化工裝置中干式空冷器及其管道布置要點淺析

陳子路（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

空冷器是空氣冷卻器的簡稱，是化工裝置中一種常見的設備。主要原理是利用空氣作為冷卻介質將熱的工藝介質冷卻或冷凝到設計所需要的溫度。根據冷卻方式的不同，可以分為干式空冷器和濕式空冷器。濕式空冷器是在干式的基礎上，借助于水的噴淋或霧化增強換熱，雖然冷卻效率相對較高，但易造成管束的腐蝕，整體壽命較短，因而在化工行業中應用不多。文章中所提的空冷器主要指干式空冷器，相比傳統的水冷式換熱器，干式空冷器具有操作簡便、節約水資源、保護環境、減少工業廢氣廢水的排放等優勢，在化工行業得到了廣泛的應用。

根據化工設計院的常規設計分工，空冷器一般是由工藝專業提出的空冷器的形式及計算設計所需的冷卻能力，并向空冷器廠家提供詢價書，具體的外形尺寸由空冷器廠家設計并制造的。管道專業根據空冷器廠家提供的設備外形尺寸、接管位置等，從優化設備占地、工藝流程順序、提高空間利用率、便于現場操作檢修等方面考慮，對空冷器廠家的外形尺寸，接管位置進行審查，并提出相應的修改意見。根據廠家返回的審查后意見，再對設備進行合理布置，并裝置平面布置圖中表示。根據空冷器的設備布置情況，管道專業還需要完成對空冷器配套設備梯子平臺、進出口管道的設計，并將設備平臺、埋板、管口作用力等返給空冷器廠家核算。

1 空冷器裝置布置設計要點

1.1 基本要求

考慮裝置設備布置總體統籌及空冷器的設備特點等因素，空冷器優先布置在框架的頂層或管廊的上方等裝置內高點，柱距通常采用9到12米。當裝置內有多組空冷器集中布置時，為減少管道偏流，盡量讓廠家將空冷器的進出口數量設計為偶數，設備還應成排或成列布置。建構筑物一側應設置硬化地坪及通道，供檢修車輛停留的。根據空冷器的最大檢修件重量、安裝高度、安裝位置距離檢修空地的距離等因素，綜合考慮后根據所需吊車的型號，確定檢修場地的尺寸。

1.2 避免熱風循環的設計要點

空冷器是以空氣作為冷卻介質進行換熱的設備，設備空氣入口處的空氣溫度對換熱效果影響較大，設備布置時避免熱風循環對保證空冷器的換熱能力非常重要。如布置不合理，空冷器的入口空氣溫度高于設計考慮的環境溫度，會使空冷器的換熱能力達不到設計要求。可能導致這種情況的主要因素有以下幾點：空冷器空氣吸入口附近布置有明火加熱爐等其他高溫設備；空冷器的空氣排出口氣體無法有效擴散，重新進入空氣吸入口，導致熱量循環。

為避免熱風循環現象，空冷器應盡量布置在裝置內相對空曠的、有利于氣體擴散的場所。在空冷器的上風向25 米范圍內，應避免出現高溫設備。同時設備還應布置在裝置全年最小頻率風向的下風側，尤其要注意夏季的風向。當多臺空冷器成排布置時，應靠近布置，并保持高度一致。如確實需要分開布置時，兩組空冷器之間的間距不宜小于20米，并保證設備布置高度一致。

1.3 檢修平臺設計要點

設備檢修平臺的設計是化工設計院裝置布置及管道專業重要的工作內容之一。檢修平臺設計的主要原則是在滿足日常操作和檢修的前提下，還需要做到美觀、經濟、可靠。在設計過程中，空冷器的設備和管道布置應整體統籌考慮，同步進行設計。對于入口溫度較高的在空冷器物料入口側，管道通常不能直進直出。入口管道應進行管道柔性分析及應力計算。只有在完成管道柔性分析后，才能最終確定入口管需要的配管空間。

在平臺設計中，應保證其四周配管后平臺凈寬在0.8 米以上，對于需要經常需要操作、檢修的地方，平臺凈寬一般在1.2米以上。當空冷器進出口管道需要穿過空冷器平臺時，因管道布置比較集中，可以在平臺上開一個長孔并設置護欄，以便在平臺上設計管道支架。如平臺的位置在空冷器檢修件的上方，為方便吊裝，應在平臺上設置一個略大于檢修件的吊裝孔，吊裝孔內應采用活動梁。

2 空冷器管道布置設計要點

2.1 基本要求

空冷器的配管在符合工藝流程的要求之外，還應滿足操作檢修及日常維護的需求。如有管道穿過設備平臺的吊裝孔或管道位置影響空冷器的管束吊裝等情況，需要在管道上安裝一對拆卸法蘭，減少檢修過程中管道的切割及焊接的工作量，保證裝置的安全性。管道專業設計人員在考慮管道走向布置時，同時還需要規劃電氣、儀表橋架的位置，避免與管道安裝的交叉碰撞，并將預留的橋架位置提給下游專業確認。在化工行業中，管道內介質通常含有硫分，當物料冷卻至露點溫度以下時，含硫的蒸汽就會對管道造成腐蝕。為了避免管道末端發生低溫露點腐蝕，各級管道之間還應盡可能使用彎頭進行連接，減少管道的末端導致的不流動的死區。

2.2 防偏流的設計要點

隨著裝置規模的大型化，目前化工裝置多數采用多臺空冷器成組布置的方案。為保證物料進料分配均勻，入口管道壓降一致，保證空冷器效率，空冷器的入口管線應采用對稱布置。進料總管至空冷器入口應逐級變徑，分流前的上一級總管還應保持一定長度，以保證物料有足夠的空間分配均勻。對于含有硫分的氣體物料，為避免管道死區，不應使用三通加管帽的形式，集合管兩端應采用彎頭連接。空冷器的出口管道也應采用對稱布置，減少管道壓降不同對空冷器入口分流的影響，出口管線可直接匯和至一根集合管后接走。圖1為典型的空冷器進出口管道布置。

圖1 空冷器進出口管道布置

圖1中空冷器為上進下出的結構，其中進口管線物料狀態為空冷器進口管道中常見的氣液兩相流，管道采用步步低的方式進入空冷器。為保證流量分配均勻，整體上采用多級分流對稱布置。因氣液兩相流管道的特殊性，在配管時將異徑管前的三通水平布置，上級總管與下級管道所在平面垂直，避免形成柱狀流引起管道振動和設備破壞，確保生產安全。

在實際生產裝置中，可能會碰到管道布置空間不足，無法滿足上述要求。對于一些對偏流要求比較苛刻的工況，設計時需要對出入口管道的偏流情況做單獨的分析。通過CFD 軟件（如Fluent）設置出入口邊界條件，物料的參數，建立實際的管道模型，對流場進行模擬。根據模擬結果優化管道布置，基本能滿足工程方面的要求。

2.3 管道應力要求及設計要點

在管道設計過程中，空冷器的管道布置還應做到對稱布置、美觀、無液袋、管路有足夠的柔性。當空冷器上游設備與空冷器入口管道較近時，可通過管道П形布置，增強管道柔性，以滿足空冷器廠家對管口受力的要求，如果廠家沒有提出相關需求，可采用API661相關要求進行校核。一般情況下，通過管道固定點位置的設置，使管道膨脹方向與設備膨脹方向一致，減少管道對設備管口的附加力。如實際管道安裝位置有限，無法通過自然補償來滿足管道柔性，可以考慮將管口受力情況返給空冷器廠家，通過加強管口來滿足實際管口受力要求，避免管口處發生物料泄露問題。

3 結論

綜上所述，化工裝置中空冷器及其管道的合理布置方案是保證設備換熱效率，裝置安全可靠運行的前提。隨著裝置的大型化，新建化工裝置通常都有裝置布置緊湊，配管空間緊張，對裝置布置及管道設計要求更高。化工設計院的裝置及管道布置專業設計人員在工作過程中，要做到滿足設計規范、工藝流程、符合廠家要求、保證生產安全，還要做到布置的整體美觀、方便檢修及日常操作等。