烯烴分離裝置丙烯制冷壓縮機管道設計要點

趙小溪

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

近年來，隨著甲醇制烯烴(MTO)技術的發展和烯烴分離單元工藝的進一步優化， 甲醇制烯烴聯合裝置向著更加高效、節能、平穩的方向發展。丙烯制冷壓縮機是烯烴分離單元中的關鍵設備。該機組以丙烯為介質，通過壓縮、冷凝、蒸發達到制冷效果，提供冷量給低溫系統中的各用戶，以補償系統中的冷量損失。丙烯制冷壓縮機的長期平穩運行對于全裝置的穩定起到了關鍵作用。本文將結合機組的管道設計工作，總結歸納機組廠房布置、管道布置及低溫管道的設計要點，并有針對性的提出一些此類管道設計工作中需要注意的問題。

1 機組概述

本文所涉及的丙烯制冷壓縮機組主要由離心式壓縮機(單缸三段)及汽輪機(抽氣凝氣式)組成，其輔助系統主要為潤滑及調節油系統、壓縮機干氣密封系統、汽輪機調節油系統、汽輪機蒸汽疏水系統、冷凝器及其輔助設備、密封蒸汽輔助系統等。本套丙烯制冷壓縮機采用水平剖分，主要由定子(機殼、隔板、軸承等)和轉子(軸、葉輪、平衡活塞、推力盤等)組成。壓縮機為單缸三段壓縮，在二段和三段入口分別補氣，8個葉輪串級布置，其中一段兩個葉輪，二段三個葉輪，三段三個葉輪。為平衡軸向力，設平衡活塞，8個葉輪依次排列，殘余軸向力由推力軸承進行平衡。殼體采用焊接殼體，碳鋼材質，水壓試驗壓力按最大工作壓力的1.5倍進行。葉輪為閉式銑制焊接葉輪，合金鋼材質。主軸采用合金鋼鍛造而成。平衡盤采用熱裝式，合金鋼材質。壓縮機驅動用汽輪機采用中壓抽汽凝氣式汽輪機。壓縮機和汽輪機之間采用帶中間節的膜片式聯軸器進行聯接。軸封采用串聯式干氣密封，干氣密封盤固定在壓縮機旁的二層平臺上。

2 丙烯制冷壓縮機組廠房布置

合理布置壓縮機組及其輔助設備才能實現管道正確合理的安裝[2]。

本套丙烯制冷壓縮機組由離心式壓縮機、抽汽凝汽式汽輪機及輔助系統組成，采用雙層布置，壓縮機和汽輪機采用聯合底座，壓縮機干氣密封布置在機組廠房二層樓板上(見圖1)，潤滑油系統布置在廠房地面層。潤滑油高位油箱置于廠房附管橋頂平臺上(見圖1)，冷凝器布置在廠房地面層，汽封冷卻器，中冷-后冷器及蒸汽密封單元布置在廠房內中間層平臺上(見圖2)。

圖1 廠房豎面圖

圖2 機組輔助設備平面布置圖

3 丙烯制冷壓縮機組管道布置

3.1 總體布置原則

要做好離心式壓縮機進出口管道的設計，應主要考慮以下幾個方面的問題：

(1) 壓縮機周圍的管道布置不應影響壓縮機的吊裝及檢修，并應留有檢修空間[1]。

a. 本套壓縮機的管道布置根據其結構特點、操作和檢維修要求進行設計。與機組相連接的干氣密封管線均布置在壓縮機二層樓板下方，這樣可以保證壓縮機及周圍的管道不會妨礙壓縮機的操作和維修。

b. 壓縮機廠房二層樓板上設有吊裝孔及檢修承重區。廠房中間層機組輔助設備平臺上布置有汽封冷卻器，中、后冷卻器及蒸汽密封單元等設備，因此，該區域管道布置既要考慮到不能影響吊車的正常運行，同時也要兼顧到不得占用機組及輔助設備檢修和抽取內件的空間。

(2) 壓縮機進出口管道的布置在滿足管道柔性及管口受力的條件下，應使管道短，彎頭數量少[3]。

a.壓縮機進出口管道均采用沿地敷設布置，地面水平敷設段無彎頭，確保工藝的低壓降要求。

b.壓縮機出口管道應進行應力分析計算，確保其具有柔性，保證機組安全運行。

(3) 離心式壓縮機進出口管道對管口的作用力和力矩應符合制造廠或API Std 617的要求[3]。

離心式壓縮機的進出口管道，通常不進行振動分析，但必須對上述管道進行柔性分析，使壓縮機進出口管嘴受力小于其允許值，并使其疊加的合力和合力矩也小于其允許值。允許值一般由制造廠提供，若制造廠沒有提供允許值，可按API 617和NEMA SM23的規定確定。根據API 617的規定，該力和力矩的允許值是NEMA SM23 規定值的1.85倍[3]。

壓縮機管道類型不僅局限于機組進出口工藝介質管道，同時還包括驅動蒸汽以及附屬的氮氣、凝結水和潤換油管道等，對于機組平穩運行而言，這些管道的作用也是不容忽視的。所以，對上述管道進行規劃時，既要考慮工藝流程的要求，又要兼顧管道布局的合理性，例如，凝結水管線布置的高差要求，潤滑油管線的坡度要求等。因為各種機型之間存在一定的差異性，所以在管道設計的時候也會有不同的要求，故應結合實際情況，綜合考慮。

3.2 機組低溫管道設計要點

烯烴分離單元采用中冷分離技術，所以在管道設計的過程中，需要對管線材質的低溫脆性做充分考慮。同時，若要將冷損失降至最低，那么合理的選擇保冷材料及選取合適的支架類型就顯得尤為重要。

以下筆者將結合本裝置的特點，通過選取丙烯制冷壓縮機一、二、三段入口低溫管道上的閥門布置及支架設置這兩個關鍵點來闡述低溫管道的設計要點。

3.2.1 機組入口管道低溫閥門的布置要點

低溫閥門具有長頸閥蓋(見圖3)的結構特點，作用是使閥門的手輪及填料函遠離低溫介質，進而保證填料函底部溫度在零攝氏度以上，其目的是防止填料密封性能降低，延長填料的使用年限。由于低溫閥門自身的結構特點，其安裝也具有一定的特殊性。低溫閥門宜安裝在水平管道上，閥桿方向宜垂直向上，目的就是為了防止低溫介質流到閥蓋的加長部分，造成填料失效，進而將冷量傳到手輪，危及操作人員的人身安全。由于低溫閥門安裝的特殊性， 丙烯壓縮機進口工藝管線上的低溫閥門可采用集中布置，并在管線沿地敷設段的合適位置設置操作平臺，以解決手輪過高不便于操作的問題。

圖3 一種低溫閥門剖面圖

此外，泄壓孔也是低溫閥門的另一個重要特點。通常情況下，在低溫閘閥或球閥中應開設泄壓孔。因閥門在關閉的狀態下，閥腔內充滿低溫介質，如遇溫度變化，會出現低溫介質氣化的情況，閥腔壓力急劇提升，如不及時泄壓，會導致閥門泄漏，更嚴重的情況則是閥體開裂，導致事故發生。故在安裝閥門時，一定要注意閥門的安裝方向，以確保閥體所標識的泄壓的方向和流程圖保持一致。

3.2.2 機組入口低溫管道的支架設計要點

減少冷損失是保冷支架設置的重要理念之一，正確設置保冷支架可以有效防止"冷橋"的產生。在水平敷設低溫管道的時候，所使用的保冷支架與傳統支架不同，為避免低溫管線的冷損失，保冷支架均設置有保冷結構，一般為木塊或者隔熱塊，水平敷設的低溫管道通常采取的支架形式為管箍式，其作用是不僅可以降低施工難度，同時也便于日后的檢維修。丙烯制冷壓縮機一、二、三段入口低溫管線的保冷支架選型和設置的要點應綜合考慮隔冷塊的機械強度、管線檢維修以及支架的止推、導向及低摩擦等多重因素。

圖4為一種標準滑動保冷支架的結構形式圖。圖5為一種應用于丙烯制冷壓縮機入口管道上的非標保冷支架示意圖。

圖4 一種標準滑動保冷支架結構圖

圖5 保冷止推支架示意圖

4 結語

壓縮機及其附屬管道布置的安全、合理、可靠性對裝置的平穩運行起著至關重要的作用。筆者在不斷總結設計經驗的過程中認為以下幾點是丙烯制冷壓縮機及其附屬管道設計工作中應該認真考慮的問題：

(1)嚴格執行國家及相關行業標準規范是布置壓縮機及其附屬管道的前提條件。

(2)合理優化布局機組與廠房及其配套設備的相對位置是實現管道合理布局的基本條件。

(3)正確選擇保冷支架類型是實現壓縮機平穩運行的關鍵條件。正確設置保冷支架位置(例如，預留好管箍式保冷支架與其相鄰低溫管道的安裝空間)是設計細節的體現。

總之，設計人員應充分貫徹落實設計標準規范，善于結合用戶使用情況及現場施工經驗，注重設計細節處理，不斷提升設計人員的設計水平。