某些情況下，由于熱風循環的影響，空冷器的進口處空氣溫度可能會增加5℃，從而使對數平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%。為了減少或避免熱風循環，在布置空冷器時應根據夏季主要風向合理地進行全裝置的布置。在布置平面時應注意:在空冷器的全年最小頻率風向上風側20～25m范圍不應有高于空冷器的建筑物、構筑物或大型設備，以免阻礙空冷器的通風，造成熱風循環。另外，低溫流體的空冷器應布置在上風向，防止高溫流體空冷器的出口熱風又被吹到下風向的空冷器，造成熱風循環。如上述情況難以避免，應與工藝專業協商，將空冷器空氣端設計溫度提高1.5～4.0℃。為防止熱風循環，空冷器的典型布置方式有以下幾種類型:

(1)多臺空冷器應布置在一起，其間不留間隙。

(2)多組同類型空冷器若受條件限制不能一起布置時，多組空冷器應布置在同一高度，或采取其它防止熱風循環的措施。

(3)引風式空冷器與鼓風式空冷器不宜混合布置，須混合布置時，應使引風式空冷器的管束同鼓風式空冷器的風扇標高基本平齊，見圖1。另外，應將引風式空冷器布置在鼓風式空冷器的全年最小頻率風向的下風側。

圖1 引風式空冷器與鼓風式空冷器的混合布置

(4)斜頂式空冷器通風面不應對著夏季的主導風向，斜頂式空冷器宜成列布置，若成排布置，兩排中間應有不小于3m的空間，中間的空隙應敷設大面積的隔風鋼平臺。

1.3 空冷器布置的其他要求

(1)空冷器不宜布置在操作溫度等于或高于自燃點、操作溫度等于或高于250℃的可燃液體設備、輸送或儲存液化烴的設備上方，否則應采用非燃燒材料的隔板隔離保護。另外，為防止空冷器腐蝕、結垢及著火，布置時注意在上風向處不要有腐蝕性氣體、粉塵及油氣排出。

(2)空冷器與加熱爐之間的距離及空冷器與變電所、配電室、儀表控制室等建筑物的間距應符合《石油化工企業設計防火規范》的規定。

(3)布置空冷器時，應考慮地面上檢修空冷器的機具的回旋空間及通道，在布置空冷器的管廊或構架的一側地面，應留有檢修場地和通道。

2 空冷器的管道布置

空冷器的管道布置，除要滿足管道布置的一般規定，做到安全可靠、經濟合理、滿足施工、操作、維修等方面的要求，并力求整齊美觀外，還有空冷器管道布置本身的特點。空冷器的管道布置，最主要的就是“對稱”，即保證各組空冷器流量均勻。同時，在分支前的主管應有一定長度的直管能夠等量分配流量。根據工藝包商及工藝專業的技術要求進行管道布置，具體見圖2和圖3。另外，為減少盲端腐蝕，在空間允許的情況下，集合管兩端應采用彎頭連接，而不應采用三通加管帽的形式。

圖2 空冷器典型配管圖a

圖3 空冷器典型配管圖b

氣液兩相流管道布置是空冷器管道設計中經常遇到的。氣液兩相流具有單相流動所不存在的許多復雜因素，氣液兩相流管道布置也有其特殊的要求，配管不當就會引起管道嚴重振動，導致管道和設備破壞。在氣液兩相流管道布置時應避免形成液袋或氣袋。若配管時形成液袋，則液體會在低點積聚，當介質流動速度過低時，有可能充滿低點管子，接下來后面的氣體則會把低點所積聚的液體推走，而后又會有液體在低點積聚，氣體再把液體推走，如此反復，最后形成柱狀流。這種情況下氣體以比液體平均速度大得多的速度推著液體流動，碰撞回彎管件，形成激振力，從而引起管道的嚴重振動。另外，應將異徑管置于水平管段，若置于立管，由于擴徑介質流速下降，在立管就會形成柱狀流，引起管道振動。由于氣液兩相流態的復雜性，對管道和設備可能帶來振動和疲勞破壞，所以在空冷器兩相流管道布置時，按照圖3所示進行管道布置，確保生產裝置的安全運行［2］。

空冷器的配套服務管道包括消防蒸汽、吹掃用管道及放凝管道，這些管道的主管一般都是DN40或DN50的小管，其規劃應從全局考慮，使其便于操作，安全合理。空冷器操作平臺上設置的消防蒸汽及吹掃接頭，其設置位置應有利于操作人員的安全迅速接近。蒸汽主管及吹掃主管應布置在平臺外側，且盡量靠近空冷器平臺，一般應保證與空冷器平臺的水平距離不超過450mm。消防蒸汽及吹掃管道應在各層設置快速接頭，其接頭應設在易于接近的地方，但接頭不應伸向空冷構架內，而應使其接頭平行于平臺欄桿方向，保證安全操作。同時，接頭上的閥門應安裝在水平管道上，接頭應高于上欄桿頂面200mm。

空冷器構架一般采用“門”形結構，用以支撐進出口管道。靠近空冷器管箱側的立柱可以直接從空冷器本身構架上起柱子，這種情況需要由廠家設計構架;也可以從空冷器構架外約500mm處另起柱子，此時一般由結構專業設計支架。為操作和檢修方便，在整個空冷器構架四周均設置平臺，其平臺大小可根據具體管道布置情況確定。對于單管程空冷器，管箱兩側均應設置寬度為800～1000mm的操作和檢修用平臺;對雙管程空冷器，進出管口的管箱側應設置寬度為1000～1200mm的平臺，另一側設置寬度為800mm的平臺。進出口管箱側設閥門時，平臺可適當加寬。為檢修及操作方便，管箱兩端的平臺應相互連通，連通平臺的寬度最少為800mm。平臺設置的高度一般低于管箱底面約600～800mm，應保證能操作到空冷器進口管道上的閥門。整個空冷器構架平臺應設置不少于兩個通往地面的梯子，在空間允許的情況下最好采用45°斜梯。同時，應注意空冷器構架平臺與其鄰近的構架平臺的通道連接。空冷器入口管道一般較高，如距離較長，往往需在中間設置專門的管架以支撐管道，在管道布置時應同時考慮大型支架的生根位置，在設置支撐時，應注意不影響管束的檢修，且在空冷器構架受力允許范圍內。

3 空冷器管道應力計算

空冷器的管嘴不能承受過大的應力，否則容易發生泄漏。作用在管嘴上的管道和管束的熱脹應力之和不得超過制造廠規定的應力范圍。當制造廠未提供允許值時，可按API661的2倍值進行管道應力計算。如管嘴受力或力矩超過允許值，則必須考慮增加管系的柔性。在進行空冷器管道應力計算時，管嘴附加位移是空冷器進出口管道應力分析非常重要的邊界條件，缺少該條件，管道應力分析結果將會與實際情況不符，失去應力分析的意義。

管嘴附加位移的獲得有兩種手段:一是設計院要求空冷器廠家提供的技術協議中包括空冷器管嘴的受力要求及空冷器管嘴的附加位移，二是根據空冷器的結構形式由設計者計算管嘴的附加位移。在設計前期空冷器的技術協議一般都不能到位，在管道應力計算時，多由設計者提供空冷器管嘴附加位移。在計算管嘴附加位移時，正確合理的確定空冷器的固定點是關鍵。根據相關文獻的介紹，管箱的一段浮動時，可減少管束的變形，應按照空冷器安裝規范施工，保證浮動端無約束［3］。另外，根據相關文獻中關于空冷器管束安裝要求的介紹可知，管束在構架上就位后，要松開活動管箱和構架側梁之間的連接螺栓，即管束上存在活動端。同時，根據空冷器管束操作的注意事項可知，在開車前應將浮動管箱兩端的緊定螺釘卸掉，保證浮動管箱在運行過程中可自由移動，以補償翅片管熱脹冷縮的變形量［4］。通過分析可知，為適應管束的熱膨脹，空冷器一端管箱不固定，容許沿管子長度方向自由移動，空冷器固定端與滑動端的位置見圖4。

圖4 空氣冷卻器基本結構圖

由分析及圖4可知，在計算管嘴附加位移時，應該將空冷器入口處作為管箱長度方向上的固定點，其余兩個方向均以空冷器中心點為固定點。即對于雙管程空冷器，進出口沿管道長度方向的附加位移為零;對于單管程空冷器，進口的附加位移為零，而出口的附加位移應根據管箱內介質的平均溫度及管箱長度，計算管嘴的熱位移。這一結論與某些文獻中給出的固定點有較大出入。建議根據廠家已經給出附加位移的空冷器為例，比較兩種計算方法的結果與廠家給出附加位移的差值，以確定正確的空冷器固定點。

4 結語

(1)空冷器的設備布置除了要按照流程布置并遵循防火規范的相關要求外，最主要的是保證空冷器的入口處的空氣溫度不高于環境溫度。熱風循環是影響空冷器空氣入口溫度的主要因素，在布置空冷器時應盡量避免熱風循環。

(2)空冷器的管道布置主要應考慮工藝管道的布置及其附屬公用工程管道和構架平臺的設計。兩相流管道的布置是空冷器管道設計的核心和難點，應根據工藝包商及工藝專業的技術要求來進行設計，在合理規劃管道的前提下確定構架平臺高度，便于操作和檢修。

(3)管嘴附加位移是空冷器進出口管道應力分析非常重要的邊界條件，而固定點的選取是計算管嘴附加位移的關鍵。本文詳細介紹的固定點的選取原則，為應力計算提供較為準確的邊界條件，使應力計算結果更接近實際。

1 李 誠.淺談空氣冷卻器在化工領域中的應用［J］.化工設備與管道，2002，5(39):22－23.

2 劉衛坤.煤制合成氣氣液兩相流管道布置探討［J］.化工設計通訊，2006，32(3):42－43.

3 樊玉光，趙志杰，季宇明.加氫裝置空冷器管束變形分析及防止［J］.石油化工設備，2000，29(6):47－49.

4 章湘武，姚志東.空冷器技術問答［M］.中國石化出版社，2007:68－83.