某SMPO項目空冷器設(shè)備布置及管道設(shè)計探析

＊張毅勤

（中國石化工程建設(shè)有限公司 北京 100101）

空冷器是石油化工生產(chǎn)中，以環(huán)境空氣代替冷卻水或其他冷卻介質(zhì)來冷凝和冷卻的一種換熱設(shè)備。與水冷式換熱器相比，空冷器具有節(jié)約用水、節(jié)省操作維修費(fèi)用、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。

某SMPO項目EBHP（乙苯過氧化氫）濃縮單元，空冷器是該單元的主要設(shè)備，也是最薄弱的設(shè)備，其入口介質(zhì)易燃，一旦泄漏可能引起火災(zāi)爆炸等安全事故，對生產(chǎn)及設(shè)施都存在安全隱患。通常來說，工藝流程空冷器數(shù)量為4～8組居多，本項目空冷器多達(dá)32組，并非常見。該空冷器進(jìn)料總管直徑為DN2000，在滿足工藝要求和空冷管口受力要求的前提下，對管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是本項目設(shè)計難點(diǎn)。本文對SMPO項目EBHP濃縮單元空冷器的設(shè)備布置、進(jìn)出口管道優(yōu)化及支吊架設(shè)置等設(shè)計進(jìn)行簡要分析。

1.閃蒸單元工藝流程介紹

從EBHP反應(yīng)單元來的過氧化反應(yīng)產(chǎn)物在EBHP濃縮單元中濃縮、冷卻、中和、沖洗和干燥。經(jīng)過兩級閃蒸，濃縮得到26wt%的EBHP，溫度迅速降到72℃（壓力為10kPa）以減少EBHP分解。閃蒸罐罐頂氣體通過空冷器和換熱器冷凝至集合罐后，循環(huán)返回EBHP反應(yīng)單元。

2.設(shè)備平面布置

該項目空冷器用于將二級閃蒸罐罐頂氣體冷凝至集合罐，換熱后循環(huán)返回EBHP反應(yīng)單元。因閃蒸罐罐頂氣體體積流率非常大，換熱負(fù)荷高達(dá)近6萬千瓦，考慮到如選用水冷方式，換熱器操作費(fèi)用較高且造成較多的循環(huán)水資源消耗，故選用空冷方式?？绽浞绞降闹饕秉c(diǎn)即占地面積大，因此布置在框架或管廊頂部，以充分利用空間。

根據(jù)工藝計算，該空冷器共有16個框架，每個框架有兩組管束。初步設(shè)計為每組管束長為10.6m，寬度3.7m。該空冷器進(jìn)料管道分為兩支，與閃蒸罐兩個DN2000的管口相連。綜合考慮工藝要求及設(shè)備布置占地，將該空冷器框架設(shè)計為兩個對稱框架，并布置于閃蒸框架東西兩側(cè)。閃蒸框架標(biāo)高EL36.6m，高于空冷器框架，考慮到空冷器與等于或高于空冷器管箱的建筑物之間距離應(yīng)不小于3m，故本項目在空冷器框架與閃蒸框架之間設(shè)置4m間隔，并用來布置樓梯間?？蚣鼙眰?cè)空地可作為空冷器吊裝檢修區(qū)域。

空冷器布置時，將每一個框架即兩組管束布置于框架的一跨，兩組管束寬度為3.7m×2，共7.4m。依據(jù)項目分工，空冷器采用自身構(gòu)架支撐，支撐柱落在結(jié)構(gòu)框架柱上，其寬度約為400mm，布置時需考慮在空冷器自身構(gòu)架的每跨兩側(cè)，預(yù)留出立柱升起的空間。綜合考慮空冷器工藝數(shù)據(jù)、最小凈距、鋼構(gòu)架經(jīng)濟(jì)性及項目占地，最終將空冷器管束寬縮小為3.3m。將空冷器框架設(shè)計為每跨寬度7.5m，共四跨，框架總長度30m，見圖1?？蚣芸倢?6m，分為三跨，分別為10m、6m及10m。其中中間的6m與空冷器框架西部的冷凍單元管廊對齊，可保證管廊管道及電氣儀表槽板的通行。

圖1 空冷器布置

綜合考慮管道與儀表電氣槽板布置、反應(yīng)器框架平臺標(biāo)高，將空冷器電機(jī)操作檢修平臺設(shè)置為EL11.7m，最東端與反應(yīng)器框架EL11.7m處平臺連通，最西端與冷凍單元管廊EL12.5m處平臺通過斜梯連通，中間與閃蒸框架東西兩邊EL11.7m處斜梯轉(zhuǎn)換平臺連通，實(shí)現(xiàn)框架間相互連通，方便操作檢修人員通行，且滿足規(guī)范要求。

3.管道設(shè)計與優(yōu)化

(1)入口管道

本項目所用空冷器為鼓風(fēng)式空冷器，風(fēng)機(jī)設(shè)置在管束下方，集合管設(shè)置在空冷器上部空間?？绽淦魅肟谖锪蠈儆诩儦庀嘟橘|(zhì)，管徑大，閃蒸罐出口與空冷器入口間的高差有限，僅13.8m，管道的支撐條件和空間條件都受到較大限制，因此實(shí)際可選擇設(shè)置的管道走向十分有限?？绽淦鬟M(jìn)料管道沒有設(shè)置調(diào)節(jié)流量的閥門，所以進(jìn)料管道需對稱布置，以防止偏流，保證工藝介質(zhì)均勻進(jìn)入每片空冷，提高換熱效率。由于管道設(shè)計溫度高、管徑大，管口受力較大，因此在符合規(guī)范的基礎(chǔ)上，應(yīng)保證一定的管道柔性，并做到管道布置美觀、整齊，無液袋。

通過與化學(xué)工程師、工藝工程師、應(yīng)力工程師綜合討論分析，本項目將空冷器進(jìn)料管道設(shè)計為分級自流的方式，見圖2?？绽淦鬟M(jìn)料管道按“步步低”的要求布置，DN2000的總管入口位于管道最高處，并分為東西兩支，每支進(jìn)料主管對應(yīng)16組空冷器。根據(jù)設(shè)備布置，每一支進(jìn)料主管再通過底平偏心異徑管分為南北兩支DN1600的二級主管。再將每支二級主管分為兩支DN1200的集合管，由于空間限制，采用三通加管帽的形式分配，保證分支管主管能夠有至少1倍管子內(nèi)徑的直管段。每支集合管對應(yīng)16個管口，以防止偏流。

圖2 本項目空冷器管道布置方案

本項目設(shè)計縮短了集合管管道長度，減小了集合管端頭對空冷器管口的推力。同時每個空冷器入口分支管處設(shè)置立式π彎，以增加管系柔性，減少空冷器管口受力，保證空冷器管口安全，防止泄漏。

(2)出口管道

空冷器出口亦設(shè)計為對稱布置?？紤]到出口管道換熱已結(jié)束，因此無需逐級變徑。該項目空冷器出口分為液相出口和氣相出口：液相出口直接匯入集合管，東西兩根集合管對稱布置，返回位于中間閃蒸框架的集合罐體；氣相出口物料，合并一次后匯入集合管，東西兩根集合管合并后通過一小型水冷換熱器繼續(xù)將氣相物料冷凝至集合罐體。

液相出口管道布置在空冷器管箱操作平臺下方，支撐于EL11.7m梁處。氣相出口管道布置在空冷器管箱操作平臺上方，管底標(biāo)高距平臺3m。從而實(shí)現(xiàn)滿足對稱布置和管道柔性要求的同時，不妨礙空冷器操作和維修，不與電氣，儀表槽板碰撞，并且滿足操作平臺的通行要求。

4.支架設(shè)置

通常情況下，空冷器集中布置在管廊或結(jié)構(gòu)框架頂層，進(jìn)出口管道集中布置。在空冷器自身構(gòu)架或結(jié)構(gòu)框架上起“門”形支架以支撐空冷器進(jìn)出口管道，靠近空冷器管箱側(cè)的立柱直接從空冷器自身的構(gòu)架上起柱子。構(gòu)架結(jié)構(gòu)由設(shè)計單位管道專業(yè)提出條件，空冷器制造廠家計算與設(shè)計。

本項目空冷器進(jìn)料管道溫度高、管徑大，進(jìn)料總管為DN2000。同時根據(jù)管道的布置走向，DN1600的二級總管和DN1200的集合管需支撐在空冷器自身構(gòu)架上。因此管道本身的自重會產(chǎn)生較大的一次應(yīng)力。

此外，本項目空冷器數(shù)量多，最遠(yuǎn)的管口間距將近30m。管道的設(shè)計溫度為270℃，因此由熱脹產(chǎn)生的二次應(yīng)力會導(dǎo)致管道對空冷器管口的力矩較大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空冷器管口的位置是最容易出現(xiàn)泄漏的薄弱點(diǎn)，因此管道的合理布置尤為重要，需要利用管道柔性來調(diào)節(jié)和吸收熱脹，減小對管口的作用力。應(yīng)力計算結(jié)果表明，本項目管道設(shè)計保證了空冷器入口管口處的熱脹應(yīng)力未超過設(shè)備出廠時的應(yīng)力要求。

根據(jù)應(yīng)力計算，將空冷器進(jìn)料主管DN2000及二級主管DN1600上的支架設(shè)置為彈簧支架，消除了大管徑管道的一次應(yīng)力。DN1200集合管上的支架設(shè)置為低摩擦架，以減小支架處水平摩擦力，緩解管道熱脹力對空冷器管口造成的力矩。并將該應(yīng)力計算結(jié)果返給結(jié)構(gòu)專業(yè)及空冷器廠家，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

空冷器進(jìn)料主管布置在靠近閃蒸框架一側(cè)，見圖3，利用閃蒸框架懸挑梁及設(shè)置結(jié)構(gòu)框來支撐總管。其次利用空冷器自身框架，升高支撐柱和懸挑結(jié)構(gòu)框以支撐空冷器進(jìn)料管道。DN1600的二級主管支撐在空冷器自身框架最高點(diǎn)EL20.83m處?？紤]到管架位置需避開焊縫，因此在空冷器框架EL18.4m處設(shè)置框子，在需要設(shè)置低摩擦管托的位置設(shè)置橫梁以支撐DN1200的集合管。

圖3 空冷器入口管道支撐

出料管道集合管布置于南北各八組空冷器之間，利用空冷器結(jié)構(gòu)框架起“門”型架，該門型架設(shè)置為兩層，分別支撐氣相出口管道及液相出口管道。

5.結(jié)語

根據(jù)空冷器設(shè)備布置與管道布置要求，結(jié)合某SMPO項目空冷器設(shè)備布置與進(jìn)出口管道設(shè)計，說明在空冷器的實(shí)際管道布置中，應(yīng)充分考慮工藝要求，空冷器流量均勻分配，管道柔性與支撐，管口受力要求等多方面因素，設(shè)計出更加經(jīng)濟(jì)合理并且整齊美觀的管道布置。