柳 坤

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)是烯烴分離裝置的關(guān)鍵系統(tǒng)之一[1]，介質(zhì)溫度經(jīng)歷自72.2℃至-40.6℃的工況，冷熱條件同時(shí)存在，具有與一般壓縮機(jī)系統(tǒng)不同的特點(diǎn)，其管道設(shè)計(jì)的合理與否直接影響著裝置的正常運(yùn)行。目前無(wú)太多文獻(xiàn)對(duì)此系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)做全面且系統(tǒng)的討論，本文結(jié)合某烯烴分離項(xiàng)目，對(duì)丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析，為今后類似系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)提供參考。

1 機(jī)組概況及工藝流程

本文中丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)由壓縮機(jī)組及其附件(包括油站、高位油箱等設(shè)備)、蒸汽透平機(jī)組及其附件(包括凝汽器、兩級(jí)射汽抽氣裝置、凝結(jié)水泵、排氣安全閥等設(shè)備)、多段吸入罐、冷凝器、冷劑儲(chǔ)罐、排污罐等組成。丙烯制冷壓縮機(jī)組及附屬設(shè)備工藝流程見(jiàn)圖1。

1-透平；2-丙烯制冷壓縮機(jī)；3-丙烯冷凝器；4-丙烯冷劑儲(chǔ)罐；5-預(yù)切割塔再沸器；6-四段吸入罐；7-三段吸入罐；8-二段吸入罐；9-一段吸入罐；10-丙烯液相排出泵

丙烯制冷壓縮機(jī)為四段離心式壓縮機(jī)，氣相丙烯從四段吸入罐注入系統(tǒng)，將系統(tǒng)壓力充壓至0.3MPa，再泄壓至火炬系統(tǒng)，反復(fù)三次將系統(tǒng)內(nèi)氮?dú)庵脫Q，然后將系統(tǒng)充壓至適合壓力，將液相丙烯注入四段吸入罐，并在二、三、四段吸入罐內(nèi)建立液相，以使系統(tǒng)啟動(dòng)。

系統(tǒng)運(yùn)行后，丙烯經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，以72.2℃的溫度進(jìn)入冷凝器冷凝，然后至丙烯冷劑儲(chǔ)罐，經(jīng)儲(chǔ)罐后的液相丙烯作為熱源進(jìn)入預(yù)切割塔再沸器，降溫后作為冷劑為系統(tǒng)中各換熱器提供冷量，即依次經(jīng)過(guò)四至一段吸入罐，為系統(tǒng)提供4.1℃、-7.5℃、-25.9℃、-40.6℃四個(gè)溫度級(jí)位的冷量。氣相丙烯從各段吸入罐頂部進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉式循環(huán)制冷過(guò)程。需要時(shí)，各段吸入罐中的丙烯通過(guò)丙烯液相排出泵送至界區(qū)外，正常工況下無(wú)流量。

2 丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)布置

丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)平面布置需要考慮以下因素：① 根據(jù)工藝流程順序，將一至四段吸入罐依次按中心線布置，壓縮機(jī)靠近吸入罐布置，減少吸入管道的阻力，壓縮機(jī)旁設(shè)檢修、消防用的道路。吸入罐與壓縮機(jī)之間布置附屬管橋，以便管道的進(jìn)出；② 壓縮機(jī)附件(包括油站、高位油箱等設(shè)備)靠近壓縮機(jī)布置，透平機(jī)組附件(包括凝汽器、兩級(jí)射汽抽氣裝置、凝結(jié)水泵、排氣安全閥等設(shè)備)靠近透平布置，其中凝汽器布置在透平下方，與透平柔性連接；③ 根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50160—2008)中5.2.1條，將丙烯冷凝器與冷劑儲(chǔ)罐(屬操作溫度低于自燃點(diǎn)的設(shè)備)布置在與丙烯壓縮機(jī)9m之外的位置(丙烯壓縮機(jī)為甲類可燃?xì)怏w壓縮機(jī))，且將丙烯冷凝器相對(duì)冷劑儲(chǔ)罐均勻布置，減小偏流，見(jiàn)圖2。

圖2 丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)平面布置圖

在平面布置基礎(chǔ)上，對(duì)豎面布置考慮以下問(wèn)題：① 根據(jù)凝結(jié)水泵的必需汽蝕余量(NPSH)r確定冷凝器的高度，結(jié)合廠家提供的壓縮機(jī)和透平的參考高度，確定壓縮機(jī)進(jìn)出口管道距地面的凈空要求以及閥組平臺(tái)的操作檢修空間要求，同時(shí)將數(shù)據(jù)返與廠家核算，包括透平與冷凝器的柔性以及壓縮機(jī)吸入口直管段核算，在此基礎(chǔ)上確定附件(包括高位油箱、兩級(jí)射汽抽氣裝置等設(shè)備)標(biāo)高，根據(jù)吊裝條件確定吊車軌道標(biāo)高；② 丙烯冷劑儲(chǔ)罐主要作用是液封，故丙烯凝冷器底部出口與丙烯冷劑儲(chǔ)罐頂高差不應(yīng)太大，本文核算后應(yīng)小于6m，由此確定此二者豎面標(biāo)高，見(jiàn)圖3。

圖3 丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)豎面布置圖

3 管道設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析可以看出，丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)有著特別的工況和設(shè)計(jì)要求：①壓縮機(jī)制冷過(guò)程中介質(zhì)溫度經(jīng)歷72.2℃～-40.6℃的工況，存在大量通常意義上低于或等于-20℃的低溫管道；②由于冷熱管道的同時(shí)存在，管道的支架設(shè)計(jì)及型式需要做特別考慮。本文將對(duì)丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)中最重要的壓縮機(jī)進(jìn)出口管道進(jìn)行分析，以闡述丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)。

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在低溫工況運(yùn)行時(shí)，其管道材料的技術(shù)要求為：具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等[2]。其中，低溫韌性是最重要的因素，以防止管系的脆裂和脆斷，要求低溫鋼在最低使用溫度下有一定的沖擊韌性值，即滿足夏比試驗(yàn)溫度下沖擊功的合格指標(biāo)。根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)出口條件，選用鎮(zhèn)靜鋼即完全脫氧鋼，一段進(jìn)口為A671 GR.CC60低溫碳鋼，二、三段進(jìn)口為A333 GR.6的低溫碳鋼；四段進(jìn)口及壓縮機(jī)出口選用20#鋼。

隔熱材料方面，需要考慮導(dǎo)熱系數(shù)和材料密度兩個(gè)方面，以保證隔熱材料的經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)保冷材料而言，國(guó)內(nèi)石化裝置通常選擇硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃，根據(jù)其主要性能，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度≥-65℃時(shí)，保冷層材料可選用硬質(zhì)聚氨酯塑料泡沫；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于-65℃時(shí)，宜采用復(fù)合保冷技術(shù)，且當(dāng)隔熱層厚度大于或等于80mm時(shí)，采用分層設(shè)計(jì)。

3.2 方案布置

考慮丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)管道布置方案時(shí)，首先考慮以下4點(diǎn)：①滿足工藝及儀表流程的要求；②考慮管道應(yīng)力設(shè)計(jì)；③考慮管道管件的操作和檢修，設(shè)置必要的平臺(tái)；④盡量布置合理、經(jīng)濟(jì)、整齊、美觀。

丙烯制冷壓縮機(jī)進(jìn)口管道布置見(jiàn)圖4。

A1I1-一段進(jìn)口；A2H2-二段進(jìn)口；A3G3-三段進(jìn)口；A4H4-四段進(jìn)口

對(duì)丙烯制冷壓縮機(jī)進(jìn)口管道，平衡其閥組的操作檢修、應(yīng)力和流量計(jì)直管段要求是此部分管道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，如圖4所示，對(duì)此做以下布置：① 因壓縮機(jī)四進(jìn)口I1、H2、G3、H4管嘴間距離較近以及保冷材料厚度的限制，無(wú)法同時(shí)將一至四段進(jìn)口線布置在地面，故將一、三段進(jìn)口線A1-I1、A3-G3布置地面處，二、四段進(jìn)口線A2-H2、A4-H4布置在相對(duì)地坪標(biāo)高4米平臺(tái)處，以滿足管道間距及進(jìn)口閥門(mén)的檢修操作，將數(shù)據(jù)返回廠家核算進(jìn)口直管段要求；②各吸入罐至壓縮機(jī)進(jìn)口具有8～20米的垂直距離，需要進(jìn)行自然補(bǔ)償滿足應(yīng)力要求：(a)為滿足壓縮機(jī)進(jìn)口受力，考慮對(duì)管口受力的限制，對(duì)一至三段進(jìn)口，因具有達(dá)-45℃工況，故考慮在H1、G2、F3點(diǎn)做建東方向的限位，同時(shí)對(duì)一段進(jìn)口E1-F1段產(chǎn)生的冷縮，考慮在G1-H1段上做建南方向的限位，二段進(jìn)口E2-F2段產(chǎn)生的冷縮，考慮在F2- G2段上做建北方向的限位，由于四段進(jìn)口不存在小于0℃工況，考慮E4-F4段的熱漲，在F4-G4段設(shè)導(dǎo)向；同時(shí)，考慮在H1、G2、F3、G4設(shè)置恒力彈簧，限制管線在Y方向?qū)茏斓牧Γ?b)對(duì)二次應(yīng)力，垂直方向力考慮通過(guò)設(shè)置C1-F1、C2-F2、C3-D3、C4-F4段補(bǔ)償吸收；③進(jìn)口管線流量計(jì)，分別在E1-F1、C2-D2、E3-F3、E4-F4段對(duì)其布置，以滿足需要約10倍管道公稱直徑的直管段要求；④為防止拆卸螺栓時(shí)破壞主管上的保冷層，低溫管道上的法蘭與彎頭或三通之間留取一段直管段，不宜直接焊接。

A-壓縮機(jī)出口；L、M、Q、R-冷凝器進(jìn)口

丙烯制冷壓縮機(jī)出口管道操作溫度為72.2℃，其布置間圖5：①與四段進(jìn)口管道錯(cuò)開(kāi)檢修空間，將出口閥組B-C段置于地面處，直管段數(shù)據(jù)返回廠家核算；②防止B-C段、D-E段熱漲對(duì)管嘴的受力，考慮在B點(diǎn)做建東方向限位、在C點(diǎn)做建北方向限位；同時(shí)，考慮在B設(shè)置恒力彈簧，限制管線在Y方向?qū)茏斓牧?；③四臺(tái)冷凝器進(jìn)口管道進(jìn)行對(duì)稱布置，即G至L、M、Q、R段，減小偏流的情況。

3.3 應(yīng)力分析

對(duì)上述管道布置方案，進(jìn)行應(yīng)力核算，主要包括一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和管口受力校核。表1為壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的參數(shù)工況條件，用COADE公司開(kāi)發(fā)的管道應(yīng)力分析程序CAESARII Ver4.50對(duì)上述管道進(jìn)行應(yīng)力分析和計(jì)算。

表1 壓縮機(jī)進(jìn)出口工況

3.3.1 一次應(yīng)力校核

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一次應(yīng)力校核見(jiàn)表2：壓縮機(jī)一至四段進(jìn)出口管道上的170、150、170、250、330點(diǎn)是具有最大一次應(yīng)力值點(diǎn)，各綜合應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值在17.4%～38.5%之間，滿足一次應(yīng)力校核要求。

表2 一次應(yīng)力校核

3.3.2 二次應(yīng)力校核

二次應(yīng)力校核見(jiàn)表3：壓縮機(jī)一至四段進(jìn)出口管道上的210、110、98、88、550點(diǎn)具有最大二次應(yīng)力值，各綜合應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值在3.5%～32.6%之間，滿足二次應(yīng)力校核要求。

表3 二次應(yīng)力校核

3.3.3 管口受力校核

丙烯制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口管嘴布置及機(jī)組固定點(diǎn)見(jiàn)圖6，其中，壓縮機(jī)一至四段進(jìn)口管嘴和出口管嘴分別為定義為240、220、260、290、10點(diǎn)，其公稱直徑分別為900mm、450mm、350mm、250mm、450mm。

注：圖中尺寸單位mm。

壓縮機(jī)進(jìn)出口管道對(duì)管口的力和力矩應(yīng)符合制造廠或API 617的要求，因與廠家協(xié)商，按NEMA SM23規(guī)定允許受力值的3倍執(zhí)行，即管口力和力矩需要滿足以下條件[3]：

(1)任一管口的力和力矩應(yīng)滿足：

0.9144FR+MR?a×26.689×De

(1)

式中，De為當(dāng)量直徑，mm；當(dāng)管口公稱直徑不大于200時(shí)，De=管口公稱直徑；當(dāng)管口公稱直徑大于200 時(shí)，De=(管口公稱直徑+400)/3；FR為單個(gè)管口上的合力，N；MR為單個(gè)管口上的合力矩，N·m；a為與廠家確認(rèn)倍數(shù)，a=3。

(2)

(3)

式中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z為單個(gè)管口上X、Y、Z方向的作用力，N；Mx，My，Mz為單個(gè)管口上X、Y、Z方向的作用力矩，N·m。

(2)各管口的力和力矩合成到某一管口中心處的合力和合力矩應(yīng)滿足：

①合力和合力矩應(yīng)滿足：

0.6096Fc+Mc?a×13.345×Dc

(4)

式中，F(xiàn)c為各管口的合力，N；Mc為各管口的力和力矩合成到某一管口中心處的合力和合力矩，N·m；Dc為按公稱直徑計(jì)算得到的各管口面積之和的當(dāng)量直徑，mm[當(dāng)各管口面積之和折合成圓形的折算直徑不大于230mm時(shí)，Dc=折算直徑；當(dāng)各管口面積之和折合成圓形的折算直徑大于230mm時(shí)，Dc=(折算直徑+460)/3]；a為與廠家確認(rèn)倍數(shù)，a=3。

需要注意的是，條件(2)中的各管口，對(duì)壓縮機(jī)是指四段進(jìn)口和出口；條件(2)中的某一管口，對(duì)壓縮機(jī)是指最大管口，即一段進(jìn)口。

②Fc和Mc在X、Y、Z三個(gè)方向的分力和分力矩應(yīng)滿足：

|Fcx|?a×8.756Dc

(5)

|Fcy|?a×21.891Dc

(6)

|Fcz|?a×17.513Dc

(7)

|Mcx|?a×13.345Dc

(8)

|Mcy|?a×6.672Dc

(9)

|Mcz|?a×6.672Dc

(10)

式中，F(xiàn)cx、Fcy、Fcz為Fc在X、Y、Z三個(gè)方向的分力，N；Mcx、Mcy、Mcz為Mc在X、Y、Z三個(gè)方向的分力矩，N·m；a為與廠家確認(rèn)倍數(shù)，a=3。

需要注意的是，條件(2)中的各管口，對(duì)壓縮機(jī)是指四段進(jìn)口和出口；條件(2)中的某一管口，對(duì)壓縮機(jī)是指最大管口，即一段進(jìn)口。

在上述管道布置方案下，壓縮機(jī)管口力和力矩見(jiàn)表4。

表4 管口力和力矩

以壓縮機(jī)一段進(jìn)口節(jié)點(diǎn)240管嘴為例進(jìn)行計(jì)算：

(a)單獨(dú)管口的力和力矩：

De=(900+400)÷3=433.3mm

0.9144FR+MR=0.9144×9550.5+12280=21013

a×26.689×De=3×26.689×433.3=34695.7

對(duì)其余各管口做相同計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單嘴口受力校核

表5結(jié)果滿足式(1)的要求，受力合格。

(b)各管口合成的力和力矩：

|Fcx|=|5264+(-92)+(-52)+(-343)+2183|=6960

|Mcx|=|(-9438)+7804+1539+1379+(-4721)+{(-2992)×0.85+(-3793)×0.5}+{(-2950)×0.85+(-513)×0.5}+{(-232)×0.85+(-750)×0}+{3970×0+2512×0}|=11212.9

同理，「Fcy?，「Fcz?，「Mcy?，「Mcz?計(jì)算見(jiàn)表6中結(jié)果。

表6 壓縮機(jī)嘴口受力校核

表7 壓縮機(jī)嘴口力矩校核

各管口面積之和：

A=(9002+4502+3502+2502+4502)×3.14÷4=1099000mm2

將上述值帶入式(4)～式(10)，得到表6～表8中的結(jié)果，可以看出，壓縮機(jī)一段進(jìn)口合力和合力矩占許用值的88%，其他各分力和分力矩也滿足要求。

表8 壓縮機(jī)合成嘴口受力校核

4 支吊架設(shè)計(jì)

通過(guò)以上應(yīng)力計(jì)算，對(duì)管道進(jìn)行合適的支吊架設(shè)計(jì)，以滿足管系設(shè)計(jì)的要求。丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)需要特別注意低溫保冷管道的支架設(shè)計(jì)，以壓縮機(jī)一段進(jìn)口管道為例，如圖7所示，此管道操作溫度為-40.8℃，對(duì)壓縮機(jī)管口，G1-H1直管段出現(xiàn)建東方向冷縮，E1-F1直管段出現(xiàn)建南方向冷縮，故在217點(diǎn)及170點(diǎn)做止推支架，防止240點(diǎn)壓縮機(jī)管口在Fx、Fz及Mx、Mz受力和力矩不滿足要求。50點(diǎn)標(biāo)高與一段吸入罐頂出口標(biāo)高相差不大，因此50點(diǎn)設(shè)剛性稱重支架，H1-I1段及F1-G1段由于冷縮，G1-H1段有Y方向位移，故在170點(diǎn)和210點(diǎn)設(shè)置彈簧，為使240點(diǎn)壓縮機(jī)管口FY在要求范圍內(nèi)，210點(diǎn)設(shè)恒力彈簧，同時(shí)，170點(diǎn)設(shè)可變彈簧，彈簧的設(shè)置也使90點(diǎn)和120點(diǎn)在Y方向的位移為0mm，設(shè)置剛性支架。除了彈簧，A1-I1在F方向的力由C1-H1在X-Y面的自然補(bǔ)償來(lái)吸收，120點(diǎn)和170點(diǎn)設(shè)μ=0.1的低摩擦滑動(dòng)支架。

圖7 壓縮機(jī)一段進(jìn)口保冷管道支架圖

對(duì)丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)保冷管道支架，為避免管道產(chǎn)生“冷橋”，出現(xiàn)冷量的損失[4]，一般對(duì)保冷管道支架或生根的設(shè)備設(shè)置隔冷塊，或者采用管夾式結(jié)構(gòu)管托，將保冷結(jié)構(gòu)置于管夾內(nèi)，內(nèi)部有金屬層、保冷層和防潮層等，管夾和保冷層之間加丁基橡膠板，以便管道發(fā)生變形時(shí)，管道與保冷層之間沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)，這種整體考慮的管夾，可降低施工難度，且便于使用中的維護(hù)。圖8為一種保冷管夾的結(jié)構(gòu)型式。

圖8 保冷管夾結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于烯烴分離裝置丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)，本文就其平面及豎面布置需要考慮的因素及應(yīng)對(duì)措施提出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把握的原則；同時(shí)，對(duì)于丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)，從參數(shù)設(shè)計(jì)、方案布置、應(yīng)力分析、支吊架設(shè)計(jì)等幾方面，闡述了其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。對(duì)上述各方面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意各部分既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系。比如在做方案布置時(shí)，就要考慮應(yīng)力分析和支吊架的設(shè)計(jì)，綜合考慮以上各方面的因素，結(jié)合丙烯制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，方可設(shè)計(jì)出即可靠又經(jīng)濟(jì)合理的工程方案。