12 000 Nm3/h液氮空分裝置撬裝化設(shè)計(jì)

俞卓瑋，周欣海，周軍帥

(杭氧集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310014)

1 前 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)石油化工和鋼鐵等產(chǎn)業(yè)的需求進(jìn)一步增大，空分裝置作為該類產(chǎn)業(yè)的供氣源頭，需求量日益增加。目前用戶普遍要求空分設(shè)計(jì)及施工周期短、質(zhì)量高?？辗盅b置冷箱撬裝化設(shè)計(jì)以占地面積小、質(zhì)量可靠、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)，越發(fā)受到諸多企業(yè)及用戶的關(guān)注及研究。本文從液氮空分裝置工藝流程、組成、模塊化撬裝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行闡述。

2 液氮裝置總體介紹

2.1 液體產(chǎn)品情況

液氮裝置為流量12 000 Nm3/h、日產(chǎn)360 t液氮產(chǎn)品的空分設(shè)備，液氮產(chǎn)品純度為99.99%，氧含量≤3×10-6。液氮中對(duì)水和二氧化碳含量要求較高，水含量≤0.25×10-6、二氧化碳含量≤0.25×10-6才能達(dá)到特種氣體要求。

2.2 液氮裝置組成

液氮裝置由原料空氣過濾器、空氣透平壓縮機(jī)組、空氣預(yù)冷機(jī)組、分子篩吸附純化系統(tǒng)、循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)組、高低溫氣體透平膨脹機(jī)組、液氮分餾塔冷箱系統(tǒng)、液氮貯存系統(tǒng)等組成。液氮分餾塔冷箱系統(tǒng)為廠內(nèi)組裝撬裝出廠至用戶現(xiàn)場(chǎng)，透平膨脹機(jī)組等其它系統(tǒng)在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。

2.3 工藝流程簡(jiǎn)述

原料空氣經(jīng)除塵、壓縮、預(yù)冷、凈化后進(jìn)入主換熱器與返流氣體(富氧空氣、氮?dú)?換熱達(dá)到接近空氣液化溫度-178℃后進(jìn)入下塔。在下塔中，空氣經(jīng)精餾分離成氮?dú)夂透谎跻嚎?，氮?dú)饨?jīng)主冷凝蒸發(fā)器液化后一部分作為下塔回流液，一部分作為液氮產(chǎn)品輸送至貯槽[1]，工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

3 液氮裝置冷箱撬裝化布置方案

液氮裝置冷箱由液氮分餾塔冷箱、主換熱器冷箱以及膨脹機(jī)過橋冷箱組成。本項(xiàng)目的撬裝冷箱采用公路運(yùn)輸，運(yùn)輸尺寸限制比水路運(yùn)輸更加嚴(yán)苛。最終的撬裝主冷箱尺寸為22 900 mm×4 200 mm×3 800 mm，4 200 mm寬度為運(yùn)輸面，閥門安裝面在高度方向上。主換熱器冷箱尺寸為14 500 mm×8 000 mm×3 600 mm，因撬裝運(yùn)輸寬度限制，將其分割成換熱器冷箱1和2，換熱器冷箱1內(nèi)包含2臺(tái)換熱器，換熱器冷箱2內(nèi)包含3臺(tái)換熱器，各自配置換熱器支容器架以及運(yùn)輸支架組裝出廠。

下塔和主冷凝蒸發(fā)器組合安裝定位于主冷箱上部并靠近運(yùn)輸面，結(jié)合冷箱鋼結(jié)構(gòu)骨架位置安裝容器運(yùn)輸支架固定，防止容器在運(yùn)輸過程中晃動(dòng)移位。液空過冷器支撐于下塔塔體上。氣液分離1號(hào)罐撐于冷箱基礎(chǔ)骨架上，2號(hào)罐位于主冷箱上部并支撐于主冷凝蒸發(fā)器上，既保證液氮進(jìn)貯槽壓力又保證相連管道的同步收縮，容器布置圖如圖2。

為了便于冷箱撬裝運(yùn)輸，冷箱內(nèi)所有閥門均布置于冷箱正面。為便于高壓液氮節(jié)流閥的檢修，單獨(dú)做隔箱置于+2 m一層平臺(tái)。液氮去氣液分離器調(diào)節(jié)閥以及液氮產(chǎn)品閥設(shè)置于+5 m二層平臺(tái)。下塔液空去主冷調(diào)節(jié)閥、主冷液氮回流下塔閥置于+11 m三層平臺(tái)。出下塔液氮調(diào)節(jié)閥、氣液分離器出口氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥位于+17 m四層平臺(tái)，因閥門連接的管道冷縮尺寸過大設(shè)為浮動(dòng)安裝。

主冷凝蒸發(fā)器安全閥及氣液分離2號(hào)罐安全閥裝于主冷箱頂部平臺(tái)，并至客戶現(xiàn)場(chǎng)安裝。下塔安全閥就近設(shè)置于二層平臺(tái)。其余管線吹除閥、排液閥、加溫氣閥等手動(dòng)閥大部分均布置于冷箱正面，以便于操作及運(yùn)輸。

圖2 容器布置圖

4 空分冷箱內(nèi)管道布置

4.1 主冷箱內(nèi)管道布置

因受運(yùn)輸尺寸限制，主冷箱尺寸較小，而主要的壓力容器冷凝器直徑較大，冷凝器外壁離冷箱壁最近處只有600 mm，冷箱內(nèi)剩余空間并不寬裕，部分通道狹窄，故而管道布置難度較大，在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上需考慮盡可能的緊湊布置并保證和冷箱壁的保溫距離，以免冷量損失、增加能耗。

從冷凝器頂部引出的富氧空氣去主換熱器DN400管道沿冷凝器及下塔直落到過冷器后，穿過隔箱進(jìn)入換熱器冷箱。沿塔管段管架支撐于塔器之上，走管全程簡(jiǎn)捷，沿程阻力較小。來自低溫膨脹機(jī)后的氮?dú)饨?jīng)過氣液分離罐后也沿下塔上行徑直進(jìn)入冷凝器，管架撐于塔器之上。

冷凝蒸發(fā)器的壓力氮?dú)獬隹诠Q口徑為DN800，應(yīng)工藝要求，壓力氮?dú)鈴墓芸诔鰜砗蟊仨毾蛏弦欢我员苊鈳С龇逐s塔中液體，然而DN800的彎管彎曲半徑達(dá)到1 200 mm，管口直接連接彎頭后就碰到冷箱鋼結(jié)構(gòu)骨架。壓力氮?dú)饬魉偈芟?，故容器管口口徑不能縮小，因冷箱內(nèi)空間局促容器管口方向無法調(diào)整，經(jīng)多次調(diào)整后考慮用DN800的等徑三通加一個(gè)DN800的管帽來取代這個(gè)大彎管以滿足保溫要求。

下塔液空進(jìn)冷凝器、氣液分離器1號(hào)罐底液氮去2號(hào)罐等液體管道，因要經(jīng)過調(diào)節(jié)閥，故閥門前后管段均筆直沿冷箱壁到達(dá)容器進(jìn)口高度做水平管段補(bǔ)償后進(jìn)入容器。豎直段管道所有限位及導(dǎo)向管架均支撐于冷箱壁鋼結(jié)構(gòu)上。

4.2 換熱器冷箱內(nèi)管道布置

因換熱器冷箱和主冷箱是分開各自安裝的，為了使材料明晰、安裝方便，將換熱器冷箱單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)管道模塊PIPEB以區(qū)別主冷箱的PIPEA。換熱器冷箱單獨(dú)出管道材料、管架材料以及管道軸測(cè)圖以便于安裝，節(jié)省時(shí)間及人力?？紤]到換熱器冷箱仍需分割成兩部分運(yùn)輸，最后管道軸測(cè)圖按實(shí)際分割管線分成PIPEB1和PIPEB2出圖，滿足了工藝及運(yùn)輸要求。另外同一路管線因換熱器冷箱運(yùn)輸分割的分割界限點(diǎn)需留出現(xiàn)場(chǎng)安裝的直管段切割余量。

低溫膨脹機(jī)膨脹端出口氮?dú)夤艿酪宦穬A斜向下進(jìn)入氣液分離器1號(hào)罐。在氣液分離器1號(hào)罐中進(jìn)行氣液分離后，出口氮?dú)夤艿涝偃萄叵滤P直進(jìn)入主冷凝蒸發(fā)器。

為了減少法蘭連接氮?dú)膺M(jìn)出高低溫膨脹機(jī)的管線、不另外加波紋管補(bǔ)償器，因此這幾條管線在換熱器冷箱內(nèi)繞行做自然補(bǔ)償,以滿足膨脹機(jī)管口荷載要求。進(jìn)出膨脹機(jī)的氮?dú)夤艿酪蚶@行補(bǔ)償水平管段較長(zhǎng)需橫穿整個(gè)換熱器冷箱，換熱器冷箱分割運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候管道無法支撐，故管段頭尾均增加卡箍運(yùn)輸支架(碳鋼材質(zhì))固定，至用戶安裝現(xiàn)場(chǎng)后拆除。

4.3 管道應(yīng)力計(jì)算

空分冷箱內(nèi)管道不同于普通工藝管道，是在低溫下(一般-180℃左右)工作的，溫度的變化會(huì)引起管道的熱脹冷縮，如果管道設(shè)置不合理導(dǎo)致應(yīng)力超過強(qiáng)度極限，便會(huì)有斷裂的危險(xiǎn)，必須對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。管道應(yīng)力計(jì)算主要是通過對(duì)管線的柔性分析來校核管道在各個(gè)工況下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力是否均滿足許用要求，校核管道對(duì)設(shè)備管口的作用力是否在許用范圍內(nèi)。通過應(yīng)力分析計(jì)算，可以更加合理地設(shè)置管道支吊架。

在12 000 Nm3/h液氮設(shè)備冷箱內(nèi)管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)力計(jì)算與單元設(shè)備、管道和管架的布置相輔相成，同步進(jìn)行，貫穿于項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)階段。采用CAESAR Ⅱ軟件對(duì)液氮設(shè)備冷箱內(nèi)所有工藝管線以及輔助加溫、排液、吹掃等管線進(jìn)行建模計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果來調(diào)整設(shè)備及閥門位置、優(yōu)化管道走向、合理布置管道支吊架和校核單元設(shè)備管口載荷。本裝置高低溫膨脹機(jī)進(jìn)出口管線拋開常規(guī)膨脹節(jié)補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用換熱器冷箱多余空間進(jìn)行管道自補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q管道熱應(yīng)力和設(shè)備管口受力問題(見圖3)，該補(bǔ)償方法既經(jīng)濟(jì)又安全。

圖3 膨脹機(jī)進(jìn)出口管線應(yīng)力計(jì)算模型圖

5 總 結(jié)

撬裝空分冷箱具有占地面積小、施工現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、設(shè)備安裝質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)。撬裝技術(shù)是一種綜合性較強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)，需要多專業(yè)緊密協(xié)作、密切配合才能提供較為合理的布置方案，保證工藝合理性和操作的便捷性，同時(shí)保證連接管道成本最低。