大型空分裝置後備系統工程設計的論文
大型空分裝置後備系統工程設計的論文
摘要：大型空分裝置後備系統常配套大型低溫貯槽和低溫後備泵，其介面管道減少冷量損失，防止低溫液體汽化後對泵產生氣蝕是工程設計的重點，本文對該系統工程設計及管道的佈置提出了最佳化方案。
關鍵詞：大型空分；後備系統；工程設計最佳化
1後備系統低溫管道常規設計概述
隨著國民經濟的快速發展，空分裝置的建設規模越來越大，特別是目前煤化工裝置配套的空分裝置，這些裝置一般都要求空分裝置在事故狀態下其後備系統能連續穩定的提供氣體。所以該類空分裝置後備系統的液體貯槽和後備低溫泵也配備的越來越大，貯存在貯槽中的低溫液體產品透過貯槽下部的送液管經低溫後備泵加壓汽化後送至後續化工裝置，其流程圖見圖1。低溫液體貯槽的送液管道常規設計為不鏽鋼管道由貯槽內槽底部穿出內槽，在外槽外壁開孔後水平送出，貯槽外露部分送液管道用焊接有膨脹節的不鏽鋼保冷套筒內部充填珠光砂保冷，圖2為液體貯槽常規的外接管道形式（管道未保冷）。通常貯槽供貨商與使用者的設計供貨分工界限為貯槽外送液體管道上的送出截止閥，外露的低溫液體管道通常用泡沫玻璃或聚異氰尿酸脂（PIR）等耐低溫的絕熱材料進行保冷後接至後備低溫泵，圖3為液體貯槽外接管道保冷後與低溫後備泵的常規連線形式，貯槽至低溫泵間閥門的保冷隨管道同時進行。
2大型低溫液體貯槽送液管道常規設計的問題和不足
大型特大型煤化工空分裝置往往設定大型低溫液體貯槽，一般容積都在1000m3以上，2000m3、3000m3已不鮮見，低溫液體貯槽的送液總管的直徑往往都在DN150以上，國內某專案60000等級的空分專案配套的1500m3液氧貯槽的外送液氧總管直徑為DN200，新疆某煤制油專案100000等級的空分專案配套的兩臺2500m3液氮貯槽的外送液氮管也是DN200，並且全部都設定為雙路送出，充分考慮了供液系統的安全性。如此大規格的低溫液體管道若採用常規佈置設計和保冷，即出貯槽後的`低溫管道到後備泵全部採用泡沫玻璃保冷，由於其密度為180kg/m3，施工後管道附加荷載大，且泡沫玻璃的導熱係數為0.06W.m-1.C-1，為珠光砂的兩倍，其保冷受現場施工質量的影響，並且管道上的閥門及儀表和排液管線介面在保冷施工中如處理不好，其保冷材料對接的縫隙部位往往會成為薄弱環節，在裝置實際執行過程中經常會產生跑冷現象(有些使用者現場用PU硬質聚氨酯泡沫發泡保冷，雖然聚氨酯泡沫導熱係數低，通常≤0.027W.m-1.C-1，但由於長期在低溫場合下使用宜冷脆，現場發泡的施工工藝受北方冬季寒冷氣溫的影響較大，並且石油化工裝置和管道隔熱技術規範(SH/T3010-2013)明確規定其使用溫度為-65℃-80℃，所以該工況應避免使用。如果工程佈置中後備泵距離貯槽較遠，其中間管道的跑冷損失更大，嚴重時會導致後備泵汽蝕，所以使用者往往要求貯槽至後備泵的低溫管道採用真空管道，但真空管道價格高，使用若干年後還會存在真空度下降，導致使用者現場重新保冷。
3大型低溫液體貯槽外部管道的最佳化設計思路
為了避免上述問題，設計時應將貯槽外的低溫管道與後備泵的保冷整體考慮，工程設計時應將上述管道、閥門等都設計在後備泵的保冷結構內，即低溫貯槽外部需保冷的低溫工藝管道和後備泵整體設計在一個小冷箱內，則上述管道和低溫泵的保冷可整體採用珠光砂，其後備系統冷量損失可減小到最低程度，此設計特別適用於後備低溫泵兼作空分冷箱備用泵的大型煤化工空分裝置。
4後備系統保冷工程設計最佳化實施案例
我公司在內蒙某煤化工專案工程設計中將後備低溫泵的工藝管道與貯槽送液管道整體設計在一個保冷箱內，管道既整體美觀，冷量損失又小，此外泵後的回液和回氣管道也可利用冷箱內空間佈置。此專案液氮、液氧貯槽均為500m3，內筒直徑φ8000mm，外筒直徑φ10300mm，為了預留出泵與貯槽間管道的安裝空間，貯槽基礎淨空設計為2.5米，基礎頂標高3.15米。低溫後備泵的流量為52000m3/h，泵進液管道口徑為DN150，泵後液體迴流管道口徑為DN100，回氣管道口徑為DN40。此外，設計時在泵前進液水平管段上設定了DN15的虹吸管線，此管線可利用管道中液體與氣體的密度差將汽化後的氣體虹吸至內槽氣相，使泵前液體處於動態，便於泵體更快地冷卻，除後備泵進液管道是向泵入口上坡外，其餘管道水平方向上均有向貯槽上坡的布管設計要求，且泵後回氣管路的坡度最佳為45°。上述幾個管道在貯槽內槽上的開孔部位不同，但其出貯槽的位置均設計在泡沫玻璃磚絕熱層外緣與外槽內壁之間的基礎部位（此空間長度有840mm），管道在此夾層利用自身走向的改變增加柔性，來減小管道的二次應力，可取消貯槽原有設計中管道上的膨脹節。管道需下穿貯槽基礎至後備泵冷箱，管道下穿時需設計在保冷套筒內，此設計方案需土建專業配合基礎開孔設計。貯槽基礎設計時其開孔頂面需預埋鋼板來焊接固定保冷套筒，並起到封閉保冷套筒與基礎之間縫隙的作用，套筒頂面稍高出基礎上的細砂混凝土層，並注意施工時防止細砂混凝土等雜物落入套筒內部，影響套筒保冷效果，保冷套筒設計為腰形,截面尺寸長度為1550mm，圓弧半徑為R550mm，高度為1350mm，保冷套筒考慮安全因素宜全部採用不鏽鋼材料，筒底板採用不鏽鋼板與上穿工藝管道焊接後將筒體封閉，與貯槽同時充填低密度、低導熱係數的乾燥珠光砂，與貯槽外筒構成一個整體保冷結構，套筒下面的工藝管道及後備泵單獨製作保冷箱並充填珠光砂保冷，圖4為該專案中的貯槽基礎開孔方位和尺寸，結構梁的設計應避開開孔位置。需要特別注意的是此設計方案要求管道佈置專業與土建專業密切配合，開孔方位及尺寸條件要做到準確無誤，土建施工圖經管道佈置專業確認無誤後方可現場施工。
5空分裝置後備系統工程設計的發展方向
空分裝置後備系統在工程設計中應貫穿模組化的系統設計思路，可利用三維工廠設計軟體將該系統作為整體模組設計，後備泵、保冷箱及管道儀表可以在工廠內預製安裝好整體撬裝發貨，既保證專案的實施質量，又加快現場的安裝進度。並且此方案具有可擴充套件性，當一臺低溫貯槽對應多臺壓力等級的後備泵時，可在貯槽的不同角度設計多個保冷套筒和低溫泵冷箱，或者根據實際管道佈置情況將多臺泵的小冷箱合併。如果現場佔地面積緊張，貯槽基礎淨空允許時還可以將泵冷箱反向佈置在貯槽基礎下面，此方案設計時需考慮低溫泵的吊裝空間。
作者:王偉 裴紅珍 單位:開封空分集團設計研究院