空分裝置壓縮機組的布置和配管分析

賈隆禛

摘 ?要：通過空分裝置里壓縮機組的設(shè)計實踐分析，探討此類典型機組的布置及配管。

關(guān)鍵詞：壓縮機組;設(shè)備布置;配管

引言

隨著我國大型煤制烯烴、煤制油的建設(shè)，空分裝置作為其重要的配套裝置，也在變得越來越大型化。壓縮機組作為工藝介質(zhì)的動力源，對保證其長期穩(wěn)定運行具有重要意義。相對于一些其他設(shè)備，離心式壓縮機組的布置及配管有其自身的特點。本文通過對某空分裝置中壓縮機組的布置及配管進行分析，期望能夠?qū)ξ磥淼墓こ淘O(shè)計提供經(jīng)驗。圖1、圖2是壓縮機組的平豎面布置圖。

1 壓縮機組的布置分析

1.1 壓縮機廠房

壓縮機廠房分為三類，分別是封閉式廠房、半敞開式廠房和敞開式廠房。采用哪一種型式的廠房應(yīng)當(dāng)根據(jù)工藝介質(zhì)的性質(zhì)、當(dāng)?shù)貧夂驐l件等來確定。對于空分裝置的離心式壓縮機，其工藝介質(zhì)為空氣、運行過程中產(chǎn)生的噪聲較大且地處春季多風(fēng)沙、冬季寒冷地區(qū)，故采用封閉式廠房。

壓縮機組由空氣壓縮機、汽輪機、空氣增壓機以及附屬設(shè)備組成，采用凝汽式透平驅(qū)動，將空壓機-汽輪機-增壓機布置在三層平臺上，增壓機級間冷卻器布置在增壓機下方的二層平臺上，空壓機冷卻器、潤滑油站、透平排氣管道等布置在廠房地面上。

1.1.1壓縮廠房的平面布置

壓縮廠房的占地要根據(jù)廠家提供的壓縮機組的外形尺寸及基礎(chǔ)圖等技術(shù)資料來確定。寬度：建筑物的跨距除有特殊要求外，一般應(yīng)按照建筑統(tǒng)一模數(shù)設(shè)計，常用模數(shù)有6m，7.5m，9m...，考慮寬度方向穿越廠房最大的管線為空壓機入口管線，外徑為3454mm，廠房柱間距按6m設(shè)計。通過對比各單體設(shè)備外形圖可知空壓機級間冷卻器為廠房內(nèi)占寬最大的設(shè)備，預(yù)留出通道及檢維修空間確定廠房寬度為5跨即30m。長度：壓縮廠房的長度主要考慮因素為空冷島輔機設(shè)備、壓縮機組及其輔助設(shè)備及預(yù)留的檢修區(qū)域的占長，檢修區(qū)域的占長要根據(jù)機組最大檢修件的尺寸及吊裝機具行程死點的位置確定。最終確定長度為67.5m。

1.1.2壓縮廠房的立面布置

壓縮廠房的立面布置的主要內(nèi)容包括確定壓縮機的基礎(chǔ)高度、操作平臺的層數(shù)和高度、廠房的結(jié)構(gòu)高度。壓縮機的布置高度通常由表冷器的安裝高度確定，由于北方地區(qū)缺水，采用室外空冷器取代表冷器，因此安裝高度根據(jù)乏汽管道的安裝高度確定，根據(jù)廠家提供的機組基礎(chǔ)圖可以看機組基礎(chǔ)為雙層結(jié)構(gòu)，頂部為主機基礎(chǔ)，高度為14200mm;下面為增壓機級間冷卻器的基礎(chǔ)，高度為8000mm。操作平臺的層數(shù)和高度通常選取壓縮機機組基礎(chǔ)的層數(shù)和高度，這樣既在安裝過程中方便施工又在以后的運行過程中方便生產(chǎn)操作人員的巡檢及檢維修。廠房的結(jié)構(gòu)高度一般情況下是由吊車的安裝高度來確定，當(dāng)?shù)踯嚨陌惭b高度可以確定后，加上預(yù)留的吊車上部檢維修空間的高度即可確定廠房的結(jié)構(gòu)高度。吊鉤的最大高度根據(jù)機組最高的固定件頂部高度加上最大檢修件的高度加上預(yù)留間隙確定，此處預(yù)留設(shè)計余量不宜過小一般不小于500mm。一般廠家圖紙上會標(biāo)出吊鉤的最低安裝高度要求，設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加上設(shè)計余量，以防因施工誤差導(dǎo)致現(xiàn)場吊裝高度不符合要求。廠家圖紙要求吊鉤最低安裝高度為23.7m，加上設(shè)計余量和吊車上部檢維修空間最終確定廠房的屋架下弦高度為32.5m。

1.2 壓縮機組及其附屬設(shè)備的布置

空分裝置的壓縮機組由空氣壓縮機、汽輪機、空氣增壓機、油站和高位油箱等組成。目前的工程中主機及附屬設(shè)備一般由同一廠家成套供貨，機組內(nèi)部管道由廠家負(fù)責(zé)，廠家會根據(jù)機組工藝要求及自身配管情況來提供機組的安裝高度，及其附屬設(shè)備的建議性布置。

空氣過濾器應(yīng)靠近壓縮機入口布置，為保證入口管道的壓降最小過濾器的管口高度應(yīng)與空壓機入口管口高度保持一致，過濾器應(yīng)布置在廠房外盡量靠近廠房處。而吸風(fēng)口應(yīng)布置在有害氣體及固體塵埃散發(fā)源的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)[1]，且與散發(fā)碳?xì)浠衔铮ㄓ绕涫且胰玻┑扔泻怏w發(fā)生源應(yīng)有一定的安全距離。

油站要靠近壓縮機布置且放置在壓縮機基礎(chǔ)下面的廠房地面上，要滿足潤滑油依靠自身重力回流所需要的標(biāo)高要求，還需要滿足油冷卻器的檢修要求。

高位油箱需要布置在機組上方，利用重力作用在事故停車時給機組供給潤滑油，其安裝高度通常由廠家提供，當(dāng)廠家未提供高度要求時要根據(jù)機組的供油壓力計算得出其安裝高度。根據(jù)石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范規(guī)定：“壓縮機的上方不得布置甲、乙和丙類工藝設(shè)備，但自用的高位潤滑油箱不受此限”[2];我們配管人員以此為依據(jù)將高位油箱布置在壓縮廠房內(nèi)，但建筑專業(yè)的規(guī)范《壓縮機廠房建筑設(shè)計規(guī)定》中提出“高位油槽應(yīng)盡量布置在室外鋼架上，不得布置在廠房的屋架部位”[3]，條文解釋中說明了這樣的規(guī)定主要是因為屋架的耐火極限低，而一般情況下高位油箱放置的位置高，靠近屋架，一旦廠房內(nèi)發(fā)生燃燒或爆炸，點燃了高位油箱，屋架將受到嚴(yán)重威脅。從條文解釋中可以看出此條規(guī)定是針對的爆炸性氣體環(huán)境的壓縮機廠房，而對于空分裝置的空氣等非爆炸性氣體壓縮機而言則不受此限制?？紤]到西北地區(qū)冬天溫度低當(dāng)布置在廠房外時需要增加保溫伴熱等防凝措施，為了減少不必須的投資，將高位油箱布置在廠房內(nèi)。

2 壓縮機組的配管

對于離心式壓縮機（包括汽輪機）的配管，通常情況下不要求進行振動分析，但必須要對管系進行柔性分析，并應(yīng)滿足管口受力要求。計算時應(yīng)考慮設(shè)備管嘴的位移。所有壓縮機的管道不得占用機組及輔助設(shè)備抽內(nèi)件的空間，不得影響起重機的正常運行。

2.1 空壓機進出口管道的布置

空壓機進口管道的布置應(yīng)有利于流體分布均勻，管道一般較大，例如本套壓縮機進口管道達(dá)到DN3400，一般選取直連的方式，通過采用調(diào)整入口過濾器的基礎(chǔ)高度來實現(xiàn)。

空壓機出口管道不宜直接接彎頭，如廠家無要求，其最短直管段宜為公稱直徑DN 的3～5 倍。出口管線上設(shè)置有自控閥并配有閥門加長桿，根據(jù)現(xiàn)場反饋此閥門因為頻繁操作經(jīng)常會檢維修，所以此閥門及其加長桿應(yīng)設(shè)置在平臺上。壓縮機出口管線設(shè)置有防喘振管線，因為防喘振管線放空時氣量大震動大，一般將其布置在地面上單獨設(shè)置管墩支撐管道，且在放空閥處設(shè)置固定架防止震動（如圖3），此處設(shè)置固定架對壓縮機出口管整條管線的應(yīng)力提出了更高的要求，通過合理的設(shè)置膨脹節(jié)及彈簧架來解決管線的應(yīng)力問題。在應(yīng)力計算時應(yīng)該考慮以下幾種工況：1、無應(yīng)力安裝工況;2、正常操作工況;3、設(shè)計工況;4、全料放空工況;5、防喘振放空工況。這幾種都是通常考慮的工況，但全料放空和防喘振放空這兩種工況管道專業(yè)一定要和機器廠家、工藝專業(yè)了解清楚后提給應(yīng)力專業(yè)，否則很容易會出現(xiàn)理解錯誤，導(dǎo)致應(yīng)力計算出現(xiàn)偏差。如圖3所示，這臺機組設(shè)有三條放空管線，015閥所在的管線為全料放空管線，013和014所在的管線為防喘振放空管線。全料放空時015閥開啟放空，013、014和016閥處于關(guān)閉狀態(tài);防喘振放空時016閥處于開啟015閥處于關(guān)閉狀態(tài)，013和014閥隨著氣量的增大而逐步開啟。

2.2 汽輪機入口蒸汽管道的布置

本套空分裝置選用高壓蒸汽（設(shè)計壓力13.5 MPa、設(shè)計溫度545 ℃）作為汽輪機的動力來源，拖動空壓機和增壓機，高壓蒸汽管道的配管是設(shè)計工作的重中之重。由于蒸汽管道的溫度和壓力較高，且包含安裝、吹掃打靶、操作等多種復(fù)雜組合的工況，加之汽輪機主進汽管口對力、熱位移等極其敏感，因此在管道布置時應(yīng)非常注意。如圖4，汽輪機是南北方向布置，汽輪機入口在固定點的北側(cè)，蒸汽進入透平前，管道向北繞過壓縮機本體和透平的固定點，并設(shè)置南北向限位架，利用此限位架北側(cè)的水平管線來吸收管口的水平熱位移，此限位架的位置必須經(jīng)過計算得出。汽輪機管口朝下，在進口處的豎直管道上設(shè)置恒力彈簧架，這樣既能吸收管口及管道的向下熱位移又能保證管口處的受力，配管設(shè)計時應(yīng)充分考慮此處支架安裝空間。在三通的彎頭處設(shè)置東西向限位架保證了管系本身的東西向熱位移不會對管口產(chǎn)生影響。蒸汽進口管道上的切斷閥盡量靠近蒸汽主管布置，因為高壓蒸汽切斷閥體積較大，為操作方便，應(yīng)就近放置在壓縮機廠房平臺上靠近蒸汽主管的一側(cè)。在布置完蒸汽管道后應(yīng)該將管段圖返給工藝專業(yè)，核算汽輪機管口處的溫度和壓力，以保證蒸汽在管口處的工藝參數(shù)滿足設(shè)計要求。

為保障汽輪機的管口受力，在設(shè)計入口蒸汽管道時應(yīng)考慮多種工況，除通?？紤]的無應(yīng)力安裝、設(shè)計、操作、水壓試驗等工況，還應(yīng)充分考慮在試車和開停車時產(chǎn)生的各種工況：1、暖管工況，此時管道按照525℃，透平按照室溫考慮。按照工藝流程管線上設(shè)置兩個暖管放空接出口，采用分段暖管，此時應(yīng)力計算也需要以切斷閥為界分段計算;2、停車過程中產(chǎn)生的熱機冷管工況，經(jīng)與廠家和現(xiàn)場開車人員交流得出此種工況按照極限溫差情況下汽輪機480℃，管道230℃來計算，熱機冷管工況主要是考慮到機組停車后透平和管道降溫幅度不一致導(dǎo)致管口受力產(chǎn)生變化。

2.3 潤滑油管道的布置

潤滑油系統(tǒng)的管道布置方式通常是供油管道布置在機組的一側(cè)，回油管道布置在機組的另一側(cè)，這樣可避免供回油管道之間的交叉，便于施工及油運后的拆裝。因為酸洗鈍化需要在現(xiàn)場的酸洗槽中進行，所以潤滑油管道應(yīng)分段用法蘭連接，管道最長段和每根管道上彎頭數(shù)量應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的酸洗槽尺寸進行確定。

2.4 循環(huán)冷卻水管道的布置

空壓機和增壓機的循環(huán)水消耗量大，循環(huán)水管的規(guī)格大，管道布置不能影響設(shè)備的抽芯。循環(huán)水管道需要和地下水管相連，因為地管施工較早，設(shè)計時要盡早和給排水專業(yè)工程師溝通，確定好地管的交接位置，如果給排水專業(yè)很難做到進水和回水位于機組的同一側(cè)，要及時要求生產(chǎn)廠家修改設(shè)備管口的位置。現(xiàn)場地管的施工精度較低，容易出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)地上循環(huán)水管道無法和地下管道連接的情況，地坪澆筑后地下管道很難再修改，所以設(shè)計時應(yīng)提前考慮可以調(diào)節(jié)的裕量或應(yīng)對措施。

3 結(jié)語

本文結(jié)合實際工作，對離心式壓縮機的布置及配管進行了簡要說明。對壓縮機組及其附屬管道科學(xué)合理的布置對于機組的正常運行和安裝施工起著非常重要的作用。管道設(shè)計人員應(yīng)該要善于對以往成功的項目進行總結(jié)，將好的經(jīng)驗應(yīng)用到未來新的項目中。

參考文獻

[1]GB 50030-2013，氧氣站設(shè)計規(guī)范.

[2]GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范.

[3]HG/T 20673-2005， 壓縮機廠房建筑設(shè)計規(guī)定.