大型空分裝置主空壓機(jī)出口管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

吳炯

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710000）

1 引言

空分裝置的大型化是滿足大型煤化工及其他大型化工企業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，如神華4×106t/a 煤炭間接液化項(xiàng)目配建了12 套1×105Nm3/h（制氧量）規(guī)模的空分裝置，神華榆林循環(huán)經(jīng)濟(jì)煤炭綜合利用項(xiàng)目（一階段工程）為1.80×106t/a 煤制甲醇和4×105t/a 煤制乙二醇生產(chǎn)裝置配建了3 套1×105Nm3/h 規(guī)模的空分裝置，盛虹煉化一體化項(xiàng)目配建了4 套9.3×104Nm3/h空分裝置，為全廠提供各級氧氣、氮?dú)狻x表空氣等。大型空分裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行為全廠的生產(chǎn)運(yùn)營提供了重要的原料及公用工程保障。

空氣壓縮機(jī)是空分裝置最核心的關(guān)鍵設(shè)備之一，其長期穩(wěn)定運(yùn)行才能保障空分裝置的長周期安全穩(wěn)定生產(chǎn)。空氣壓縮機(jī)組包括機(jī)器部分、級間冷卻系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制連鎖等子系統(tǒng)，各系統(tǒng)有機(jī)組成一套完整的壓縮機(jī)組，每個(gè)子系統(tǒng)正常工作才能確保壓縮機(jī)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，其中，管道系統(tǒng)將各個(gè)機(jī)器和設(shè)備聯(lián)系起來，并將壓縮機(jī)增壓后的空氣輸送到下游裝置。管道系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行也起到了至關(guān)重要的作用。

大型空分裝置中主空壓機(jī)出口管道管徑大、流量大、工況復(fù)雜、位置敏感。空分主空壓機(jī)因出口管道設(shè)計(jì)不合理可能會發(fā)生振動、喘振、泄漏等故障，損壞機(jī)組的零部件，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致裝置停車，影響全廠的生產(chǎn)。所以，在工程設(shè)計(jì)中，空壓機(jī)出口管道的設(shè)計(jì)是否合理直接影響壓縮機(jī)能否長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

本文所述的空壓機(jī)出口管道主要包括兩部分，第一部分是從空壓機(jī)出口到空冷塔入口之間的管道；第二部分為空壓機(jī)出口主管到放空消音器入口之間的防喘振及放空旁路管道。空壓機(jī)出口主管上設(shè)置止回閥、防喘振及放空旁路管道上設(shè)置防喘振閥。本文根據(jù)空分裝置實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，通過對多項(xiàng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從限容積設(shè)計(jì)、減振設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析3 方面對主空壓機(jī)出口管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，總結(jié)該管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 防止壓縮機(jī)喘振限定管道容積

2.1 離心壓縮機(jī)喘振及防喘振設(shè)計(jì)

當(dāng)離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，壓縮機(jī)出口的壓力劇烈波動，介質(zhì)的流動方向發(fā)生周期性逆轉(zhuǎn)，引起壓縮機(jī)振動和過熱，可能會導(dǎo)致壓縮機(jī)的軸承、密封甚至葉輪和轉(zhuǎn)子等部件損壞，對生產(chǎn)造成巨大影響。因此，離心壓縮機(jī)的防喘振設(shè)計(jì)是保障機(jī)組性能的重要環(huán)節(jié)[1]。

目前，防喘振設(shè)計(jì)的方法主要有兩類：一是通過優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如設(shè)置葉片轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)等；二是采用相應(yīng)的防喘振裝置或通過改變管網(wǎng)特性使壓縮機(jī)運(yùn)行遠(yuǎn)離喘振區(qū)，從而避免喘振發(fā)生。

例如，在壓縮機(jī)出口管道上設(shè)置的防喘振閥即一種預(yù)防壓縮機(jī)發(fā)生喘振的裝置之一。當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)行曲線接近喘振區(qū)時(shí)，防喘閥會在限定時(shí)間內(nèi)迅速做出應(yīng)答，開啟閥門，將壓縮機(jī)出口的氣體回流到入口或直接放空，從而消除壓縮機(jī)出口的壓力波動，確保通過壓縮機(jī)葉輪的流量值超出喘振區(qū)的流量范圍，避免喘振發(fā)生。為確保防喘閥能在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行工況遠(yuǎn)離喘振區(qū)，壓縮機(jī)廠家提出了出口管道的設(shè)計(jì)容積要求，一般要求出口管道的容積盡量小，不超過壓縮機(jī)廠家提出的容積要求。

2.2 壓縮機(jī)廠家關(guān)于管道容積的要求

例如，在大規(guī)模空分中使用的曼透平（MAN）的空壓機(jī)組，設(shè)計(jì)條件中一般提出的要求是：主空壓機(jī)出口、防喘閥、出口止回閥三者之間的管道總?cè)莘e不超過壓縮機(jī)1 s 內(nèi)的設(shè)計(jì)體積流量。同樣，西門子廠家空分裝置配套的壓縮機(jī)組，設(shè)計(jì)文件中提出的要求是防喘閥盡量靠近空壓機(jī)出口，并且到空壓機(jī)出口之間的管道長度≤10 m，目的是通過控制空壓機(jī)出口至防喘振閥門的距離來限制管道容積。

因此，在限定容積的條件下，管道設(shè)計(jì)時(shí)需將空壓機(jī)出口止回閥和防喘振閥盡量靠近壓縮機(jī)出口布置。對于大型空分裝置，空壓機(jī)出口的管道規(guī)格一般達(dá)到DN1 200 mm～DN1 800 mm，其管道的空間布置非常緊張，這就要求合理布置管道。

2.3 實(shí)際管道設(shè)計(jì)案例

圖1 中的配管方式是一種針對MAN 廠家的機(jī)組較典型的布置方式。大型空分裝置中MAN 設(shè)計(jì)的一拖二機(jī)組，汽輪機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)同軸布置，機(jī)組的頂板設(shè)計(jì)為矩形，矩形頂板的厚度能達(dá)到2 m，巨大的混凝土頂板確保了大型機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。空壓機(jī)兩側(cè)的空間可以用來布置空壓機(jī)出口管道。止回閥安裝在盡量靠近管口的位置，防喘振閥布置在機(jī)組的混凝土平臺上，既盡量靠近空壓機(jī)出口控制容積，又能借助大型鋼筋混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行牢固支撐。

若因布置及結(jié)構(gòu)限制，通過配管無法將容積控制到限定范圍，可以通過縮小管道的管徑來控制容積，但要確保管道的流速滿足要求。例如，圖2 所示為西門子廠家空壓機(jī)出口的管道設(shè)計(jì)，西門子的機(jī)組空壓機(jī)出口位置沒有可以牢固生根的結(jié)構(gòu)，所以，將防喘振閥門布置到靠近地面的位置，該設(shè)計(jì)中防喘閥距空壓機(jī)出口的距離＞10 m，但與廠家協(xié)商的處理方案是縮小出口管道直徑，控制管道容積在一定范圍即可。該設(shè)計(jì)方案將防喘閥設(shè)置在地面附近，借助從地面升起的混凝土管墩對放空管道進(jìn)行牢固支撐，防止管道振動。

圖1 某空分裝置MAN機(jī)組空壓機(jī)出口管道

圖2 某空分裝置西門子機(jī)組空壓機(jī)出口管道

所以，空壓機(jī)出口管道的限定容積設(shè)計(jì)是空壓機(jī)出口管口、防喘閥、出口止回閥三者之間的管道總?cè)莘e需根據(jù)機(jī)器廠家的要求限定在一定范圍內(nèi)，并將最終的配管容積提供給設(shè)備廠家進(jìn)行核算，以滿足防喘振的要求。

3 管道減振設(shè)計(jì)

在執(zhí)行防喘振的過程中，防喘振閥的作用是在限定時(shí)間內(nèi)開啟閥門，確保壓縮機(jī)的運(yùn)行流量高出喘振流量一定標(biāo)準(zhǔn)，從而脫離喘振區(qū)。并且，在開、停車過程中主要通過防喘振閥進(jìn)行大量放空。防喘振閥門在開啟的狀態(tài)下，閥門上下游之間會形成約0.4～0.5 MPa 的壓差。大流量及大壓差導(dǎo)致氣流對閥門產(chǎn)生較大的激振力作用，引起閥體振動，若該振動處理不當(dāng)，將會造成嚴(yán)重的后果。為控制閥門的振動并確保機(jī)組及其他結(jié)構(gòu)的安全，管道設(shè)計(jì)時(shí)要從以下方面考慮：

1）若防喘振閥門本體設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，可在閥門上設(shè)置固定支撐，直接限制閥門的振動。

2）將閥門的定位器等零部件設(shè)置為分體式，與閥體脫開，避免閥門精密零部件的損壞。

3）在閥門上游的管道上緊靠防喘閥設(shè)置固定支架，該固定支架設(shè)置在混凝土承臺或地面混凝土管墩上，確保足夠的剛度及強(qiáng)度，避免振動傳導(dǎo)至其他結(jié)構(gòu)上。同時(shí)，防喘振閥門下游至消音器入口管道上的支架設(shè)置為防振支架，確保減振管托的生根位置牢固。

4）為保證放空時(shí)流體通過閥門的流場，盡量穩(wěn)定以減小對防喘閥的激振力作用，一般要求防喘振閥前的直管段長度≥4 倍閥門口徑，閥后的直管段≥7～8 倍閥門口徑。

5）設(shè)計(jì)時(shí)有必要動態(tài)分析放空管路，計(jì)算激振力的大小，在設(shè)計(jì)管架結(jié)構(gòu)時(shí)考慮激振力的荷載。

4 管道應(yīng)力分析

一般主空壓機(jī)出口管道設(shè)計(jì)溫度120 ℃，操作溫度約100 ℃。出口管道的管徑為DN1 200 mm～DN1 800 mm。其溫差應(yīng)力產(chǎn)生的熱位移及管道推力易引起設(shè)備本體的振動和管口局部應(yīng)力過大。在空壓機(jī)出口到空冷塔入口的管道設(shè)計(jì)時(shí)，為避免管道的熱膨脹對空壓機(jī)產(chǎn)生不利影響，須確保管道具有一定的柔性。為吸收管道的熱位移的同時(shí)采用管道自然補(bǔ)償和增加膨脹節(jié)的方式。因此，在空壓機(jī)管口位置需設(shè)置大拉桿膨脹節(jié)吸收管道的熱位移，同時(shí)在出口附近的管道上設(shè)置彈簧支架，保障壓縮機(jī)本體的安全。

因容積限制及減振要求，出口管道的放空旁路一般距離管口較近，并且由于減振設(shè)計(jì)要求緊靠防喘振閥門上游的管道支架設(shè)置成固定支架，放空旁路的管道對設(shè)備管口的作用也需要在合理設(shè)計(jì)管道柔性的前提下，同時(shí)在靠近主管位置設(shè)置膨脹節(jié)補(bǔ)償管道位移，才能消除管道應(yīng)力對壓縮機(jī)管口的影響。同時(shí)在空壓機(jī)到空冷塔的主管中間位置或靠近空冷塔位置宜設(shè)置大拉桿膨脹節(jié)，并通過合理設(shè)置限位支架消除管道對設(shè)備的影響。圖3 所示為某項(xiàng)目中空壓機(jī)出口管道管架及膨脹節(jié)設(shè)置的案例。圖中標(biāo)注了管道上各處零部件設(shè)施的安裝位置。出口管道上彈簧支架、膨脹節(jié)、固定支架、減震支架的設(shè)置以及相對位置基本一致，使用這種設(shè)計(jì)方法在空分裝置的實(shí)際運(yùn)行過程中效果良好，能保證壓縮機(jī)及管道的各方面正常運(yùn)行。

圖3 管架及膨脹節(jié)設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

大型空壓機(jī)出口管道設(shè)計(jì)需綜合考慮管道容積、應(yīng)力、振動等多方面因素，同時(shí)受廠房結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置、工藝條件等制約，需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況具體分析，盡量滿足各方面的要求，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)較完善的方案，確保機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。