化工裝置管道布置優化研究

侯貴軍

（東洋工程（上海）有限公司，上海 200124）

化工裝置設計中，經常會遇到高溫高壓、兩相流、低溫、真空、塔頂氣相管線的設計，這些管線往往管徑比較大，通常會影響設備整體布置，管道布置不合理也會影響工廠的安全運行，提高運營成本。某生產乙醇胺的化工裝置已有一套在運行，由于市場需求旺盛，現新建一套，工藝上有部分優化調整。工程設計過程中通過對現有裝置的走訪調查及工廠運營管理人員的介紹，發現管道布置上有些地方需要優化調整。本文以反應系統管道布置為例，通過設計中遇到的問題進行管道布置優化設計。

1 反應器冷卻系統管道布置分析研究及優化

反應系統為環氧乙烷和氨水在高壓下反應生成乙醇胺，反應器為多層夾套管反應器，環氧乙烷和氨水分別通過高壓泵增壓后進入夾套管內管預熱、反應。反應過程中放出大量熱量，放出的熱量通過夾套管外管內的熱水系統移出。由于反應工藝需要，夾套外管內的熱水溫度要控制在120℃左右，為了防止熱水在夾套外管內汽化，影響換熱效果，需要給熱水系統保持0.8MPa的壓力。出反應器的熱水減壓汽化形成兩相流進入緩沖罐，汽化后的蒸汽通過緩沖罐上部的換熱器冷卻至液體回流至緩沖罐，熱量被移出的熱水通過緩沖罐底部的泵打入反應器夾套外管循環使用。

在走訪調查中發現，熱水系統減壓閥后的立管及至緩沖罐的集合管振動明顯，站在混凝土樓面上能感覺到明顯震感。工廠委托設計單位通過支架位置及型式優化調整后均未明顯減除管道系統的振動情況。此問題一直困擾工廠運營人員，存在安全隱患，建議在新建裝置中改進。原有熱水系統的走向如圖1所示：

圖1 原有熱水系統圖

通過分析研究發現，現有熱水系統的減壓閥全都放在立管上，減壓后的熱水形成汽液兩相流，使手閥后DN100的立管內充斥大量液體。DN300的主管也有向上的一個拐點，使得集合管內一直存有液體，很難自流進入緩沖罐。減壓閥后的管道系統內有大量液體與減壓后生成的蒸汽形成汽液混相流，當流速增加或改變流向時會引起水擊，是整個管道系統產生振動的根本原因。

減少管系振動就要消除減壓閥后管道系統內積存的液體，使其能自流入緩沖罐，合理設置管道支架以改變管道系統的固有頻率。新建項目改進方案為：①在混凝土樓面上部增設局部鋼平臺，將減壓閥及手閥放置在鋼平臺上部的橫管上，并靠近集合管，集合管至緩沖罐設置一定的坡度。②手閥后管道擴徑至DN200，使減壓后的汽液兩相進入一個較大的空間，降低流速，消除一部分沖擊力。③DN200支管與DN300集合管連接處采用順流體流向方向45°插入，以減少對集合管的沖擊力。④根據應力分析報告，在合適位置設置支架。此方案在很大程度上解決了管道系統的振動問題。優化后的管道系統圖如圖2所示。

圖2 優化后熱水系統圖

2 氨水進料管道布置分析研究及優化

根據工藝要求，氨水需要增壓至10MPa進入反應器，采用兩級高壓屏蔽泵增壓，第一級增壓至6MPa，第二級增壓至10MPa。在第二級增壓泵出口有一路回流管線至氨水罐。受場地空間限制，現有裝置設備及管道布置時將泵進出口管線上的閥門、壓力表等全部放置在泵上方與上層樓面之間的夾層鋼平臺上。根據泵廠家提供的管口受力數據，經過應力計算，需要在每級泵出口管線上設置彈簧支架。由于管徑較大（DN100），閥門操作時需要兩個操作人員協作完成，開停高壓泵時，鋼平臺下方還需要一名操作人員。如此布置，工廠正常運營時需要多配備操作人員，閥門、儀表檢維修時需要在鋼平臺上完成，也帶來諸多不變。原有工廠主要管道走向圖如圖3所示。

圖3 原有氨水進料管道系統圖

通過與技術方及現場操作人員技術交流得知：技術方出于對彈簧支架穩定性的擔憂，要求在新項目中的高溫高壓管線上盡量避免使用彈簧支架。現有裝置兩級增壓泵之間的邏輯關系如上圖所示，A、B泵為一開一備，兩臺一級增壓泵的出口管線合并成一路再分成兩路分別到兩臺二級增壓泵。如此設計是為了使一臺一級增壓泵對應兩臺二級增壓泵，以降低由于增壓泵故障引起裝置停車的概率。但在實際生產操作中，從未發生過兩臺泵同時發生故障的情況。故在新項目中技術方在爭得運營方同意后將兩級增壓泵之間的邏輯關系改為一對一，即一臺一級增壓泵對應一臺二級增壓泵。如此一來就節省4臺一級增壓泵出口至二級增壓泵進口管線的切斷閥，簡化了操作系統的邏輯關系。根據以上工藝調整，本著方便操作維修，節約建設與運營成本的原則，新建項目對設備和管道布置做了如下優化調整：①兩臺一級增壓泵布置在兩側，二級增壓泵在中間錯開布置，取消泵上方的鋼平臺。②所有閥門、儀表等都布置在地面上人員容易操作的地方。③改變管道走向，根據應力分析報告設置支架，取消彈簧支架。優化后的管道系統圖如圖4所示。

圖4 優化后氨水進料管道系統圖

3 環氧乙烷進料管道布置分析研究及優化

根據工藝要求，環氧乙烷進入反應器前同樣需要增壓至10MPa，通過單體三聯式高壓隔膜泵為環氧乙烷增壓。泵廠家在設計時為降低泵出口處流體的脈動影響及減少整個管路系統的振動，根據模擬計算結果在泵進出口處各設置了一個100L的圓形空罐作為緩沖罐，緩沖罐低點處各設置了一個放凈口。環氧乙烷為致癌物，加熱時劇烈分解，極易燃，與空氣的混合物快速壓縮時，易發生爆炸。由于物料的危險性極高，因此在整個管路系統中要求環氧乙烷的存量最少，在泵進出口各設置一個100L的緩沖罐，無形間增大了環氧乙烷的儲存量，存在安全隱患。每次更換隔膜時需將緩沖罐內的環氧乙烷排凈，造成經濟損失。

另外，根據工廠反饋，現有裝置高壓隔膜泵的隔膜每年需要更換兩到三次，影響正常運行，造成生產損失。由于三個單體泵頭間沒有切斷閥，檢維修用氮氣吹掃時很難判斷是否吹掃干凈。希望在新項目中能分析原因，解決隔膜使用壽命和檢維修吹掃方便的問題。原有工廠管道走向圖如圖5所示。

圖5 原有環氧乙烷進料管道系統圖

從安全生產和成本節約方面考慮，需要解決高壓隔膜泵進出口緩沖罐的問題。技術方經過與隔膜泵廠家幾輪的技術交流后，確定用脈沖阻尼器替代隔膜泵自帶的緩沖罐，阻尼器上部采用氮封以達到降低隔膜泵出口液體脈動的作用。經過計算得出隔膜泵進口阻尼器容積為50L，環氧乙烷在里面保持一定液位，液位上部用氮氣填充。隔膜泵出口阻尼器容積分為兩部分：下部50L，環氧乙烷在內保持一定液；上部有2.2m3用高壓氮氣填充。單臺隔膜泵檢修時，只需切斷泵進出口管道上的切斷閥，將泵內的少量環氧乙烷放凈即可。另外在每個泵頭下部的進料口處加裝切斷閥用于解決每個泵頭單獨吹掃的問題。在正常生產過程中通過調整隔膜泵變頻電機的頻率調節流量，將運行方式由原來的一開一備改為兩臺隔膜泵同時運行，流量各為50%，以此降低隔膜的使用頻率，延長使用壽命，爭取在工廠大修期間統一更換隔膜。為最大限度地降低流體脈動，需要管道嚴格的對稱布置并且到進出口脈沖阻尼器的距離最短，在應力計算時以使用最少彎頭為依據，管道支架全部采用防振管卡。優化后的管道系統圖如圖6所示。

圖6 優化后環氧乙烷進料管道系統圖

4 結束語

每個化工裝置的管道布置既有共性也有其專有特性。在工程設計時，要根據所掌握專業知識對工程設計提出一些合理化建議，充分考慮各種因素，特別是在遇到一些特殊管道（如高溫高壓、兩相流、低溫、真空）的設計時，在滿足規范、標準要求的同時，既要考慮建設成本也要考慮運營維修成本。本文通過對整套裝置核心部分原有設計的分析研究，對兩相流、高壓等易產生振動的管道布置提出了優化方案，降低了不利因素對工程的影響，對類似化工裝置的設計具有一定的借鑒意義。