大型空分設(shè)備設(shè)計(jì)及安裝質(zhì)量控制

余劍鋒

安徽萬緯工程管理有限責(zé)任公司　（安徽　安慶　246001）

大型空分設(shè)備是石油化工工程建設(shè)廣泛使用的關(guān)鍵設(shè)備，為生產(chǎn)流程提供氧氣、氮?dú)夂蜌鍤狻Ｖ袊呈突すこ檀笮涂辗衷O(shè)備規(guī)模為產(chǎn)氧能力328 000 m3/h，產(chǎn)氮能力148 000 m3/h，產(chǎn)液氮能力4 000 m3/h。整套裝置包括4套產(chǎn)氧能力82 000 m3/h的空分單元，每套單元由空氣壓縮、空氣預(yù)冷、空氣凈化、膨脹制冷、冷箱及分餾等系統(tǒng)組成。生產(chǎn)工藝為空氣壓縮、空氣循環(huán)、氮水預(yù)冷、分子篩前端空氣凈化、中壓空氣膨脹、液氧液氮內(nèi)壓縮、雙級精餾的深冷工藝，引進(jìn)國外某液化空氣公司的氮水預(yù)冷、分子篩前端空氣凈化、帶增壓透平膨脹機(jī)和液體膨脹機(jī)的液氧、液氮泵內(nèi)壓縮的空分技術(shù)，配置空壓機(jī)、增壓機(jī)及汽輪機(jī)機(jī)組、冷箱等空分設(shè)備。

1　工作原理

空氣經(jīng)空氣過濾器被去除灰塵和其他雜質(zhì)后，經(jīng)過多級離心主空壓機(jī)壓縮，進(jìn)入冷卻塔清洗冷卻后，送至吸附器去除H2O、CO2和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，得到凈化空氣。

凈化空氣一部分直接進(jìn)入冷箱主換熱器與返流產(chǎn)品進(jìn)行熱交換冷卻至接近露點(diǎn)，然后進(jìn)入中壓塔底部作首次分離；另一部分凈化空氣經(jīng)增壓機(jī)壓縮后，其中一部分送入透平膨脹機(jī)的增壓端增壓后送入冷箱，在冷箱的主換熱器中與高壓氧、氮換熱被液化，然后經(jīng)過液體膨脹機(jī)膨脹進(jìn)入中壓塔和低壓塔，剩余部分增壓空氣在主換熱器中冷卻后被抽出，然后經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹端膨脹后送入中壓塔，在塔中從上到下分別得到液氮產(chǎn)品、污氮回流液和富氧液空，從低壓塔底部得到液氧產(chǎn)品，從頂部得到污氮，

2　設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

2.1　關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

采用低溫精餾技術(shù)的大型空分設(shè)備[1]，最關(guān)鍵的靜設(shè)備是精餾塔，它是整個(gè)空分設(shè)備的核心靜設(shè)備。本空分設(shè)備的精餾塔采用低壓塔和中壓塔雙級精餾，二者均設(shè)計(jì)為填料塔，既減少投資，又降低能耗。

空分設(shè)備的壓縮機(jī)機(jī)組（空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)及蒸汽透平）是最關(guān)鍵的動(dòng)設(shè)備，它的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)空分設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性。因本裝置是大型空分設(shè)備，選擇了進(jìn)口壓縮機(jī)機(jī)組，進(jìn)口壓縮機(jī)機(jī)組的高穩(wěn)定性和低能耗對大型空分設(shè)備的運(yùn)行和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。

2.2　低溫材料選擇

本空分設(shè)備冷箱內(nèi)低溫設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度為-196℃，屬于深冷設(shè)備。低溫設(shè)備的材料選擇鋁鎂合金或不銹鋼，其中板式換熱器材料選擇鋁鎂合金，其余設(shè)備材料均為不銹鋼。

2.3　設(shè)備配置和選型

空分設(shè)備的設(shè)備類型、數(shù)量及選型[2]見表1。

表1　空分設(shè)備的設(shè)備類型、數(shù)量和選型　/臺

表1中靜設(shè)備主要包括換熱器、空氣過濾器、消聲器、塔器等，冷箱系統(tǒng)的高壓板式換熱器選擇進(jìn)口產(chǎn)品。空冷塔采用直接接觸式，充分利用冷卻水的汽化潛熱，以提高換熱效率，降低水耗；中壓塔和低壓塔采用規(guī)整填料塔，以降低全塔阻力，降低空壓機(jī)的排壓；空氣純化系統(tǒng)采用立式徑向雙層床吸附器，全面凈化空氣，減少系統(tǒng)阻力，減小設(shè)備占地面積。

動(dòng)設(shè)備主要由空冷器、機(jī)泵、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等設(shè)備組成，空冷器采用變頻風(fēng)機(jī)，節(jié)約能耗。

2.4　超大型設(shè)備及規(guī)格

由于本空分設(shè)備屬于大型空分設(shè)備，設(shè)備尺寸較大，部分設(shè)備超出了整體運(yùn)輸限制，這些設(shè)備要在現(xiàn)場組焊和組裝。空分設(shè)備超大型設(shè)備及規(guī)格見表2，其中吸附器組焊和組裝后，充填氧化鋁和分子篩吸附材料。

2.5　冷箱系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)

冷箱系統(tǒng)由主換熱器、主冷凝蒸發(fā)器、過冷器、高壓換熱器、中壓塔、低壓塔、汽液分離器、高壓液氧泵、低壓液氮泵、高壓液氮泵等設(shè)備組成。其中主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表2　空分設(shè)備超大型設(shè)備及規(guī)格

表3　冷箱系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

冷箱系統(tǒng)主換熱器和高壓換熱器采用板翅式換熱器，以減小換熱溫差，降低傳熱的不可逆性和能耗；液氧、液氮低溫液體泵均采用變頻調(diào)節(jié)，在增加可操作性的同時(shí)，有效地降低電耗；大功率液氧泵采用兩開一備設(shè)置，與兩開兩備相比，減少設(shè)備投資。

2.6　空氣壓縮機(jī)機(jī)組設(shè)備選型及技術(shù)參數(shù)

空氣壓縮機(jī)機(jī)組是高能耗設(shè)備，其性能和效率直接影響空分設(shè)備的運(yùn)行和能耗。在設(shè)備選型中注重設(shè)備的安全可靠和節(jié)能降耗性能。

2.6.1空氣過濾器

空氣過濾器4臺，選用自潔式空氣過濾器，能自動(dòng)根據(jù)設(shè)定壓差自潔，以保證空壓機(jī)吸入量和空氣質(zhì)量。同時(shí)過濾器的能力按照200%的空壓機(jī)的能力設(shè)計(jì)，以減少正常操作壓差，降低能耗。

2.6.2空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)4臺，選用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)多級離心壓縮機(jī)。技術(shù)參數(shù)為：流量400 677 Nm3/h，過濾器前進(jìn)口壓力0.086 1 MPa，進(jìn)口溫度22.5℃，相對濕度59%，出口止回閥后壓力0.53 MPa；冷卻水進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度30℃，最大出口溫度40℃，總流量1 810 m3/h；壓縮機(jī)葉輪數(shù)3個(gè)，中間冷卻器2臺，軸功率30 941 kW。

2.6.3空氣增壓機(jī)

空氣增壓機(jī)4臺，選用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)多級離心增壓機(jī)，采用整體齒輪式機(jī)型，比單軸機(jī)型提高壓縮效率約10%。技術(shù)參數(shù)為：流量216 800 Nm3/h，進(jìn)口壓力0.51 MPa，進(jìn)口溫度21.5℃；出口壓力5.0 MPa，出口溫度40℃；冷卻水進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度30℃，最大出口溫度40℃，總流量1 225 m3/h；壓縮機(jī)葉輪數(shù)4個(gè)，中間冷卻器3臺，后冷卻器1臺，軸功率18 600 kW。

2.6.4蒸汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)4臺，選用空冷全凝式蒸汽輪機(jī)，全凝式透平比抽凝式透平的效率提高約8%；采用11.0 MPa高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)，以提高高位能源的利用率，節(jié)約能耗；凝汽系統(tǒng)采用大型空冷器代替水冷器，節(jié)約用水。技術(shù)參數(shù)為：蒸汽流量162.2 t/h，進(jìn)汽溫度535℃，進(jìn)汽壓力11.0 MPa。

2.6.5液體膨脹機(jī)

液體膨脹機(jī)4臺，選用帶制動(dòng)發(fā)電機(jī)的液體膨脹機(jī)，以代替高壓液空節(jié)流閥，以等熵膨脹代替節(jié)流膨脹，效率增加約2%。技術(shù)參數(shù)為：進(jìn)口壓力7.2 MPa，進(jìn)口溫度-174℃；出口壓力0.6 MPa，出口溫度-177℃。

3　設(shè)備安裝質(zhì)量控制

3.1　空氣壓縮機(jī)機(jī)組安裝及試車

3.1.1機(jī)組初找正和精對中

空氣壓縮機(jī)機(jī)組安裝就位后進(jìn)行初找正。先對機(jī)組整體橫向水平度、縱向水平度進(jìn)行找正；找正后檢查地腳螺栓，其光桿部分應(yīng)無油污和氧化皮，螺栓應(yīng)垂直無歪斜；再進(jìn)行墊鐵組檢查，其表面清潔度、位置、間距、層數(shù)等要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求[3]。

機(jī)組精對中。對機(jī)組的徑向位移、軸向位移、端面間隙、墊鐵組的松緊度等進(jìn)行調(diào)整和檢查，直至各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合機(jī)組安裝說明書中的要求。

3.1.2油、水系統(tǒng)安裝

油系統(tǒng)中的管道焊接采用氬弧焊打底，管道安裝標(biāo)高、間距、坡度要符合設(shè)計(jì)圖紙要求。安裝完后，進(jìn)行潤滑油、密封油系統(tǒng)的沖洗和水系統(tǒng)的沖洗檢查和確認(rèn)，并檢查油箱的清潔度。

3.1.3管道與機(jī)組連接

與機(jī)組相關(guān)的管道與其連接時(shí)，管道焊口盡量遠(yuǎn)離機(jī)組，以減小焊接應(yīng)力的影響；配對法蘭面自由狀態(tài)下法蘭平行度、徑向位移符合機(jī)組安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求；法蘭面的間距，以能順利插入墊片的最小間距為宜；管道與機(jī)組連接后進(jìn)行徑向位移檢查。

3.1.4機(jī)組試車

機(jī)組試車注重檢查和確認(rèn)以下試車情況：①檢查機(jī)組軸承溫升、軸承振動(dòng)、軸位移值[4]；②檢查油箱油面的高度和機(jī)組各部位的供油、潤滑油的壓力和溫度、水系統(tǒng)的溫度和壓力等狀況；③檢查管道有無漏氣、漏水、漏油現(xiàn)象，軸承密封有無泄漏現(xiàn)象；④檢查電氣、儀表、自控保護(hù)裝置運(yùn)行狀況；⑤檢查機(jī)組入口及出口的壓力和溫度、冷凝系統(tǒng)的真空度。

3.2　換熱器安裝

換熱器的管道為鋁鎂合金或不銹鋼材質(zhì)，安裝時(shí)要注意管道連接和焊接質(zhì)量控制，盡量減小焊接處的局部應(yīng)力，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝[5-6]。換熱器的管線介質(zhì)主要為高氧氣體，因此對管線內(nèi)部清潔度要求極高，所有管道、管件、閥門安裝前必須經(jīng)過酸洗、脫脂、清洗，清洗干凈的管道、配件必須用塑料布將管口封閉，嚴(yán)禁臟物進(jìn)入。管工配管、對口時(shí)必須戴干凈、無油污手套，焊接前焊絲必須經(jīng)過脫脂處理以去除焊絲上的浮銹和油污，并在自然條件下風(fēng)干。換熱器安裝質(zhì)量控制見表4。

表4　換熱器安裝質(zhì)量控制

4　結(jié)束語

1）本空分設(shè)備設(shè)計(jì)中注重設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗性能[7]，冷箱系統(tǒng)采用低壓和中壓填料塔雙級精餾，提高了精餾效率；采用板式換熱器，降低了冷箱系統(tǒng)能耗，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2）壓縮機(jī)機(jī)組的空氣過濾器選用自潔式空氣過濾器，空氣增壓機(jī)選用整體齒輪式機(jī)型，蒸汽輪機(jī)選用空冷全凝式蒸汽輪機(jī)，且采用11.0 MPa高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)，降低了壓縮機(jī)機(jī)組能耗，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3）在設(shè)備安裝中注重壓縮機(jī)機(jī)組和換熱器的安裝質(zhì)量，使本空分設(shè)備開車一次成功，生產(chǎn)出合格的氣、液產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐建平.大型空分設(shè)備國產(chǎn)化現(xiàn)狀與展望[J].通用機(jī)械,2016（8）：15-18.

[2]中國石油化工集團(tuán)公司物資裝備部.重要石化設(shè)備監(jiān)造大綱[M].北京：中國石化出版社,2010.

[3]住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收通用規(guī)范：GB 50275—2010[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2010.

[4]方紫咪.空氣壓縮機(jī)軸位移升高故障分析及處理[J].大氮肥,2017,40（2）：106-110.

[5]蘇紅霞.空分裝置換熱器開孔接管開裂失效事故的應(yīng)力分析[J].化工設(shè)備與管道,2013,50（6）：79-80.

[6]袁昭,徐學(xué)利,張驍勇.大型焊接工程結(jié)構(gòu)施工過程中的焊接質(zhì)量控制[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2012,28（12）：25-27.

[7]潘明,許峰杰,徐華珍.空分設(shè)備的節(jié)能降耗綜述[J].通用機(jī)械,2016（3）：61-63.