化工裝置中高效復(fù)合式空冷器的布置及管道設(shè)計

＊王振書

（中國五環(huán)工程有限公司 湖北 430223）

空冷器是用空氣進行冷卻的工業(yè)熱交換裝置，較一般的水冷熱交換設(shè)備具有節(jié)省水資源、降低投資及維護費用等優(yōu)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(shè)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(fù)合式空冷器。高效復(fù)合式空冷器在占地、投資、能耗和公用工程消耗上較常規(guī)空冷器具有較大的優(yōu)勢[1]。隨著工業(yè)化的發(fā)展，節(jié)能減排的深入，高效復(fù)合式空冷器在石油化工裝置中也得到了廣泛的應(yīng)用，所以，做好高效復(fù)合空冷器的設(shè)備平面布置、管道布置、支架設(shè)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(fù)合式空冷器的平面布置、管道布置、支架設(shè)計等方面，結(jié)合工程經(jīng)驗，全面分析設(shè)計時應(yīng)注意的問題，旨在為其工程設(shè)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(fēng)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(fù)合式空冷器平面布置總體原則

高效復(fù)合式空冷器平面布置的原則與常規(guī)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(fēng)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(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。同時，為不影響空冷器的通風(fēng)，避免造成熱風(fēng)循環(huán)，空冷器夏季最小頻率風(fēng)向上風(fēng)側(cè)20～25m范圍內(nèi)不宜有高于冷卻器的建筑物，構(gòu)筑物和大型設(shè)備，也不宜有高溫設(shè)備、鍋爐房等，當無法避免上述情況時，應(yīng)與工藝專業(yè)協(xié)商，將空冷器空氣端設(shè)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(gòu)架的頂層，管廊與構(gòu)架的一側(cè)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(shè)計時，應(yīng)同時考慮空冷器構(gòu)架的長度和寬度，盡量保證空冷器構(gòu)架一端立柱與管廊或構(gòu)架的一端取齊。

（3）空冷器是比較脆弱的設(shè)備，操作溫度等于或高于自燃點的可燃液體設(shè)備，操作溫度等于或高于250℃的可燃液體設(shè)備，輸送或儲存液化烴的設(shè)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(shè)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(yīng)一致，同類型應(yīng)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(yīng)大于12m。風(fēng)機的配套電機及其安裝方位應(yīng)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(yīng)滿足《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》（2018年版）[2]的要求。

結(jié)合以上幾點，某項目的高效復(fù)合式空冷器布置于構(gòu)架的頂部EL+14000層。其平面布置如圖1所示。

圖1 高效復(fù)合式空冷器平面布置圖

3.高效復(fù)合式空冷器管道的設(shè)計

高效復(fù)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(huán)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(yīng)出現(xiàn)“液袋”，管道的布置應(yīng)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(diào)節(jié)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(yīng)對稱布置，若出口介質(zhì)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(jié)省材料，便于設(shè)置支架，應(yīng)在管口受力允許的條件下，集合管應(yīng)盡量靠近空冷器管口布置。若受管道應(yīng)力和安裝限制時，可不靠近管口連接，但集合管的截面積應(yīng)是各分支管截面積之和的1.5倍，分支前的集合管也應(yīng)留不小于1倍管道內(nèi)徑長度的直管段以保證流量均勻分配[3]。

③進口介質(zhì)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(zhì)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(yīng)采用彎頭連接，對于一般介質(zhì)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(jié)合以上幾點，高效復(fù)合式空冷器的管道布置圖如圖2所示。

圖2 高效復(fù)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(tǒng)安全運行，通常會設(shè)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(yīng)“步步低”，同時應(yīng)放置在空冷器附近的構(gòu)架平臺或空冷器的自身平臺上，應(yīng)便于調(diào)節(jié)閥的操作和維修。如圖2所示的熱旁通管線。

(3)循環(huán)水給水管道和回水管道布置

為避免空冷器管壁上產(chǎn)生嚴重的結(jié)垢，循環(huán)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(jīng)過特殊的處理。冷卻器回水的系統(tǒng)應(yīng)為自流體系，在管道布置時應(yīng)注意，彎頭不宜過多，總管也應(yīng)保證順介質(zhì)流向的坡度，坡度不小于3‰。

4.高效復(fù)合式空冷器管道支吊架的設(shè)計

（1）空冷器的管口受力比較脆弱，管道布置時應(yīng)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(xiàn)行標準《空冷式換熱器》GB/T15386的要求，也可參見API661中的規(guī)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(jīng)過嚴格的應(yīng)力計算后方可確定。

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

（2）管道的支撐應(yīng)盡量利用已有的管架，如已有的自身空冷器構(gòu)架，可設(shè)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(gòu)架的立柱、管廊立柱或構(gòu)架的立柱延伸，延伸立柱的高度、受力的大小應(yīng)提給結(jié)構(gòu)專業(yè)或者制造廠供其核算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖2中伸起管架的示意圖。支撐在設(shè)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(yīng)一并提供給制造廠或結(jié)構(gòu)專業(yè)。

5.結(jié)論

隨著高效復(fù)合式空冷器在石油化工裝置中廣泛的應(yīng)用，做好其合理的平面布置、管道布置和支架設(shè)計，對節(jié)省投資、占地，節(jié)約資源，降低能耗以及裝置的穩(wěn)定、安全運行具有重要的意義。本文主要強調(diào)：

（1）高效復(fù)合式空冷器的平面布置應(yīng)結(jié)合設(shè)計規(guī)范、主導(dǎo)風(fēng)向、四周的建筑物、構(gòu)筑物、大型設(shè)備以及下層設(shè)備的類別來統(tǒng)籌考慮。

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

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