空氣分離裝置PBU系統的工程設計

杜凌云(上海建安化工設計有限公司，上海 200437)

0 引言

隨著近年來我國高純氣體方面的需求量越來越大，全國陸續新建很多空氣分離裝置。作為高純儲罐的重要配套系統,PBU系統的設計需要克服很多難點。

1 空氣分離工藝簡介

空氣分離，即空分，是采用物理或化學手段，對空氣進行分離，獲得高純度氮氣、氧氣以及其他稀有氣體的過程。空氣分離主要有深冷空分法、膜分離法和分子篩吸附法三條工藝路線。文章涉及的國外大型空分企業，采用的是深冷空分法，其核心在于利用空氣中各組分的沸點不同。首先用壓縮機對空氣進行壓縮、膨脹和降溫，得到液化空氣。再把液化空氣通入精餾塔，使其與氣體空氣接觸，由于氣、液空氣之間存在溫差，兩者會發生熱交換。低溫的液化空氣中氮組分由于沸點低率先蒸發進入氣相，氣態空氣中的氧組分由于沸點高也率先冷凝進入液相。造成氣相中的氮含量越來越高，液相中的氧含量越來越高。經過如此多次循環，達成分離空氣中的氮和氧的目的。同理，氬氣等其他稀有氣體，也是利用沸點不同，從初級液態氧氣中進一步分離而來。深冷空分法是目前應用程度最廣的空氣分離法，其特點是產品純度高、產量大、可附帶提取氦、氖、氬、氪等其他稀有氣體。

2 PBU系統的設計

2.1 PBU簡介

PBU，即Pressure Build-Up，是液化氣體儲罐配套的一種空浴式換熱器。其功能是以空氣為熱源，對氣體進行加熱。

2.2 PBU系統的工藝流程

如圖1所示，當需要把儲存于儲罐內的液化氣體輸送至下游氣化器進行氣化時，打開儲罐與PBU之間的連通閥，少量液化氣體自流入PBU，在PBU內與空氣進行熱交換，迅速氣化為氣態，體積迅速增大，達到壓力聯鎖的調節閥的預設值后，輸送回儲槽，提高整個液化氣體儲槽的壓力，為后續大量液化氣體輸送入下游汽化器提供了推動力。整個PBU增壓過程，除了操作人員需要對聯通閥進行操作外，沒有其他操作，運行成本低；而增壓推動力為儲罐自身介質，沒有額外能源介入，節能的同時，避免了外界因素污染高純氣體環境。

圖1 PBU相關工藝流程圖

2.3 PBU系統管道材料設計

2.3.1 基礎管材的設計

PBU系統的設計溫度為-196 ℃到65 ℃，設計壓力為0 MPa到2.76 MPa；PBU系統的操作溫度為-140 ℃到-150 ℃，操作壓力為1 MPa到1.5 MPa。PBU系統的介質為液態或氣態的氮氣、氬氣和氧氣。考慮到最低-196 ℃的設計溫度和高純氣體的潔凈需求，PBU系統的管道與管件使用06Cr19Ni10，即304不銹鋼。

2.3.2 管道壁厚的計算

根據 GB/T 20801.3—2006，管道壁厚的理論公式為：

計算壁厚tc=PD/2*(SΦW+PY)

式中：P為設計壓力(MPa)；D為管外徑(mm)；S為設計溫度下管道組成件金屬材料的許用用力(MPa)；Φ為縱向焊接接頭系數；Y為計算系數。

以PBU系統DN50的主管為例，設計溫度為65 ℃，設計壓力為27.60 bar。

根據HG/T 20553，D取60.3；根據根據GB/T 20801.2，S取138；根據GB/T 20801.3，Φ取1，Y取0.4；計算得到tc=0.598 mm。

設計壁厚td=tc+腐蝕余量+機械負偏差+機械加工深度。

管系采用304不銹鋼無縫鋼管，腐蝕余量為0 mm；不加工內外螺紋，所以加工深度偏差取0 mm；根據GB/T 14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》，機械負偏差取12.5%，即0.074 mm。

得到最終設計壁厚td=0.672 mm。根據HG/T 20553的Ia系列壁厚表，進行圓整，取1.6 mm，Sch.5S規格。

2.4 安全閥管道的設計

整個PBU管系設置了兩套安全閥組，即一套向大氣放空的的安全閥組，以及一套是向地面排液的thermal relief valve閥組。

2.4.1 放空安全閥組的設計

設置放空安全閥組，是為了保證PBU出口管道的內壓不超出設計壓力，杜絕安全隱患。為了保證系統的連續運轉，避免為檢修安全閥而停車，放空安全閥組采用的三通閥接兩個安全閥的雙聯安全閥模式。保證一側安全閥進行檢修時，另一側依然可以工作，兩路可自由切換[1]。由于PUB出口管線內是氮氣、氬氣和氧氣，屬于非可燃氣體，根據GB50160《石油化工企業設計防火規范》，在滿足放空管口高出相鄰操作平臺2.2 m以上的要求后，允許向大氣直接排放。安全閥組的進口管道應盡可能短，保證最大壓力降不超過安全閥額定壓力的3%。

安全閥出口管道的設計應注意以下幾點：(1)設置φ10 mm淚孔以防止積雨；(2)為防止額外背壓，管道排放管端應切成平口，使介質直接向上高速排出，且不得設置防雨帽；(3)根據泄壓排放引起的反作用力，合理設置支架。

2.4.2 thermal relief valve閥組的設計

thermal relief valve，是國外低溫裝置中使用的一種泄放裝置，尚無公認的中文譯名。其作用是解決當PBU管系兩端聯通閥被誤操作關閉，形成封閉管段時，殘留液化氣受熱膨脹后的超壓問題。其特點是泄放量小，液體泄壓速度快。閥門入口一般為NPT 1/2～3/4″，出口為NPT 1″。thermal relief valve結構圖如圖2所示。

圖2 thermal relief valve結構圖

Thermal relief valve閥組的進口管道要盡可能短。出口管道要朝向地面，并用U型螺栓固定在管道支架上，防止泄放時候劇烈振動。

2.5 管系的柔性和保冷設計

PBU系統的設計溫度下限為-196 ℃，意味著整個管系屬于典型的深冷管道，在管道應力、管道保冷層的設計和管托的選型上需要針對性進行考慮。

2.5.1 管系的柔性和應力分析

深冷管道的布置要求整個管系有足夠的柔性，以吸收系統運行后管道冷縮產生的應力。相比增設補償器方案，自然補償簡單且可靠性強；由于管道直徑不大，為了增加管系柔性而使用的管道在成本上也比各類補償器要便宜很多。所以在空間允許的情況下，自然補償是普通深冷管系的首選[2]。文章使用CAESAR II軟件，在ASME B31.3規則下，對管系的柔性和管口的荷載進行了模擬計算。以氬氣儲罐的PBU管系為例，進行建模。氬氣PBU管系的應力模型圖如圖3所示。

圖3 氬氣PBU管系的應力模型圖

如圖4所示，根據應力計算結果, Allowable Stress項大于各點Code Stress項，表示整個管系在ASME B31.3規則下，一次和二次應力均通過。

圖4 一次應力和二次應力校核結果

根據WRC-107，對設備管口進行校核，如圖5所示，各方向的力和力矩都小于規范允許值，管口校核通過。

圖5 設備管口應力校核結果

2.5.2 管系的保冷設計

深冷管道進行保冷的目的是減少低溫介質在管道內輸送時的冷量損失，防止管道表面結露以及避免操作人員凍傷。管道的保冷結構從里至外，依次為保冷層、防潮層和保護層。其中保冷層對保證管道內介質的溫度起主要作用，需要從密度、導熱系數、抗壓強度和屬于溫度幾個方面入手，進行選擇。

如表1所示，聚氨酯泡沫塑料由于不能適用于-196 ℃而被放棄。泡沫玻璃在密度和強度上有明顯優勢，但是成本較高，聚異氰化脲酸酯則正好相反。對于PBU管系，根據應力計算結果，在荷載不大的普通管段上，使用聚異氰化脲酸酯進行大規模保冷；在部分荷載較大的區域，使用泡沫玻璃進行保冷。

表1 幾種常用保冷層材料的性能參數表

2.5.3 保冷管托的選型

為了防止管道與管道支架直接接觸，產生“冷橋”效應，造成冷量損失，需要對管道支架點進行保冷處理。而支架點位的荷載遠超管道其他位置，普通的管道保冷結構不能滿足需要，因此需要設置專門的保冷管托。普通型保冷管托示意圖如圖6所示。

圖6 普通型保冷管托示意圖

普通型保冷管托在各方向上的可承受荷載是有極限的，與管托的長度和管道的公稱直徑有關，選用的管托越長，或者管道的公稱直徑越大，可承受荷載也越大。當支架點的荷載超過當前普通保冷管托的許用值時，根據超出管托許用值程度的不同，有三種解決方案：

當支架點荷載超過管托許用值一倍以內時，使用加強型管托；

當支架點荷載超過普通管托許用值2倍以內，且不便增設支架點的情況，可以酌情使用由泡沫玻璃作為保冷層材料的成品管托；

當支架點荷載超過泡沫玻璃管托許用值時候，需要通過在支架點上下游增加支撐點，減小管道一次應力的方式，減小該點荷載直到降至加強型管托許用范圍內。

3 結語

文章以深冷管道的設計為切入口，從管道材料的選擇、應力分析和管道保冷設計等多個角度分析了PBU系統設計過程中會遇到的各個技術難點。在兼顧安全性和經濟性的同時，實現了最優化設計。