二氧化碳液化提純裝置模塊化配管設(shè)計要點分析

袁雪

（華油惠博普科技股份有限公司北京分公司，北京 100088）

二氧化碳具有在常溫下以氣態(tài)的形式呈現(xiàn)，經(jīng)加壓降溫后比較容易液化的特性，根據(jù)這一固有特性將二氧化碳原料氣冷凝液化、精餾提純等手段，可以產(chǎn)生純度達到99%以上的液態(tài)二氧化碳[1-2]。二氧化碳驅(qū)作為低滲透油田提高采收率的一項關(guān)鍵和實用技術(shù)發(fā)展迅速，油藏條件下，二氧化碳具有易流動、降粘、體積膨脹、降低界面張力的作用，在低滲透油藏開發(fā)有效補充地層能量、提高驅(qū)油效率方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[3-4]。氣體二氧化碳通過管道輸送或收集裝置送至液化提純裝置進行處理，成品液體二氧化碳可作為油田注入劑，有效地驅(qū)油和提高石油的采油率，也可作為碳捕獲后的產(chǎn)物在地層封存，減少氣體二氧化碳對環(huán)境的影響[5-6]。

本文以齊魯分公司100萬噸/年二氧化碳回收利用項目中二氧化碳液化提純裝置的模塊化設(shè)計為例，結(jié)合工藝、操作、施工等因素，對裝置工藝流程和總體布置進行了簡要的概述。對設(shè)計過程中的管道材質(zhì)及工藝閥門設(shè)計選型要點進行了分析。以模塊化及撬裝化技術(shù)應(yīng)用為目標(biāo)，闡述并分析了裝置內(nèi)的管道設(shè)計及其布置、保冷管架及保冷材料的設(shè)計選型要點。在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了裝置內(nèi)設(shè)備的布置，使得裝置具有較高的模塊化、撬裝化，為類似裝置的工程設(shè)計提供有益的借鑒。

1 二氧化碳液化提純裝置概述

1.1 工藝流程

如上所述，二氧化碳在常溫下以氣態(tài)的形式呈現(xiàn)，經(jīng)加壓降溫后比較容易液化。本裝置采用2.5MPa/-25℃加壓冷卻、液化二氧化碳的處理工藝，流程如圖1所示。來自上游煤制氣裝置的排放尾氣（CO2＞90mol%），首先進入壓縮單元經(jīng)增壓后，二氧化碳氣體經(jīng)溴化鋰?yán)鋮s水機組冷卻降溫，依次經(jīng)過干燥脫水、冷凝液化、精餾提純等工藝過程獲得液態(tài)CO2產(chǎn)品進入儲罐區(qū)儲存。工藝過程中二氧化碳的冷凝采用丙烯制冷裝置。

圖1 二氧化碳液化提純工藝流程

1.2 總體布置原則

二氧化碳液化提純裝置的設(shè)備布置，以撬裝化和單體布置相結(jié)合的方式為技術(shù)原則、采用三層框架平臺布置的方式為設(shè)計基礎(chǔ)?？蚣艿牡孛嬉粚又饕贾盟?、立式容器、撬裝設(shè)備和泵、膨脹機與重量較大的液化器。塔器和立式容器的設(shè)備間距按照規(guī)范要求，兩塔之間的凈距不宜小于2.5m，除應(yīng)滿足管道、平臺、儀表和小型設(shè)備等布置和安裝的要求外，尚應(yīng)滿足操作、檢修等的需要[7]。二層框架平臺布置熱交換器與兩套撬裝設(shè)備，U型管式熱交換器在平臺一側(cè)預(yù)留出抽芯空間為原則。三層框架平臺布置塔頂冷凝器、安全閥放空閥組。裝置內(nèi)設(shè)備布置以塔器和立式設(shè)備中心線對齊、塔器和立式容器類放在裝置外側(cè)為主要原則，使其設(shè)備人孔、卸料口便于檢修并設(shè)置了檢修平臺。主要裝置設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 模塊化提純裝置設(shè)備布置

1.3 裝置布置的特點及優(yōu)勢

通過采用模塊化集成技術(shù)，提高了裝置的撬裝化和可運輸性，有效縮短了現(xiàn)場工期。在保證合理的運輸尺寸與操作要求的情況下，最大程度采用設(shè)備撬裝化技術(shù)，形成了如分子篩閥組撬、進站緩沖罐閥組撬、再生氣電加熱器撬等設(shè)備。裝置內(nèi)的管線采取在工廠內(nèi)預(yù)制的方式，預(yù)留焊口到現(xiàn)場進行安裝，以減少現(xiàn)在的安裝工作量，縮短現(xiàn)場施工時間。

2 管道材質(zhì)的設(shè)計要點分析

2.1 管道材質(zhì)設(shè)計選型

干燥的二氧化碳氣體沒有腐蝕性，常規(guī)二氧化碳表現(xiàn)出的腐蝕性，主要是其溶于水生成碳酸而引起的電化學(xué)腐蝕所致[8-10]。本工程介質(zhì)中CO2為干氣，經(jīng)檢測氣體含水率僅100ppm，只需考慮再生氣分液罐連接管線處濕CO2腐蝕。根據(jù)業(yè)主要求，按照國標(biāo)進行材料選取，采用Class系列法蘭標(biāo)準(zhǔn)[11]。管道材料選擇結(jié)果見表1：

表1 管道材料選擇原則及結(jié)果

2.2 工藝閥門選型原則

根據(jù)工藝要求和經(jīng)濟性能要求，裝置內(nèi)起關(guān)斷作用的閥門以閘閥、蝶閥、球閥為主。

介質(zhì)設(shè)計溫度在-20～-50℃之間的閘閥、球閥，閘板和球體要求在入口段（介質(zhì)上游）設(shè)置泄壓孔，避免閥門在關(guān)閉情況下，閥腔內(nèi)介質(zhì)因升溫升壓膨脹將閥門破壞。

介質(zhì)設(shè)計溫度在-20～-50℃之間的閘閥、截止閥，設(shè)計為閥桿加長結(jié)構(gòu)。加長桿結(jié)構(gòu)最大目的就是為了減少冷損，保證填料密封及操作安全順暢，加長桿閥蓋結(jié)構(gòu)可便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓，也有利于添加填料時無需破開保冷層。

3 裝置內(nèi)管道設(shè)計的要點分析

裝置內(nèi)主要以原料氣入口溫度為8℃及其他過程介質(zhì)溫度在8℃～-50℃的低溫管道、分子篩再生流程的設(shè)計溫度260℃的高溫管道，以及膨脹機和屏蔽泵附屬管道三類管道，即低溫管道、高溫管道、動設(shè)備管道。這些管道設(shè)計不同于常規(guī)的設(shè)計，都具有其相應(yīng)的要求和設(shè)計特點。

3.1 低溫道設(shè)計

低溫管線彎頭處應(yīng)力最大，彎頭處最易脆裂，不宜在彎頭處焊接管道支吊架。工藝閥門安裝時，低溫閥的閥桿向上安裝，低溫閥的閥桿較長，安裝閥門要留出足夠的空間。

3.2 高溫管道設(shè)計

分子篩再生流程的管道設(shè)計溫度為260℃，需結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果調(diào)整管道柔性和選擇合理的管架類型。如：再生氣管線增加π彎、分子篩塔頂管線承重管架要附塔等。

3.3 動設(shè)備外接管道設(shè)計

膨脹機附屬管道既是動設(shè)備管道又是低溫管道，該部分應(yīng)注意管道柔性和選擇合理的管架類型。如：泵進口管道匯管要有足夠的柔性彎，泵進出口管道上要有限位管架等。膨脹機附帶的高位油箱潤滑油系統(tǒng)管道設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：1 潤滑油管道要選用不銹鋼材質(zhì)，保證管道內(nèi)壁潔凈度；2 高位油箱與機組供油總管相接管道應(yīng)短而直，減少彎頭，不得出現(xiàn)U型；3 為便于潤滑油管道去污清洗及酸洗鈍化，管道應(yīng)分段用法蘭連接，管道最長短不宜大于4m，每根管道彎頭數(shù)量不應(yīng)多于2個。

4 保冷材料的選型及管架設(shè)計要點分析

4.1 保冷管架設(shè)計

低溫保冷管道支架采取防止產(chǎn)生“冷橋”的措施。當(dāng)?shù)蜏毓艿浪椒笤O(shè)時，比較常規(guī)的做法是在管道底部墊有木塊或硬質(zhì)保冷材料塊，以免管道中冷量損失。低溫管道彎頭處應(yīng)力最大，不宜在彎頭處焊接管道支吊架。管道支架類型選擇有：承重架、滑動架、導(dǎo)向架、限位架等，根據(jù)不同的工況進行選擇[12]。裝置中保冷管架設(shè)計以帶PIR隔冷塊的耳軸、成品PIR管托為主。

4.2 管道保冷材料的選擇

管道及設(shè)備的保冷、防結(jié)露和減震降噪材料選用丁腈橡膠發(fā)泡制品，保冷結(jié)構(gòu)采用多層的柔性橡膠保冷材料錯縫包裹形成保冷層，接縫處的粘接應(yīng)采用柔性保冷材料專用膠水。結(jié)果見表2。

表2 保冷材料選擇原則及結(jié)果

5 結(jié)語

該液化提純模塊化裝置已在齊魯分公司100萬噸/年二氧化碳回收利用項目中實施，通過對工程設(shè)計過程的分析，作者認(rèn)為：

1）裝置模塊化設(shè)計是中小型石油化工裝置的設(shè)計趨勢，也為未來碳中和裝置的設(shè)計提供了新的設(shè)計思路，技術(shù)及經(jīng)濟意義重大；

2）在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，模塊化設(shè)計優(yōu)化了裝置內(nèi)設(shè)備的布置與管道走向，保障了裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的撬裝化；

3）管道選材需考慮濕二氧化碳環(huán)境對金屬的腐蝕，應(yīng)考慮采用奧氏體不銹鋼等類型材料；

4）低溫和高溫管道的設(shè)計應(yīng)結(jié)合材料的特性和介質(zhì)的特性將進行特殊的設(shè)計；

5）低溫保冷管道容易產(chǎn)生冷橋及管道脆裂等，其管道支架的選型及跨距應(yīng)結(jié)合應(yīng)力分析計算等重點設(shè)計。