6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)

楊　華

(中石化洛陽工程有限公司，河南　洛陽　471003)

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6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)

楊華

(中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003)

在塔河0.6 Mt/a的連續(xù)重整的煉油裝置中首次應(yīng)用了6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)。本文對6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)管道布置、振動(dòng)分析以及壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的支架設(shè)置進(jìn)行了討論，同時(shí)也介紹了往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。經(jīng)過對進(jìn)出口管道震動(dòng)計(jì)算結(jié)果的分析，說明管道布置是符合相關(guān)規(guī)范要求的。從2014年7月現(xiàn)場開氣運(yùn)行至今，機(jī)組及進(jìn)出口相關(guān)管道運(yùn)行穩(wěn)定。

6M80型；往復(fù)式壓縮機(jī)；管道設(shè)計(jì)；支架設(shè)計(jì)

催化重整裝置是以汽油(主要是直餾汽油)為原料生產(chǎn)高辛烷值汽油及輕芳烴(苯、甲苯、二甲苯)的重要煉油過程。同時(shí)也生產(chǎn)相當(dāng)數(shù)量的副產(chǎn)氫氣，而氫氣是煉廠加氫裂化等用氫裝置的重要來源[1]。重整氫增壓機(jī)在重整裝置中的作用是將重整產(chǎn)生的氫氣加壓后送至全廠氫氣管網(wǎng)供其他裝置使用。因此，它的運(yùn)行情況直接影響著其他用氫裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1　流程簡介

在塔河0.6 Mt/a的連續(xù)重整裝置中，重整氫增壓機(jī)型號(hào)為6M80-276/2.3-29.5六列三級(jí)對稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)，一段三個(gè)氣缸為一級(jí)壓縮，二段兩個(gè)氣缸為二級(jí)壓縮，三段一個(gè)氣缸為三級(jí)壓縮。其主要流程為自重整反應(yīng)來的氫氣經(jīng)一段入口分液罐(0211-V-202)除去攜帶的液體后進(jìn)入重整氫增壓機(jī)的一段進(jìn)行壓縮，壓縮氣經(jīng)一段出口空冷器(0211-A-202A/B)冷凝冷卻后，進(jìn)入二段入口分液罐(0211-V-210)進(jìn)行氣液分離。0211-V-210頂氣體進(jìn)入0211-C-202 A/B的二段進(jìn)行壓縮后，經(jīng)二段出口空冷器(0211-A-204A/B)冷凝冷卻，然后進(jìn)入三段入口分液罐(0211-V-203)進(jìn)行氣液分離。0211-V-203頂氣體進(jìn)入0211-C-202A/B的三段進(jìn)行壓縮，經(jīng)三段出口空冷器(0211-A-203)冷凝冷卻后，再經(jīng)再接觸氫氣換熱器等設(shè)備冷卻以及再接觸罐分液后的氫氣出裝置，見圖1，各段的設(shè)計(jì)條件見表1。

圖1　壓縮機(jī)流程圖

溫度/℃壓力/MPa一段入口600.43一段出口1570.98二段入口600.93二段出口1381.97三段入口601.92三段出口1303.19

2　平面及管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通常往復(fù)式壓縮機(jī)入口分液罐要靠近壓縮機(jī)布置，以使壓縮機(jī)吸入管道盡量短且彎頭數(shù)量最少從而使壓力損失最小，同時(shí)進(jìn)出口管道上的彎頭應(yīng)使用彎頭的曲率半徑大于等于1.5倍的管道公稱直徑(彎頭的曲率半徑盡可能大從而減少產(chǎn)生激振力的場所及激振力的力幅，從而減少機(jī)械振動(dòng)振幅)，由于壓縮機(jī)進(jìn)出口管道及與其相連接的相關(guān)輔助管道易振動(dòng)，因此在布置相關(guān)管道時(shí)應(yīng)盡量降低振動(dòng)管道標(biāo)高，并將其敷設(shè)在抗震管墩上；由于壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上的閥門及其他相關(guān)管線較多，應(yīng)在配管區(qū)設(shè)置操作平臺(tái)。

本文中的6M80型壓縮機(jī)管道在布置時(shí)主要存在以下特點(diǎn)：該機(jī)組共2臺(tái)，一開一備，進(jìn)出口管道口徑大，三段的進(jìn)出口的口徑分別為DN600、DN400、DN300，出口的口徑分別為DN450、DN300、DN250，靠近在并且三段進(jìn)出口管嘴的管道上的兩個(gè)彎頭均選用3倍管道公稱直徑的大半徑彎頭；壓縮機(jī)的進(jìn)出口相關(guān)管道布置在壓縮機(jī)廠房外的管橋地面層，管橋?qū)挾葹?000 mm。因此，要布置管道時(shí)既要考慮在6000 mm寬度范圍內(nèi)布置下三段進(jìn)出口相關(guān)管道、閥門和操作平臺(tái)，同時(shí)還要考慮相關(guān)支架設(shè)計(jì)使得其滿足振動(dòng)計(jì)算要求。綜上考慮，該壓縮機(jī)設(shè)備及相關(guān)管道的平面布置如圖2所示。

圖2　設(shè)備及管道平面布置

3　進(jìn)出口管道氣流脈動(dòng)和振動(dòng)分析

3.1設(shè)計(jì)方法選擇

API618《石油、化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)》中對機(jī)器制造廠規(guī)定了三種分析設(shè)計(jì)方法：

設(shè)計(jì)方法1——經(jīng)驗(yàn)的脈動(dòng)抑制裝置確定尺寸；

設(shè)計(jì)方法2——聲學(xué)模擬和管路約束力分析；

設(shè)計(jì)方法3——聲學(xué)模擬和管路約束力分析，加上力學(xué)分析(如必要帶強(qiáng)制機(jī)械響應(yīng)分析)。

表2　設(shè)計(jì)方法選擇

從表2中可以看出，機(jī)器氣缸功率越大、出口功率越高，要求做的分析也就越詳細(xì)。本壓縮機(jī)排氣絕對壓力分別10.8 bar、20.7 bar、32.9 bar，由表1可以看出壓縮機(jī)應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)方法2進(jìn)行壓力脈動(dòng)及振動(dòng)控制，但是該表格的設(shè)計(jì)方法選擇只是一個(gè)推薦，并非強(qiáng)制要求。最終為了安全起見及相關(guān)協(xié)議要求，該機(jī)組的進(jìn)出口相關(guān)管道按設(shè)計(jì)方法3進(jìn)行分析。

3.2一般要求

(1)氣缸法蘭處所允許的脈動(dòng)值：API618中第7.9.4.2.5.2.1款3R%或7%的較小值。

(2)脈動(dòng)抑制裝置允許的壓降：第7.9.4.2.5.3.1款公式或0.25%取二者的較大(R-級(jí)壓力比)。

(3)對于管道絕對壓力在3.5～350 bar之間運(yùn)行的系統(tǒng)，每個(gè)單獨(dú)的脈動(dòng)部件的脈動(dòng)峰-峰值應(yīng)限定在公式(1)內(nèi)。

(1)

式中：a——?dú)怏w的聲速，m/s

PL——平均絕對管線壓力，bar

DI——管道內(nèi)徑，mm

f——脈動(dòng)頻率，Hz

當(dāng)管內(nèi)氣體絕對壓力低于3.5 bar時(shí)，式(1)中的平均絕對壓力PL取3.5，且此時(shí)式(1)中的結(jié)算結(jié)果是壓力脈動(dòng)的峰-峰值，不是百分?jǐn)?shù)。當(dāng)管內(nèi)氣體絕對壓力高于350 bar時(shí)，則需要詳細(xì)計(jì)算管道循環(huán)應(yīng)力峰-峰值，并滿足循環(huán)應(yīng)力峰-峰值的要求。

3.3管道振動(dòng)振幅

管道振動(dòng)振幅(峰-峰值)的許用值和危險(xiǎn)值參照API618中的第7.9.4.2.5.2.4款中的指導(dǎo)值，見圖3。

(1)當(dāng)管道的振動(dòng)頻率低于10 Hz時(shí)，管道允許的振幅為0.5 mm；

(2)當(dāng)管道的振動(dòng)頻率介于10～200 Hz時(shí)，管道振動(dòng)允許值為近似恒定的振動(dòng)速度(峰-峰)32 mm/s2。

圖3　API618管道振動(dòng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)值

4　進(jìn)出口管道氣流脈動(dòng)和振動(dòng)結(jié)果分析

本機(jī)組的的管道振動(dòng)計(jì)算委托范圍為：壓縮機(jī)入口分液罐至壓縮機(jī)間的管道、壓縮機(jī)出口至空冷器間的管道、壓縮機(jī)出口安全閥相關(guān)管道(安全閥出口后第一個(gè)支架做固定支架)以及進(jìn)出口之間的聯(lián)通線，同時(shí)在委托時(shí)應(yīng)將相關(guān)設(shè)備圖紙?zhí)峁┙o振動(dòng)分析單位。

根據(jù)壓縮機(jī)廠家相關(guān)計(jì)算結(jié)果，通過建立管系的數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行聲學(xué)模擬分析得出該機(jī)組的三段進(jìn)排氣單元均處于較低的共振頻率放大函數(shù)水平，即管系不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象；同時(shí)機(jī)組各段管線在主激發(fā)頻率下的脈動(dòng)幅值也低于API允許值。

各段進(jìn)出口管系中節(jié)點(diǎn)的最大振幅和循環(huán)應(yīng)力最大峰值見表3。

表3　節(jié)點(diǎn)的最大振幅和循環(huán)應(yīng)力最大峰值

從表3看出，進(jìn)出口相關(guān)管系各節(jié)點(diǎn)的振幅值滿足API618(第5版)中圖4-不連續(xù)頻率的管路設(shè)計(jì)振動(dòng)要求；本機(jī)組進(jìn)出口的設(shè)計(jì)溫度最高為130℃，管道材質(zhì)均為碳鋼，根據(jù)API618中規(guī)定，在考慮了所有的應(yīng)力集中因素存在和所有其他應(yīng)力在適用范圍限定內(nèi)，其峰-峰值循環(huán)應(yīng)力應(yīng)小于180 MPa[2]。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，進(jìn)出口相關(guān)管系中各節(jié)點(diǎn)也完全滿足API618中要求的循環(huán)應(yīng)力峰-峰值小于180 MPa的條件。

5　管道支吊架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)管道上的防震支架應(yīng)設(shè)置在管道轉(zhuǎn)向處、分支、變徑處和有集中載荷處等。

(2)往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的支架應(yīng)選用防震管卡或者固定支架，不能選用普通支托，嚴(yán)禁選用吊架[3]。

(3)防震關(guān)卡不得選用圓鋼或者U型螺栓制作，應(yīng)選用扁鋼，以增加防震管卡與管道的接觸面積，并且應(yīng)在防震管卡與管道之間墊襯一周3 mm厚的非石棉橡膠墊，同時(shí)防震管卡上的螺栓應(yīng)選用雙螺母，以防止當(dāng)管道產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)將單螺母震松甚至震掉；此處值得注意的是通常設(shè)計(jì)防震關(guān)卡中墊入的非石棉橡膠墊或者其他墊板應(yīng)盡量薄，以增加管道與支架間的剛度，避免管道與支撐間變成彈性連接[4]。

(4)在施工過程中，如果采用帶管托的防震管卡，則管托必須與其生根的部位焊牢，最好采用連續(xù)焊，不宜點(diǎn)焊或者直接放在生根部位。

(5)防震支架應(yīng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，避免生根在壓縮機(jī)及其電機(jī)的基礎(chǔ)、操作平臺(tái)或者廠房的平臺(tái)、立柱上，以防止相互影響擴(kuò)散振動(dòng)。

(6)自壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上引出的DN≤40的分支及儀表管口應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

6　結(jié)　語

本文通過對塔河0.6 Mt/a的連續(xù)重整裝置中的6M80型重整氫增壓機(jī)組的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，由相關(guān)的計(jì)算分析結(jié)果可以看出，該機(jī)組的管道設(shè)計(jì)符合API的相關(guān)要求，從2014年7月現(xiàn)場開氣運(yùn)行至今穩(wěn)定運(yùn)行，從而該管道布置也得到了實(shí)踐檢驗(yàn)，是可行的。6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)是在石化裝置中首次應(yīng)用的次類型大型機(jī)組，因此本機(jī)組的設(shè)計(jì)可以為以后同類機(jī)組設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

[1]李成棟.催化重整裝置技術(shù)問答[M].北京:中國石化出版社，2010:1-2.

[2]郭文濤.API618第5版關(guān)于脈動(dòng)與振幅的控制要求[J].壓縮機(jī)技術(shù),2009(6):25-29.

[3] 唐永進(jìn).往復(fù)壓縮機(jī)管道防振設(shè)計(jì)中的一些問題[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2001(2):6-9.

[4]郁永章,姜培正,孫嗣瑩.壓縮機(jī)工程手冊[M].北京:中國石化出版社，2011:427-429.

Pipe Design of 6M80 Type Reciprocating Compressor

YANG Hua

(Luoyang Petrochemical Engineering Corporation,Sinopec,Henan Luoyang 471003,China)

6M80 type reciprocating compressor is first applied in the Tahe Refinery Chemical Company 0.6 Mt/a Continuous Reforming Unit.The pipe arrangement and vibration analysis of 6M80 type reciprocating compressor and the setting of the frame of the compressor suction and discharge pipes were discussed,the key points of the reciprocating compressor’s piping design were also introduced.The results of vibration analysis of the pipeline showed that the pipeline layouts met the relevant specification requirements.The compressor set and suction and discharge pipes worked well and stabile from the unit operated in July 2014 to the present.

6M80 type; reciprocating compressor; piping design; support design

楊華，男，工程師，2006年畢業(yè)于西北大學(xué)化工學(xué)院，2006年畢業(yè)至今在中石化洛陽石油化工工程公司配管室從事管道設(shè)計(jì)工作。

TE9

A

1001-9677(2016)06-0113-03