空分設(shè)備保冷箱內(nèi)配管設(shè)計(jì)與優(yōu)化

孫東遠(yuǎn)

摘要：本文主要以4萬(wàn)等級(jí)內(nèi)壓縮空分的配管設(shè)計(jì)過(guò)程為例，對(duì)優(yōu)化要求與優(yōu)化方向進(jìn)行深入探究，對(duì)滿足逐漸趨于復(fù)雜的空分設(shè)備保冷箱配管組織形式具有重要意義。 關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；保冷箱；配管設(shè)計(jì)；優(yōu)化

近年來(lái)由于鋼鐵行業(yè)和煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，使得為其配套的空氣分離行業(yè)迅速地向多樣化、大型化等方向發(fā)展。外壓縮流程、自增壓流程、內(nèi)壓縮空氣膨脹進(jìn)下塔流程、內(nèi)壓縮氮?dú)馀蛎浟鞒痰榷喾N流程組織形式不斷變化使得空分冷箱內(nèi)的管道更為復(fù)雜。由于空分等級(jí)不斷加大造成系統(tǒng)內(nèi)部管道口徑也不斷增大。

一、流程簡(jiǎn)介

該套空氣4萬(wàn)等級(jí)空分是內(nèi)壓縮空氣膨脹進(jìn)下塔流程。來(lái)自純化系統(tǒng)后分為兩部分：一部分直接進(jìn)入低壓換熱器冷卻至約一173。C進(jìn)入下塔：另一部分通過(guò)空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，其中抽出一股壓力為28MPa的空氣進(jìn)入膨脹機(jī)增壓端增壓后進(jìn)入主換熱器冷卻.冷卻后的空氣進(jìn)入膨脹端膨脹后得到部分含濕的空氣進(jìn)入下塔。另一股從空氣增壓機(jī)末級(jí)排出的空氣經(jīng)過(guò)增壓機(jī)后冷卻器冷卻后送人冷箱經(jīng)高壓換熱器冷卻后節(jié)流進(jìn)入下塔。在塔內(nèi)經(jīng)過(guò)精餾后得到液氧和氮?dú)狻Ｒ貉踅?jīng)過(guò)高、低壓泵壓縮至用戶指定壓力后經(jīng)過(guò)高壓換熱器得到高壓氧氣。

二、冷箱內(nèi)管道的特點(diǎn)

空分冷箱高60米左右，冷箱內(nèi)管道走向多為垂直走向，落差較大。安裝溫度到工作溫度相差210。C左右。國(guó)內(nèi)空分設(shè)備冷箱內(nèi)管道多為鋁鎂合金管道，通過(guò)金屬的線膨脹系數(shù)可計(jì)算出管道的位移有250ram左右（和實(shí)際測(cè)量值基本相符）。根據(jù)以上因素可知管道收縮比較嚴(yán)重，管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、各個(gè)支吊架受力情況等都是需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真考慮的問(wèn)題.且根據(jù)《CB/r 20801-2006壓力管道規(guī)范》規(guī)定工作溫度在一70。C以下的管道必須進(jìn)行應(yīng)力分析。

三、空分設(shè)備保冷箱內(nèi)配管設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（一）單元設(shè)備、冷箱板開孔、閥門位置設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)空氣分離工程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)于總圖當(dāng)中單元設(shè)備、冷箱板開孔以及閥門的設(shè)計(jì)，常常會(huì)加入主觀經(jīng)驗(yàn)理論，導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖當(dāng)中多處細(xì)節(jié)難以滿足實(shí)際工程要求。管道工程師在按圖配管的過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)圖與配管實(shí)際不符的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了配管的順利進(jìn)行。常見的不合理設(shè)計(jì)部分包括上塔安全閥的設(shè)置過(guò)高。閥門與管口設(shè)置在兩個(gè)完全不同的方向。粗氮塔液空蒸汽區(qū)采用固定方式安裝上塔閥等。在現(xiàn)代工藝的推動(dòng)下，空氣分離工程的大型化、多元化發(fā)展要進(jìn)一步結(jié)合規(guī)范化、合理化的配管設(shè)計(jì)形式，嚴(yán)格遵循配管需求，在設(shè)計(jì)單元設(shè)備、冷箱板開口以及閥門的過(guò)程中，要盡量取消非必要的閥門、測(cè)點(diǎn)以及管線，進(jìn)而對(duì)管口在容器上的方位進(jìn)行優(yōu)化，有效提升管道布置的實(shí)用性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性。

（二）與設(shè)備相連管道的鋪設(shè)

現(xiàn)階段，空氣分離工程的大型化發(fā)展進(jìn)程中，原有管道鋪設(shè)在保冷箱壁附近的形式，存在諸多弊端，很有可能導(dǎo)致管道阻力增加以及安全性下降。在現(xiàn)代工藝當(dāng)中，設(shè)備相連管道科學(xué)的鋪設(shè)方式，要求上塔、下塔、粗氬塔、精氬塔、主冷等管口與容器支座之間的落差要有效控制在lOm以上。基于同步收縮原理，在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中，沿塔體鋪設(shè)的方式較為普遍，為方便焊接管道支架，在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中，會(huì)在設(shè)備管口的附近預(yù)先焊接貼板，優(yōu)化管道整體的安全性。

在對(duì)上塔與過(guò)冷器之間的污氮管進(jìn)行布置設(shè)計(jì)的過(guò)程中，管道可直接從上塔處沿著容器就近引至過(guò)冷器，這種設(shè)置方式，與以往的沿著保冷箱壁布設(shè)的模式相比，利用30。—60。彎管代替，能夠顯著降低90。彎管的上使用數(shù)量，從原來(lái)的5～8個(gè)直降為零；相應(yīng)的管架數(shù)量也會(huì)顯著降低，原本30t的保冷箱內(nèi)管重量，能夠降至26t左右；管架總重能夠從8t降至4t左右。改變以往沿著保冷箱壁設(shè)置的配管方式，能夠有效降低空分設(shè)備的跑冷量，提升設(shè)備性能。

配管沿著單元設(shè)備布置，在設(shè)備上的預(yù)設(shè)貼板能夠?qū)艿肋M(jìn)行直接支撐，且管道與設(shè)備的同步收縮作用，能夠促使管道在滿足補(bǔ)償需求的同時(shí)，簡(jiǎn)化管道布置，減少保冷箱內(nèi)部的焊接點(diǎn)，提升空分設(shè)備整體的安全性。

（三）排液管道排放形式設(shè)計(jì)

在原有的空分設(shè)備當(dāng)中，排液管道的主要設(shè)置方式是從主管道的最底部向下引出。這種方式能夠在一定程度上將液體排除主管，但此種排放形式會(huì)導(dǎo)致保冷箱內(nèi)部一直存在一個(gè)低于主管道的點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)排放閥處于長(zhǎng)期關(guān)閉狀態(tài)，可能會(huì)造成危險(xiǎn)介質(zhì)在最低點(diǎn)積聚，進(jìn)而威脅到設(shè)備及運(yùn)行的安全。

而在現(xiàn)階段的新型工藝當(dāng)中，排放管的排放形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將排放管從主管的最低處引出，并在鋪設(shè)過(guò)程中設(shè)置1：10的坡度，連接到保冷箱壁進(jìn)行復(fù)熱。通過(guò)此種設(shè)計(jì)優(yōu)化，促使設(shè)備排液過(guò)程呈現(xiàn)為帶壓排放的形式，位于主管道最低點(diǎn)的排放管，能夠?qū)崿F(xiàn)完全排放主管道液體的效果，消除了危險(xiǎn)介質(zhì)積聚的安全隱患。

（四）結(jié)合管道應(yīng)力優(yōu)化配管設(shè)計(jì)

在空分設(shè)備配管設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮足夠補(bǔ)償?shù)刃阅苤笜?biāo)是十分必要的，但若忽視了補(bǔ)償過(guò)多對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能的影響，則會(huì)形成極大的安全隱患。在以往的配管設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)師與管道工程師都習(xí)慣將經(jīng)驗(yàn)理論作為主要的參考依據(jù)，導(dǎo)致管道設(shè)置過(guò)程中存在極大的資源浪費(fèi)，使管架焊接等相關(guān)工作量直接增加。

現(xiàn)階段，在現(xiàn)代信息技術(shù)的幫助下，利用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，能夠在配管過(guò)程中達(dá)到準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)男Ч饶軌虮苊庋a(bǔ)償不足，同時(shí)也能減少補(bǔ)償過(guò)多的現(xiàn)象，同時(shí)促進(jìn)管架設(shè)置數(shù)量與位置的合理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備保冷箱內(nèi)配管設(shè)計(jì)的量化發(fā)展。除此之外，利用這種應(yīng)力分析軟件，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)管道柔性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)分析設(shè)備所承受的載荷是否有優(yōu)化的空間，進(jìn)而促進(jìn)管道設(shè)備整體的安全性提升，并相應(yīng)延長(zhǎng)管道與設(shè)備的使用壽命，降低配管總體成本。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，冷箱內(nèi)的設(shè)計(jì)工作是復(fù)雜的系統(tǒng)工作，設(shè)備布置、管道設(shè)計(jì)、應(yīng)力計(jì)算是相互影響的。設(shè)計(jì)人員應(yīng)從全局出發(fā)，總體考慮各個(gè)工作環(huán)節(jié)使得各項(xiàng)工作更加優(yōu)化。這方面的經(jīng)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)人員在日常工作中鍛煉全局意識(shí)、管道受力分析意識(shí)等才能不斷提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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