大型煤氣化裝置主要設備安裝設計

甄崇汀 胡雅芹

中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103

裝置設備布置既要有利于生產和工人的操作， 又要節省投資，少占地，便于施工，它是整個工程設計中重要的一環。在裝置設備布置中，不可忽視設備安裝設計的重要性。設備安裝設計包括就位方案，吊裝，施工，檢修等內容。本文結合兩段式干煤粉氣化裝置工程安裝實例， 對氣化裝置高層框架主要設備的安裝設計進行分析總結。

1 氣化裝置布置概述

1.1 布置特點

兩段式干煤粉氣化裝置主要有粉煤加壓給料、 煤氣化、除渣、 干/濕法除灰及合成氣洗滌等單元， 設備集中布置在高約90m的框架內。 其布置特點如下：

特點一：主框架高，采用型鋼混凝土—型鋼的特殊混合框架結構。 氣化爐基礎38m以下框架采用型鋼混凝土結構，38m以上為鋼框架結構，以增強框架的穩定性和有效剛度。

特點二：大型設備多且安裝位置高。框架上設備多達170臺左右，設備高度在20m以上的有7臺，筒徑（寬度）在4m以上的有10臺。 其中氣化爐和合成氣冷卻器均高約40m，分別安裝在+38.0m和+57.0m，總凈重達1390t。

特點三： 設備多同心豎向布置。 本氣化工藝中煤粉加壓給料、除渣及干法除灰等單元均采用鎖斗系統輸料，因此對設備布置同心度要求高[1]。

2 設備布置說明

主框架高約88m，共13層，占地約長×寬（40m×20m），在整個氣化框架內按照煤氣化工藝流程自上而下布置主要的工藝設備，見圖1。

圖1 主要設備布置圖

粉煤加壓給料單元，3個系列的設備主要布置在主框架東跨的0m～82m高度范圍內。

氣化爐及合成氣冷卻器布置在主框架西跨的30.5m～82m之間， 氣化爐支撐于38m 層， 合成氣冷卻器用恒力彈簧吊于57m層。 除渣單元的設備主要布置在氣化爐下方空間。

設備安裝設計包括設備吊裝方案、結構設計、設備地腳螺栓及管口方位設計。

3 設備吊裝方案

由于設備交叉布置， 設備吊裝順序安排是否合理也非常重要。 施工現場采用了大型吊車、機械化程度比較高，為了利用這一優勢，設備原則上考慮空投吊裝，按照先下后上、先大后小的吊裝順序， 在鋼結構施工前將下面混凝土框架內的大型設備吊完。基本吊裝原則是38.0m 以下混凝土框架施工完成后先進行內部設備的吊裝。 38.0m 以上的設備根據框架施工進度和設備到貨情況，按照組對一層鋼結構，安裝一層設備的方法進行，直至施工至88.0m。

3.1 主要設備吊裝

圖2 主框架東跨38m以上設備立面布置

3.1.1 東跨吊裝順序和方法

按照組對一層鋼結構，安裝一層設備的方法，依次吊裝從低往高吊裝設備，見圖2。

3.1.2 西跨吊裝順序和方法

3.1.2.1 吊裝順序

因氣化爐是安裝在38m 混凝土基礎上， 合成氣冷卻器V-3302則是通過彈簧吊架安裝在57m的框架鋼梁上。 為此，從鋼結構的整體穩定性考慮，必須先吊裝氣化爐，然后吊裝合成氣冷卻器。 氣化爐及合成氣冷卻器西側框架， 高度在38m～73m范圍內的框架需做活動梁， 以滿足氣化爐及合成器冷卻器平移吊裝要求， 最后從上部吊裝傳導段與氣體返向室組合件V-3303。 待V-3303吊裝完成后再吊裝就位氣化爐中壓氣包及高溫高壓過濾器/飛灰收集罐，見圖3[1]。

3.1.2.2 吊裝方法

（1） 氣化爐主體

氣化爐是氣化爐組件三大吊裝單元中吊裝難度最小的，采用提升吊移抬送的吊裝方法進行吊裝。 氣化爐從氣化框架西側道路運輸進入吊裝現場的指定預留位置， 按指定位置擺放。 以1600t履帶吊車主吊抬頭，400t吊車配合溜尾，設備吊裝直立后，撤去溜尾吊車，然后仰起1600t吊車臂桿至合適半徑，再將氣化爐提升至39m高度，朝框架基礎方向轉動1600t吊車臂桿，等轉到框架預留開口位置時，水平平移氣化爐安裝就位。氣化爐安裝要求1-B至1-C軸西側43m至82m層預留活動鋼梁，以便氣化爐的吊裝。

圖3 主框架西跨38m以上設備立面布置

（2） 合成氣冷卻器

合成氣冷卻器在框架上分布在氣化爐的北側， 通過合成氣冷卻器中部的錐體結構利用彈簧吊架安裝在氣化框架57m 層的箱型鋼結構梁底。設備從框架預留開口處吊裝進入，待恒力彈簧吊架全部與合成氣冷卻器連接好后，1600t吊車方可回鉤。而18組彈簧吊架安裝在4面箱形梁上，為了縮短吊車懸吊合成氣冷卻器的時間，事先安裝3根箱梁，有13個彈簧吊架可以在合成氣冷卻器吊裝前安裝到位，只預留了5個彈簧吊架。因彈簧吊架的自然懸垂狀態會遮擋合成氣冷卻器的錐體裙座， 為此應用倒鏈將各已經安裝在箱梁上的彈簧吊架往外側拉20°左右，以便合成氣冷卻器順利吊裝[2]。

（3） 傳導段與氣體返向室

質量為480t的傳導段與氣體返向室組合體， 結構形狀不規則，設備的重心與幾何中心線不重合，是煤氣化裝置中吊裝難度最大的設備。傳導段與氣體返向室組合體在地面臥式組對后，將氣體返向室與傳導組合件由組裝位置抬吊到沙坑翻轉位置，將傳導段與氣體返向室組合件在沙坑內周向翻轉90°至傳導段位于正上方（圖4），將傳導段與氣體返向室組合件再經向翻轉90°使兩道口呈水平布置狀態（圖5），在地面上連接找正索具進行找正， 將傳導段與氣體返向室組合件吊裝到高空就位對口，進行兩道黃金焊縫的焊接與熱處理[3]。

圖4 組合件周向翻轉90°

圖5 組合件經向翻轉90°

3.2 中小型容器設備吊裝

中小型容器設備可以用汽車吊裝工具從建、 構筑物的一端吊放在所在樓板（上鋪枕木、鋼管）上，然后用卷揚機或者手動葫蘆拖至安裝孔旁（樓面應提出設備有關荷載），再利用手動起吊工具將容器立起，放入安裝孔，支承在梁上。 如渣水換熱器等設備。

3.3 場地預留

場地預留需在設備布置時進行合理計劃和安排， 預留不當將會影響后序作業的施工和吊裝。

傳導段與氣體返向室先行進場， 在氣化框架與南側公路間預留35m×30m的空地進行組焊； 氣化爐從氣化框架西側公路進場， 擺放在氣化框架與西側公路間預留的56m×35m的空地位置；待氣化爐吊裝完成后，合成氣冷卻器再進場。 此區域布置的渣倉及環形公路，待氣化爐整體吊裝完成后再行施工。

4 結構設計

根據設備吊裝方案， 在提交土建一次條件時應充分周密設計安裝開孔、結構梁型式。

4.1 安裝開孔

根據前述吊裝方案，安裝在混凝土框架內的設備，吊裝時要穿過多層樓板。因此在混凝土結構設計時要預留安裝開孔，安裝孔的大小（即粱間凈距）必須能通過設備外緣最大凸起部件。 安裝孔一般為方形，按設備的直徑（包括保溫厚度）及耳座大小、管口最大伸出長度取最大值， 并考慮距結構梁邊100～150mm凈距確定其開孔尺寸。 當設備在兩層樓板之間因層高限制無法垂直吊入，需要借助滑輪組由水平旋轉到豎直狀態的過程中，安裝開孔的確定還應避免吊裝過程設備不與樓板觸碰。 例如氣化爐下方渣收集罐和渣放料罐的吊裝。

提土建條件、 考慮梁間凈距及吊裝方案時， 設備有可能轉45°角度，將四個支耳的位置轉至樓板開孔的四個角處（增大凈距）。 設備吊起，支耳通過開孔角處通過樓板，再轉回45°角度將支耳在梁上就位，樓板開孔四周均應做圍堰，一般為50mm高度，以防地面上物料或流體流至下一層[4]。

4.2 結構梁設計

根據前述吊裝方案，安裝在鋼框架內的設備，對于長徑比很大的設備可以從建、構筑物的側面進入就位，此時必須設活動梁（鋼梁）。 設備吊入時取下活動粱，設備進入后再安上活動梁，活動梁宜使用螺栓連接。氣化爐、合成氣冷卻器分別從氣化框架的西側平移吊裝進入框架。 如氣化爐吊裝要求1-B至1-C軸西側43m至82m層預留活動鋼梁。

鋼結構及混凝土預留的活動梁必須在土建藍圖中明確標出活動梁的位置，并且要在設計文件中交代對施工程序的要求，設計應協助施工單位做好施工組織工作。

對于安裝在混凝土框架內的設備， 當下方設備筒徑大于上方的設備安裝孔時，上方設備基礎的結構梁宜設計為鋼梁。例如除渣系統設備渣收集罐V-3402和渣放料罐V3403。 V-3403布置(EL.16500)在V-3402(EL.23500)下方，即V-3403需通過EL.23500吊裝孔， 落座在EL.16500層基礎上， 故V-3402的基礎需考慮采用鋼結構做支撐，待V-3403吊裝完畢后，安裝V-3402基礎，再吊裝V-3402。

5 地腳螺栓設計

5.1 地腳螺栓安裝方式

5.1.1 框架上地腳螺栓安裝

建、構筑物為鋼結構時，容器設備支耳或裙座一般采用預留螺栓孔安裝設計。

建、構筑物為混凝土結構時，容器設備支耳或裙座一般采用預埋地腳螺栓安裝設計。

5.1.2 地面上地腳螺栓安裝

塔類、較高的容器、換熱器、球罐和振動較小的機械設備，采用預埋地腳螺栓安裝設計。

振動大的機泵及壓縮機，采用預留地腳螺栓孔安裝設計。

5.2 螺栓孔安裝設計要求

5.2.1 預留地腳螺栓孔

預留孔的尺寸A×A最小為100×100（mm）。 設備安裝要求規定螺栓距孔壁的凈空e不得小于15mm即螺栓鉤距孔壁尺寸e 宜≥20mm；孔壁距基礎邊的尺寸b≥100mm，當b不能滿足100mm時，可采用預埋方式或對基礎配筋加固。 螺栓鉤距孔底尺寸B取80mm，L2根據埋入深度和基礎灌漿層（50mm）確定。 孔深（C）＝地腳螺栓埋入深度（L2）+B（mm）。

圖6 預留孔尺寸圖

5.2.2 貫穿鋼梁的螺栓孔

鋼梁上預留螺栓孔尺寸比地腳螺栓規格大一等級即可。 安裝在鋼梁上的設備，其地腳螺栓應貫穿型鋼上下翼緣。當鋼梁較大，設備較小時，也可只固定在型鋼的上翼緣上。

5.3 螺栓尺寸設計

根據地腳螺栓的擰緊要求，計入螺紋力矩的影響，確定地腳螺栓的計算載荷值，再根據計算載荷值確定地腳螺栓的直徑。

5.3.1 預埋地腳螺栓露頭長度

L=設備支座或底座、 支腿底板厚度＋2.5×重型螺母厚度（mm）

5.3.2 安裝在鋼梁上的設備，螺栓長度

（貫穿型安裝） L=設備底座或支座、支腿底板厚度＋型鋼高度及上下翼緣厚度+5×重型螺母厚度（mm）

（穿上翼緣型安裝） L=設備底座或支座、支腿底板厚度＋上翼緣厚度+5×重型螺母厚度（mm）

5.4 地腳螺栓方位要求

布置在地面上的設備，地腳螺栓宜跨中均布。 因為設備的大多管口方位與北向都是呈0°，90°，180°，270°夾角， 如果地腳螺栓居中均布，與管口投影在同一水平位置，管口泄露時，容易造成地腳螺栓腐蝕；布置在框架上的設備，地腳螺栓宜居中均布，便于安裝定位。如帶四個支耳的設備，地腳螺栓跨中均布，支耳就無法坐落在主梁上，需另設八卦梁，不便于安裝。

6 設備管口方位設計

框架內布置的設備，其管口方位除了要滿足配管要求外，還應考慮設備安裝過程中避開結構梁，標高相近（距離小于結構梁高）的管口方位盡量相隔90°或180°分布。 同時，吊耳的正上方不應布置管口。 吊裝過程中可以利用方形開孔的四角空間穿過樓板，而無需放大安裝孔尺寸。

7 結束語

隨著氣化裝置規模大型化，配套的設備隨之變大，設備安裝設計中設備吊裝成了制約裝置建設周期的關鍵因素， 特別是不規則、 偏心的設備吊裝難度較大。 所以如果忽視了設備安裝設計，會造成施工不便甚至不必要的返工，給生產操作，裝置維修，甚至安全生產帶來后果。設備安裝設計是蘊含在設計過程中的，本文僅就氣化裝置框架內設備安裝設計的進行了簡單梳理，在具體設備安裝時還應具體分析。

1 吳銀成 李建良 朱鴻濱.殼牌工藝煤氣化裝置主要設備的吊裝技術[J]石油化工建設，2010，(2)：71-75.

2 江堅平.煤氣化氣化爐組件吊裝施工技術[J]石油工程建設，2007，第33卷第4期:36-40.

3 潘文江.煤氣化偏心組合體的優化吊裝[J]石油工程建設，2007，第33卷第3期:41-43.

4 陶炯心.化工工藝設計中的設備安裝設計問題[J]江蘇化工，1996，(1):28-30.