夏 軍，蘭小青，胡 煒

(杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310000)

1 前 言

近十年來，中國(guó)空分事業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了十萬等級(jí)空分的國(guó)產(chǎn)化，并向十萬以上等級(jí)空分的研發(fā)和生產(chǎn)邁出了堅(jiān)定的步伐[1]。空分突破了十萬等級(jí)這道門檻后，面對(duì)的不單單是空分單體設(shè)備的簡(jiǎn)單放大和數(shù)字上的提升，而是從流程計(jì)算、工藝設(shè)計(jì)和單元設(shè)計(jì)到設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝以及空分運(yùn)行、維護(hù)、安全等一系列的突破創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。并且，隨著國(guó)內(nèi)稀有氣體市場(chǎng)的興起，市場(chǎng)對(duì)空分提出了氪、氙、氖、氦、高純氧氮以及超純氧氮的需求，使特大型空分的研發(fā)進(jìn)入了一個(gè)新的高度。隨著空分等級(jí)的提升，粗氬冷凝器也需要越來越大的換熱面積，這將會(huì)給設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝帶來一系列的問題。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

某公司基于以上市場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)了一套特大型空分設(shè)備。該套空分的產(chǎn)品除了常規(guī)的氧、氮、氬外，還有氖、氦、氪、氙四種稀有氣體，并且還要求將另外一套7萬等級(jí)不帶氬空分的粗氬氣同時(shí)進(jìn)行氬產(chǎn)品提取。因此，該套9萬等級(jí)空分的氬系統(tǒng)氬提取能力需等同于15萬等級(jí)空分的氬提取系統(tǒng)，粗氬冷凝器的熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于常規(guī)空分設(shè)備，液空側(cè)最大換熱面積巨大，所以粗氬冷凝器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝和安全運(yùn)行面臨諸多挑戰(zhàn)。

3 應(yīng)用情況

3.1 運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)制造問題

若粗氬冷凝器采用常規(guī)單層立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則單元尺寸約為Φ5400 mm×6700 mm。該設(shè)計(jì)方案將面臨兩個(gè)工程問題：

1.運(yùn)輸尺寸限制問題：粗氬冷凝器采用常規(guī)公路運(yùn)輸，制造地與安裝現(xiàn)場(chǎng)的公路運(yùn)輸條件中，容器運(yùn)輸直徑尺寸上限為Φ4800 mm。常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的粗氬容器直徑為Φ5400 mm，已超過公路運(yùn)輸尺寸上限，不滿足公路運(yùn)輸條件，運(yùn)輸成本超出可承受范圍。

2.現(xiàn)場(chǎng)制造質(zhì)量控制問題：當(dāng)容器運(yùn)輸超限時(shí)，工程上通常會(huì)考慮采用現(xiàn)場(chǎng)制造的方式來解決問題，但鋁制粗氬冷凝器的現(xiàn)場(chǎng)制造需滿足或具備以下條件：

1)現(xiàn)場(chǎng)制造需滿足JB/T 4734《鋁制焊接壓力容器》第10.2.1.1條要求：制造鋁容器的場(chǎng)地應(yīng)保持清潔，并鋪設(shè)橡膠或其他軟材質(zhì)材料，以免碰傷、擦傷鋁表面。露天制作時(shí)應(yīng)有防風(fēng)、雨、雪及冬天防凍的設(shè)施。

2)鋁制容器生產(chǎn)常用機(jī)具：滾輪架、足夠噸位的吊機(jī)、常規(guī)焊機(jī)及半自動(dòng)或全自動(dòng)鋁焊機(jī)等。

3)符合要求的制造及監(jiān)管人員。鋁制容器的生產(chǎn)制造對(duì)環(huán)境要求較高，一般現(xiàn)場(chǎng)均不具備獨(dú)立、整潔的制造車間條件。另外現(xiàn)場(chǎng)制造對(duì)工裝機(jī)具的調(diào)用成本較高，現(xiàn)場(chǎng)制造質(zhì)量監(jiān)管不及工廠內(nèi)制造。

綜上所述，考慮到制造質(zhì)量和制造成本等綜合因素，在有其他選擇的情況下，不宜采用現(xiàn)場(chǎng)制造方案。

3.2 工藝流程和運(yùn)行操作問題

在滿足廠內(nèi)制造和常規(guī)公路運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，粗氬冷凝器可采用立式雙層和臥式兩種形式。

1.立式雙層粗氬冷凝器的特點(diǎn)：

1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4836 mm×8728 mm，上層液空入口較高。

2)粗氬冷凝器上下層液空采用單獨(dú)進(jìn)液和單獨(dú)回流的形式，上下層設(shè)置單獨(dú)液位計(jì)進(jìn)行液位控制。導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)粗氬冷凝器的操作難度增加，并且上下層液空組分存在差異。

3)進(jìn)出物料管口較少，配管相對(duì)簡(jiǎn)單。

4)粗氬冷凝器與粗氬塔通過焊接復(fù)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。

2.臥式粗氬冷凝器的特點(diǎn)：

1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4650 mm×7000 mm，液空入口較低。

2)粗氬冷凝器只有單層液位，運(yùn)行時(shí)操作較為簡(jiǎn)單，液空組分均勻單一。

3)進(jìn)出管口物料較多，配管相對(duì)復(fù)雜。

4)粗氬冷凝器與粗氬塔無法直接焊接復(fù)合。

同負(fù)荷條件下的臥式粗氬冷凝器與立式雙層粗氬冷凝器相比較，臥式粗氬冷凝器的體積更小更緊湊，操作更簡(jiǎn)單更方便，液空入口更低，組分均勻單一，使其在冷箱布置和流程應(yīng)用上更靈活，適用范圍更廣泛。

該空分的氪氙產(chǎn)品便是從粗氬冷凝器的液空中提取，因此，運(yùn)行時(shí)需嚴(yán)格控制液空組分，以達(dá)到提高氪氙產(chǎn)品產(chǎn)量的目的。因此，臥式粗氬冷凝器更能符合工藝設(shè)計(jì)的要求。

3.3 臥式粗氬冷凝器的復(fù)合和支撐問題

立式粗氬冷凝器常采用焊接方式將粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合在一起，不需要另外設(shè)置支撐。上述焊接復(fù)合形式不適用于臥式粗氬冷凝器與粗氬塔的復(fù)合，因此臥式粗氬冷凝器需考慮設(shè)置支撐。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，并參考臥式主冷的支撐模式，可考慮采用橫梁支撐或立式支座支撐。粗氬冷凝器的布置標(biāo)高一般在55～60 m，遠(yuǎn)高于臥式主冷的25～30 m。因此，粗氬冷凝器所處位置的管道存在較大的垂直冷縮變形，數(shù)值在220～240 mm。如果設(shè)置單獨(dú)的固定支架，粗氬冷凝器不能與粗氬塔同步冷縮，則在管道設(shè)計(jì)時(shí)，需設(shè)置大量的冷縮補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致配管復(fù)雜化，同時(shí)成本增加，管路沿程阻力損失增大，不利于安裝和長(zhǎng)期運(yùn)行。

相對(duì)于臥式主冷而言，臥式粗氬冷凝器長(zhǎng)度較短，重量較小，存在將粗氬冷凝器直接布置在粗氬塔頂端的可能性。通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和多方案對(duì)比，最后采用螺栓連接的方式，將粗氬冷凝器復(fù)合在粗氬塔頂端。圖1是粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合示意圖。

圖1 粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合示意圖

3.4 臥式粗氬冷凝器安裝、運(yùn)行過程中可能存

在的問題

1.臥式粗氬冷凝器的安裝難度大于立式粗氬冷凝器，安裝精度更高。臥式粗氬冷凝器在安裝過程中，既要達(dá)到和塔復(fù)合后的整體垂直度要求，又要達(dá)到粗氬冷凝器本身的水平度要求。

2.臥式粗氬冷凝器進(jìn)出管口較多，配管密度大，安裝工作量大，安裝要求更嚴(yán)格。

3.臥式粗氬冷凝器內(nèi)板式數(shù)量較多，實(shí)際運(yùn)行時(shí)

可能存在板式偏流的情況。

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)10萬等級(jí)和12萬等級(jí)的空分設(shè)備逐漸走向成熟，空分的等級(jí)將會(huì)不斷的提升，空分產(chǎn)品也將不斷多樣化，常規(guī)立式粗氬冷凝器已經(jīng)無法滿足空分發(fā)展的需求，臥式粗氬冷凝器將因其體積小，熱負(fù)荷大，便于運(yùn)輸，流程適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在10萬等級(jí)以上空分的設(shè)計(jì)中受到關(guān)注，可獲得廣泛應(yīng)用。