陳子路（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

空冷器是空氣冷卻器的簡稱，是化工裝置中一種常見的設(shè)備。主要原理是利用空氣作為冷卻介質(zhì)將熱的工藝介質(zhì)冷卻或冷凝到設(shè)計(jì)所需要的溫度。根據(jù)冷卻方式的不同，可以分為干式空冷器和濕式空冷器。濕式空冷器是在干式的基礎(chǔ)上，借助于水的噴淋或霧化增強(qiáng)換熱，雖然冷卻效率相對較高，但易造成管束的腐蝕，整體壽命較短，因而在化工行業(yè)中應(yīng)用不多。文章中所提的空冷器主要指干式空冷器，相比傳統(tǒng)的水冷式換熱器，干式空冷器具有操作簡便、節(jié)約水資源、保護(hù)環(huán)境、減少工業(yè)廢氣廢水的排放等優(yōu)勢，在化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)化工設(shè)計(jì)院的常規(guī)設(shè)計(jì)分工，空冷器一般是由工藝專業(yè)提出的空冷器的形式及計(jì)算設(shè)計(jì)所需的冷卻能力，并向空冷器廠家提供詢價(jià)書，具體的外形尺寸由空冷器廠家設(shè)計(jì)并制造的。管道專業(yè)根據(jù)空冷器廠家提供的設(shè)備外形尺寸、接管位置等，從優(yōu)化設(shè)備占地、工藝流程順序、提高空間利用率、便于現(xiàn)場操作檢修等方面考慮，對空冷器廠家的外形尺寸，接管位置進(jìn)行審查，并提出相應(yīng)的修改意見。根據(jù)廠家返回的審查后意見，再對設(shè)備進(jìn)行合理布置，并裝置平面布置圖中表示。根據(jù)空冷器的設(shè)備布置情況，管道專業(yè)還需要完成對空冷器配套設(shè)備梯子平臺、進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)，并將設(shè)備平臺、埋板、管口作用力等返給空冷器廠家核算。

1 空冷器裝置布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 基本要求

考慮裝置設(shè)備布置總體統(tǒng)籌及空冷器的設(shè)備特點(diǎn)等因素，空冷器優(yōu)先布置在框架的頂層或管廊的上方等裝置內(nèi)高點(diǎn)，柱距通常采用9到12米。當(dāng)裝置內(nèi)有多組空冷器集中布置時(shí)，為減少管道偏流，盡量讓廠家將空冷器的進(jìn)出口數(shù)量設(shè)計(jì)為偶數(shù)，設(shè)備還應(yīng)成排或成列布置。建構(gòu)筑物一側(cè)應(yīng)設(shè)置硬化地坪及通道，供檢修車輛停留的。根據(jù)空冷器的最大檢修件重量、安裝高度、安裝位置距離檢修空地的距離等因素，綜合考慮后根據(jù)所需吊車的型號，確定檢修場地的尺寸。

1.2 避免熱風(fēng)循環(huán)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

空冷器是以空氣作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行換熱的設(shè)備，設(shè)備空氣入口處的空氣溫度對換熱效果影響較大，設(shè)備布置時(shí)避免熱風(fēng)循環(huán)對保證空冷器的換熱能力非常重要。如布置不合理，空冷器的入口空氣溫度高于設(shè)計(jì)考慮的環(huán)境溫度，會(huì)使空冷器的換熱能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求?？赡軐?dǎo)致這種情況的主要因素有以下幾點(diǎn)：空冷器空氣吸入口附近布置有明火加熱爐等其他高溫設(shè)備；空冷器的空氣排出口氣體無法有效擴(kuò)散，重新進(jìn)入空氣吸入口，導(dǎo)致熱量循環(huán)。

為避免熱風(fēng)循環(huán)現(xiàn)象，空冷器應(yīng)盡量布置在裝置內(nèi)相對空曠的、有利于氣體擴(kuò)散的場所。在空冷器的上風(fēng)向25 米范圍內(nèi)，應(yīng)避免出現(xiàn)高溫設(shè)備。同時(shí)設(shè)備還應(yīng)布置在裝置全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，尤其要注意夏季的風(fēng)向。當(dāng)多臺空冷器成排布置時(shí)，應(yīng)靠近布置，并保持高度一致。如確實(shí)需要分開布置時(shí)，兩組空冷器之間的間距不宜小于20米，并保證設(shè)備布置高度一致。

1.3 檢修平臺設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)備檢修平臺的設(shè)計(jì)是化工設(shè)計(jì)院裝置布置及管道專業(yè)重要的工作內(nèi)容之一。檢修平臺設(shè)計(jì)的主要原則是在滿足日常操作和檢修的前提下，還需要做到美觀、經(jīng)濟(jì)、可靠。在設(shè)計(jì)過程中，空冷器的設(shè)備和管道布置應(yīng)整體統(tǒng)籌考慮，同步進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于入口溫度較高的在空冷器物料入口側(cè)，管道通常不能直進(jìn)直出。入口管道應(yīng)進(jìn)行管道柔性分析及應(yīng)力計(jì)算。只有在完成管道柔性分析后，才能最終確定入口管需要的配管空間。

在平臺設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證其四周配管后平臺凈寬在0.8 米以上，對于需要經(jīng)常需要操作、檢修的地方，平臺凈寬一般在1.2米以上。當(dāng)空冷器進(jìn)出口管道需要穿過空冷器平臺時(shí)，因管道布置比較集中，可以在平臺上開一個(gè)長孔并設(shè)置護(hù)欄，以便在平臺上設(shè)計(jì)管道支架。如平臺的位置在空冷器檢修件的上方，為方便吊裝，應(yīng)在平臺上設(shè)置一個(gè)略大于檢修件的吊裝孔，吊裝孔內(nèi)應(yīng)采用活動(dòng)梁。

2 空冷器管道布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 基本要求

空冷器的配管在符合工藝流程的要求之外，還應(yīng)滿足操作檢修及日常維護(hù)的需求。如有管道穿過設(shè)備平臺的吊裝孔或管道位置影響空冷器的管束吊裝等情況，需要在管道上安裝一對拆卸法蘭，減少檢修過程中管道的切割及焊接的工作量，保證裝置的安全性。管道專業(yè)設(shè)計(jì)人員在考慮管道走向布置時(shí)，同時(shí)還需要規(guī)劃電氣、儀表橋架的位置，避免與管道安裝的交叉碰撞，并將預(yù)留的橋架位置提給下游專業(yè)確認(rèn)。在化工行業(yè)中，管道內(nèi)介質(zhì)通常含有硫分，當(dāng)物料冷卻至露點(diǎn)溫度以下時(shí)，含硫的蒸汽就會(huì)對管道造成腐蝕。為了避免管道末端發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕，各級管道之間還應(yīng)盡可能使用彎頭進(jìn)行連接，減少管道的末端導(dǎo)致的不流動(dòng)的死區(qū)。

2.2 防偏流的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隨著裝置規(guī)模的大型化，目前化工裝置多數(shù)采用多臺空冷器成組布置的方案。為保證物料進(jìn)料分配均勻，入口管道壓降一致，保證空冷器效率，空冷器的入口管線應(yīng)采用對稱布置。進(jìn)料總管至空冷器入口應(yīng)逐級變徑，分流前的上一級總管還應(yīng)保持一定長度，以保證物料有足夠的空間分配均勻。對于含有硫分的氣體物料，為避免管道死區(qū)，不應(yīng)使用三通加管帽的形式，集合管兩端應(yīng)采用彎頭連接?？绽淦鞯某隹诠艿酪矐?yīng)采用對稱布置，減少管道壓降不同對空冷器入口分流的影響，出口管線可直接匯和至一根集合管后接走。圖1為典型的空冷器進(jìn)出口管道布置。

圖1 空冷器進(jìn)出口管道布置

圖1中空冷器為上進(jìn)下出的結(jié)構(gòu)，其中進(jìn)口管線物料狀態(tài)為空冷器進(jìn)口管道中常見的氣液兩相流，管道采用步步低的方式進(jìn)入空冷器。為保證流量分配均勻，整體上采用多級分流對稱布置。因氣液兩相流管道的特殊性，在配管時(shí)將異徑管前的三通水平布置，上級總管與下級管道所在平面垂直，避免形成柱狀流引起管道振動(dòng)和設(shè)備破壞，確保生產(chǎn)安全。

在實(shí)際生產(chǎn)裝置中，可能會(huì)碰到管道布置空間不足，無法滿足上述要求。對于一些對偏流要求比較苛刻的工況，設(shè)計(jì)時(shí)需要對出入口管道的偏流情況做單獨(dú)的分析。通過CFD 軟件（如Fluent）設(shè)置出入口邊界條件，物料的參數(shù)，建立實(shí)際的管道模型，對流場進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化管道布置，基本能滿足工程方面的要求。

2.3 管道應(yīng)力要求及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在管道設(shè)計(jì)過程中，空冷器的管道布置還應(yīng)做到對稱布置、美觀、無液袋、管路有足夠的柔性。當(dāng)空冷器上游設(shè)備與空冷器入口管道較近時(shí)，可通過管道П形布置，增強(qiáng)管道柔性，以滿足空冷器廠家對管口受力的要求，如果廠家沒有提出相關(guān)需求，可采用API661相關(guān)要求進(jìn)行校核。一般情況下，通過管道固定點(diǎn)位置的設(shè)置，使管道膨脹方向與設(shè)備膨脹方向一致，減少管道對設(shè)備管口的附加力。如實(shí)際管道安裝位置有限，無法通過自然補(bǔ)償來滿足管道柔性，可以考慮將管口受力情況返給空冷器廠家，通過加強(qiáng)管口來滿足實(shí)際管口受力要求，避免管口處發(fā)生物料泄露問題。

3 結(jié)論

綜上所述，化工裝置中空冷器及其管道的合理布置方案是保證設(shè)備換熱效率，裝置安全可靠運(yùn)行的前提。隨著裝置的大型化，新建化工裝置通常都有裝置布置緊湊，配管空間緊張，對裝置布置及管道設(shè)計(jì)要求更高?；ぴO(shè)計(jì)院的裝置及管道布置專業(yè)設(shè)計(jì)人員在工作過程中，要做到滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、工藝流程、符合廠家要求、保證生產(chǎn)安全，還要做到布置的整體美觀、方便檢修及日常操作等。