空分后備系統設計及制造優化研究

蔡軍

空氣化工產品（中國）投資有限公司 （上海 201499）

空分后備系統是空分裝置不可或缺的部分，其作用在于空分裝置因故障停車或者檢修時，將液氮或液氧儲罐內儲存的低溫液體汽化后給下游用氣裝置進行供氣，避免下游生產裝置因緊急停車而產生大量的經濟損失。后備系統供氣的持續時間主要取決于兩個因素，即儲罐的容積和后備泵的流量。這就需要在后備系統供氣時間和投資費用之間進行權衡取舍，最終實現經濟效益的最大化。[1]

隨著空分裝置工藝的日益完善，從工藝優化方面減少投資費用越來越難。經過分析大量正在運行裝置的使用反饋，總結了后備系統供氣時間和投資費用之間的經驗公式。因此要持續深入地優化設計和降低投資費用，就不得不聚焦于后備系統的各組成環節，力圖采用新思路和新產品來降低土地使用率、設計和制造費用等。

1 后備系統的組成和實例

1.1 后備系統的組成

后備系統主要有三大組成部分：低溫儲罐、低溫后備泵以及低溫液體蒸發器，具體見圖1。

圖1 液氮后備區域工藝流程

1.1.1 低溫儲罐

低溫低壓儲罐目前大部分使用雙層平底罐，內外罐中間填充珠光砂（膨脹珍珠巖），少部分國外項目的液氧儲罐也會選用臥式罐。儲罐供應商的選擇一般集中在1～2 家，相對比較固定，中間不免有對于所供產品的信任度及穩定性的考慮。

1.1.2 低溫后備泵

低溫后備泵一般選用離心泵。根據輸送壓力的不同可以分為單級泵和多級泵，根據安裝方式的不同可以分為立式泵和臥式泵，根據支撐形式的不同可以分為彈簧吊架和固定支座支撐。低溫泵的選用一般集中在2 家供應商之間進行采購。

1.1.3 液體蒸發器

液體蒸發器通常分為水浴式和空浴式，空浴式通常選用翅片管式蒸發器，效果良好，蒸發量可靠。

1.2 后備系統選用實例

以空氣化工產品（濱州）有限公司的液氧和液氮的后備系統為例，其產品分別為液氧（氧體積分數≥99.6%）、經汽化液氮［ρ（O2）≤7.145 mg/m3］。選用的儲罐分別為1 600 m3的低壓液氮平底罐和1 350 m3的低壓液氧平底罐。液氮低溫泵選用多級臥式泵ZP 3/170 和多級立式泵ZP 10/200，液氧泵選用多級立式泵VP 4/240。該項目中ZP 3/170 為新采用的多級臥式泵，相較于同級別的立式泵，能有效降低設計及制造成本。同時采用了增加防護墻的設計，減少了氧泵箱及閥箱的占地面積，優化了土地的利用率，能在一定程度上降低投資成本。

2 后備系統液氮泵的選型優化

通常在項目剛開始詢價時，低壓力的離心泵可以選擇臥式泵（外形見圖2）或立式泵。當然，需要考慮不同廠家泵的必需汽蝕余量（NPSHr）以及液氮儲罐的放置高度及特性曲線（見圖3）等。在同等情況下，推薦選用臥式泵。

圖2 液氮泵的外形

圖3 設計工況下的液氮泵曲線

2.1 泵的性能及型號

目前使用的多級臥式泵最高級數為3 級，泵的葉輪直徑約為170 mm，出口壓力約為1.23 MPa，泵進口在泵體上部、出口在泵體側面（泵數據見表1）。

表1 液氮泵性能參數

2.2 優化方式及效果

目前，制造工廠先制作撬塊再運送到現場進行整體安裝的方式，已經在后備系統的泵箱制作中被廣泛應用。其優勢對于北美及中東等人工費用高昂的地區更加明顯。然而，撬塊制造工廠在項目開始時對選用立式泵和臥式泵的估價會有區別。因為如果選用立式泵，由于存在泵箱的設計，設計和制造費用往往更高。而以往大部分使用的臥式深冷泵都是單級離心泵，很難滿足不同項目的壓力和流量需求。考慮到多級臥式離心水泵的應用比較成熟，直接咨詢泵廠商，了解深冷泵是否有同樣的臥式多級離心泵的設計。在初版泵圖紙確定后，根據泵的進出口位置進行管道適配。

能降低設計和制造成本的原因在于，根據產品標準化設計原則，對立式泵采用泵箱設計（見圖4），并在工廠內完成撬塊制作后直接運送至現場。而如果選用水平泵，則不需要泵箱的撬塊，直接由泵廠家發往項目現場即可。但是由于泵的個別差異性，導致泵箱很難完全標準化設計，這樣取消泵箱不僅可以節約設計成本，更重要的是能節省大量制造成本，比如焊工的人工費用、碳鋼及不銹鋼的材料費用、檢測試壓及泵箱的運輸費用等。

2.3 優缺點分析

選用臥式泵的優勢十分明顯，而且后期兩家主要的泵廠家都有類似產品，相較于同等情況下的立式泵，該型臥式泵價格并沒有太大差別。然而，相較于普通的多級臥式離心泵能做到更高的級數和揚程，就目前所知，在項目中所使用的深冷泵最大到3級，葉輪直徑為260 mm，在高壓儲罐后備系統中仍然使用立式多級泵。

另外，由于多級臥式泵本身的設計問題，整個泵的重心偏離支撐點，因此只能采用混凝土固定支撐，這樣就導致泵進出口管線的應力計算相對復雜，甚至需要增加膨脹節。

3 后備系統液氧泵布置的優化

眾所周知，液氧儲罐相對于液氮來說有更大的風險，比如氧氣的泄露和碳氫化合物的積聚等，尤其是高壓液氧（≥4 MPa）系統中。而高壓儲罐入口的緊急切斷閥是其中的安全重點。本次優化主要針對在縮短高壓液氧泵與儲罐距離的情況下，對儲罐入口的緊急切斷閥進行保護。

3.1 液氧泵的布置要求

考慮到緊急切斷閥的重要性，以及行業內關于緊急切斷閥損壞事故的反饋，要求泵箱和閥箱外壁遠離緊急切斷閥至少10 m 以上，以防止由于氧氣泄露引起的爆炸而產生的物體飛濺砸壞或影響緊急切斷閥的使用（詳見圖5）。

圖5 液氧泵箱布置要求

按照空分裝置安全規范要求，管徑不低于DN50 的低溫液體管線上應設置緊急切斷閥，并且應該盡量靠近儲罐的外罐壁，以便于緊急情況下關閉后對相關系統進行維修。通常緊急切斷閥要求具備現場和遠程緊急切斷的功能。

3.2 優化方式及效果

本次優化的方向主要集中在縮短泵箱和液氧儲罐之間的距離，起到節約土地的目的。把泵箱放置在儲罐周邊10 m 的距離內之后，就必須要解決緊急切斷閥的防護問題。按照設計規定，緊急切斷閥需要放置在儲罐下方，通過儲罐的支撐板防止來自垂直方向的對于緊急切斷閥的威脅。但對于側面的威脅目前尚無防護措施，因此在泵箱與緊急切斷閥之間增加了一堵防護墻，墻的寬度和高度以沒有物體能從可見區域飛過來擊傷閥門為原則，每一套泵箱使用一面墻進行防護。圖6 為完成后的防護墻及緊急切斷閥的相對位置關系。

圖6 優化后防護墻效果圖

經過布置上的優化后，儲罐外圍的區域能更加合理地對冷液蒸發器及其他小罐子的位置進行布置，留出更多的預留用地進行后續規劃以及新增裝置等用途。

3.3 優缺點分析

該優化目前只針對于液氧平底罐，經過優化，比原來的位置可以縮短4 m 左右的距離。理論上，連接儲罐和泵箱的管線進一步優化后可以縮短1～2 m，通常在一個儲罐上設置兩套泵箱，一開一備，能更緊湊地進行布置，高效地利用土地。不足之處在于，當選用3 套甚至4 套泵箱時，儲罐下設置的防護墻也會相應增加，導致土建在進行樁位設計時很難對支撐樁進行合理的排布。雖然根據目前的項目經驗，單個液氧儲罐使用3 套泵箱的情況不多，但防護墻和儲罐支撐樁的合理分布可進一步優化。大致的方向為使防護墻跟儲罐上部的混凝土承臺連接，使其能承受一部分儲罐的質量，當然防護墻的強度和設計會進行相應修改，需要結合相應施工費用等進行綜合分析。另一個不足是施工時會增加防護墻的費用，但對于更有效的土地利用來說該費用可忽略不計。

4 結語

綜上所述，對于設計和制造的優化只能確保在現有信息和技術儲備下具有最優價值，并且均已在項目中成功應用。但隨著新技術的應用和更多新信息的獲取，相信還會觸發進一步的優化和完善，比如組成部件的國產化應用。

在空分工藝和設備制造越來越成熟的當下，不同廠家的產品同質化現象越來越嚴重，這種在精細化管理和成本控制思想指導下的優化，從設計及制造的各個環節入手，從產品質量、交貨周期以及產品占地面積的大小等重要因素發力，來增加產品的競爭力。

只有通過采用新產品、新技術并結合自身產品的特點不斷進行優化，加上對土地的合理高效使用，做到有利于自身的發展也有利于客戶的發展，才能持續保持產品的核心競爭力，真正做到空分后備系統的產品完全標準化和成本最優化，繼而實現效益最大化。