化工裝置中高效復合式空冷器的布置及管道設計

＊王振書

（中國五環工程有限公司 湖北 430223）

空冷器是用空氣進行冷卻的工業熱交換裝置，較一般的水冷熱交換設備具有節省水資源、降低投資及維護費用等優點。石油化工裝置中有時為達到更好的冷卻效果，會先用空冷器冷卻，然后設置后冷換熱器；當受占地面積的限制或受管道降壓的影響時，會選擇高效復合式空冷器。高效復合式空冷器在占地、投資、能耗和公用工程消耗上較常規空冷器具有較大的優勢[1]。隨著工業化的發展，節能減排的深入，高效復合式空冷器在石油化工裝置中也得到了廣泛的應用，所以，做好高效復合空冷器的設備平面布置、管道布置、支架設計等，對裝置的正常運行、檢修、維護使用等具有很重要的意義。本文圍繞高效復合式空冷器的平面布置、管道布置、支架設計等方面，結合工程經驗，全面分析設計時應注意的問題，旨在為其工程設計提供一定的借鑒。

1.空冷器的分類

空冷器的分類方法較多，可以按照冷卻方式、管束布置形式、通風方式和冷卻效果等來分類，具體分類如表1所示。

表1 空冷器的分類

2.高效復合式空冷器平面布置總體原則

高效復合式空冷器平面布置的原則與常規空冷器的一樣，主要考慮以下幾點：

（1）為避免腐蝕性氣體或熱風進入到空冷器的管束，影響空冷器的冷卻效果，空冷器宜布置在裝置全年最小頻率風向的下風側。同時，為不影響空冷器的通風，避免造成熱風循環，空冷器夏季最小頻率風向上風側20～25m范圍內不宜有高于冷卻器的建筑物，構筑物和大型設備，也不宜有高溫設備、鍋爐房等，當無法避免上述情況時，應與工藝專業協商，將空冷器空氣端設計溫度提高來核算。

（2）由于空冷器的占地面積較大，一般不直接布置在地面，同時考慮到操作方便、檢維修和安裝要求，宜布置在管廊的上方或構架的頂層，管廊與構架的一側要留出足夠的檢修場地和通道。放置空冷器的管廊或框架設計時，應同時考慮空冷器構架的長度和寬度，盡量保證空冷器構架一端立柱與管廊或構架的一端取齊。

（3）空冷器是比較脆弱的設備，操作溫度等于或高于自燃點的可燃液體設備，操作溫度等于或高于250℃的可燃液體設備，輸送或儲存液化烴的設備對空冷器都是潛在的火源，所以空冷器的下方不宜布置此類設備。當無法滿足要求時，可采用不燃燒材料的隔板隔離保護。

（4）多組空冷器布置在一起時，形式應一致，同類型應布置在同一高度，無法布置在同一高度時，兩組空冷器之間的間距應大于12m。風機的配套電機及其安裝方位應取齊，以便檢查和供電。

（5）空冷器與加熱爐之間的距離，與變電所、配電室、儀表控制室等建筑的距離，均應滿足《石油化工企業設計防火標準》（2018年版）[2]的要求。

結合以上幾點，某項目的高效復合式空冷器布置于構架的頂部EL+14000層。其平面布置如圖1所示。

圖1 高效復合式空冷器平面布置圖

3.高效復合式空冷器管道的設計

高效復合式空冷器的管道一般分為進出口管道、熱旁路管道及循環水給水管道和回水管道。

(1)進出口管道布置

①空冷器的進口管道不應出現“液袋”，管道的布置應考慮流體的均勻分配。如果物料為氣液兩相流或進口無閥門控制流量時，管道必須對稱布置。如果工藝操作控制中采用閥門調節流量，可不考慮完全對稱的原則，但需要將管道的走向供工藝核算，計算壓降。對于出口管道各支管也應對稱布置，若出口介質為液相時，可直接匯總成一根集合管。

②空冷器的進出口管道為降低壓降，節省材料，便于設置支架，應在管口受力允許的條件下，集合管應盡量靠近空冷器管口布置。若受管道應力和安裝限制時，可不靠近管口連接，但集合管的截面積應是各分支管截面積之和的1.5倍，分支前的集合管也應留不小于1倍管道內徑長度的直管段以保證流量均勻分配[3]。

③進口介質為氣液兩相時，每根直管宜從集合管的底部插入，插入深度約50mm。

④對于含有腐蝕性介質的管道，在管道布置時為減少盲端的腐蝕，總管至空冷器管口的各集合管應采用彎頭連接，對于一般介質采用同徑三通和管帽即可。對于分支管可采用異徑三通的方式連接，也可采用同徑三通和偏心大小頭的方式連接[4]。

結合以上幾點，高效復合式空冷器的管道布置圖如圖2所示。

圖2 高效復合式空冷器進出口管道布置圖

(2)熱旁路管道布置

為平衡空冷器進出口壓力，排放不凝氣，同時為保證系統安全運行，通常會設置熱旁路線。此管線通常從空冷器進口的總集合管頂部引出至回流罐，管道的布置應“步步低”，同時應放置在空冷器附近的構架平臺或空冷器的自身平臺上，應便于調節閥的操作和維修。如圖2所示的熱旁通管線。

(3)循環水給水管道和回水管道布置

為避免空冷器管壁上產生嚴重的結垢，循環冷卻水一般采用軟化水，冷凝器的冷凝段管束的外表也需要經過特殊的處理。冷卻器回水的系統應為自流體系，在管道布置時應注意，彎頭不宜過多，總管也應保證順介質流向的坡度，坡度不小于3‰。

4.高效復合式空冷器管道支吊架的設計

（1）空冷器的管口受力比較脆弱，管道布置時應保證有足夠的柔性，使其管口的作用力和力矩符合制造廠或現行標準《空冷式換熱器》GB/T15386的要求，也可參見API661中的規定。為滿足空冷器管口的受力的要求，通常采用以下方法[5]：

①采用“π”型布置或改變管道的走向來增加管道的柔性，減少管口的受力。

②采用彈簧支架或低摩擦副支架來減少管口的受力，但此項要經過嚴格的應力計算后方可確定。

③在技術合同談判的過程中要求制造廠提高空冷器設備管口的允許受力值，一般為標準規范中的受力和力矩允許值的2-2.5倍。

（2）管道的支撐應盡量利用已有的管架，如已有的自身空冷器構架，可設置倒門型，三腳架，懸臂梁等。當無法滿足管道支撐要求時，可將空冷器自身構架的立柱、管廊立柱或構架的立柱延伸，延伸立柱的高度、受力的大小應提給結構專業或者制造廠供其核算結構的穩定性，如圖2中伸起管架的示意圖。支撐在設備上的管道，支撐在空冷自身平臺上的管道，具體的點載荷位置和大小也應一并提供給制造廠或結構專業。

5.結論

隨著高效復合式空冷器在石油化工裝置中廣泛的應用，做好其合理的平面布置、管道布置和支架設計，對節省投資、占地，節約資源，降低能耗以及裝置的穩定、安全運行具有重要的意義。本文主要強調：

（1）高效復合式空冷器的平面布置應結合設計規范、主導風向、四周的建筑物、構筑物、大型設備以及下層設備的類別來統籌考慮。

（2）高效復合式空冷器的管道布置應滿足工藝流程、相關標準及制造廠的要求，防止偏流、盲端腐蝕等問題。

（3）高效復合式空冷器的支架設計應結合具體的實際情況，并通過一定的手段來滿足支架的穩固安全和空冷器管口受力的要求。