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大型空分裝置后備系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的論文
摘要：大型空分裝置后備系統(tǒng)常配套大型低溫貯槽和低溫后備泵，其接口管道減少冷量損失，防止低溫液體汽化后對泵產(chǎn)生氣蝕是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本文對該系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)及管道的布置提出了優(yōu)化方案。
關(guān)鍵詞：大型空分；后備系統(tǒng)；工程設(shè)計(jì)優(yōu)化
1后備系統(tǒng)低溫管道常規(guī)設(shè)計(jì)概述
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空分裝置的建設(shè)規(guī)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(tài)下其后備系統(tǒng)能連續(xù)穩(wěn)定的提供氣體。所以該類空分裝置后備系統(tǒng)的液體貯槽和后備低溫泵也配備的越來越大，貯存在貯槽中的低溫液體產(chǎn)品通過貯槽下部的送液管經(jīng)低溫后備泵加壓汽化后送至后續(xù)化工裝置，其流程圖見圖1。低溫液體貯槽的送液管道常規(guī)設(shè)計(jì)為不銹鋼管道由貯槽內(nèi)槽底部穿出內(nèi)槽，在外槽外壁開孔后水平送出，貯槽外露部分送液管道用焊接有膨脹節(jié)的不銹鋼保冷套筒內(nèi)部充填珠光砂保冷，圖2為液體貯槽常規(guī)的外接管道形式（管道未保冷）。通常貯槽供貨商與用戶的設(shè)計(jì)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(jìn)行保冷后接至后備低溫泵，圖3為液體貯槽外接管道保冷后與低溫后備泵的常規(guī)連接形式，貯槽至低溫泵間閥門的保冷隨管道同時進(jìn)行。
2大型低溫液體貯槽送液管道常規(guī)設(shè)計(jì)的問題和不足
大型特大型煤化工空分裝置往往設(shè)置大型低溫液體貯槽，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(nèi)某項(xiàng)目60000等級的空分項(xiàng)目配套的1500m3液氧貯槽的外送液氧總管直徑為DN200，新疆某煤制油項(xiàng)目100000等級的空分項(xiàng)目配套的兩臺2500m3液氮貯槽的外送液氮管也是DN200，并且全部都設(shè)置為雙路送出，充分考慮了供液系統(tǒng)的安全性。如此大規(guī)格的低溫液體管道若采用常規(guī)布置設(shè)計(jì)和保冷，即出貯槽后的低溫管道到后備泵全部采用泡沫玻璃保冷，由于其密度為180kg/m3，施工后管道附加荷載大，且泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W.m-1.C-1，為珠光砂的兩倍，其保冷受現(xiàn)場施工質(zhì)量的影響，并且管道上的閥門及儀表和排液管線接口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(huán)節(jié)，在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常會產(chǎn)生跑冷現(xiàn)象(有些用戶現(xiàn)場用PU硬質(zhì)聚氨酯泡沫發(fā)泡保冷，雖然聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)低，通常≤0.027W.m-1.C-1，但由于長期在低溫場合下使用宜冷脆，現(xiàn)場發(fā)泡的施工工藝受北方冬季寒冷氣溫的影響較大，并且石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范(SH/T3010-2013)明確規(guī)定其使用溫度為-65℃-80℃，所以該工況應(yīng)避免使用。如果工程布置中后備泵距離貯槽較遠(yuǎn)，其中間管道的跑冷損失更大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致后備泵汽蝕，所以用戶往往要求貯槽至后備泵的低溫管道采用真空管道，但真空管道價格高，使用若干年后還會存在真空度下降，導(dǎo)致用戶現(xiàn)場重新保冷。
3大型低溫液體貯槽外部管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路
為了避免上述問題，設(shè)計(jì)時應(yīng)將貯槽外的低溫管道與后備泵的保冷整體考慮，工程設(shè)計(jì)時應(yīng)將上述管道、閥門等都設(shè)計(jì)在后備泵的保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)，即低溫貯槽外部需保冷的低溫工藝管道和后備泵整體設(shè)計(jì)在一個小冷箱內(nèi)，則上述管道和低溫泵的保冷可整體采用珠光砂，其后備系統(tǒng)冷量損失可減小到最低程度，此設(shè)計(jì)特別適用于后備低溫泵兼作空分冷箱備用泵的大型煤化工空分裝置。
4后備系統(tǒng)保冷工程設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施案例
我公司在內(nèi)蒙某煤化工項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中將后備低溫泵的工藝管道與貯槽送液管道整體設(shè)計(jì)在一個保冷箱內(nèi)，管道既整體美觀，冷量損失又小，此外泵后的回液和回氣管道也可利用冷箱內(nèi)空間布置。此項(xiàng)目液氮、液氧貯槽均為500m3，內(nèi)筒直徑φ8000mm，外筒直徑φ10300mm，為了預(yù)留出泵與貯槽間管道的安裝空間，貯槽基礎(chǔ)凈空設(shè)計(jì)為2.5米，基礎(chǔ)頂標(biāo)高3.15米。低溫后備泵的流量為52000m3/h，泵進(jìn)液管道口徑為DN150，泵后液體回流管道口徑為DN100，回氣管道口徑為DN40。此外，設(shè)計(jì)時在泵前進(jìn)液水平管段上設(shè)置了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后的氣體虹吸至內(nèi)槽氣相，使泵前液體處于動態(tài)，便于泵體更快地冷卻，除后備泵進(jìn)液管道是向泵入口上坡外，其余管道水平方向上均有向貯槽上坡的布管設(shè)計(jì)要求，且泵后回氣管路的坡度最佳為45°。上述幾個管道在貯槽內(nèi)槽上的開孔部位不同，但其出貯槽的位置均設(shè)計(jì)在泡沫玻璃磚絕熱層外緣與外槽內(nèi)壁之間的基礎(chǔ)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(yīng)力，可取消貯槽原有設(shè)計(jì)中管道上的膨脹節(jié)。管道需下穿貯槽基礎(chǔ)至后備泵冷箱，管道下穿時需設(shè)計(jì)在保冷套筒內(nèi)，此設(shè)計(jì)方案需土建專業(yè)配合基礎(chǔ)開孔設(shè)計(jì)。貯槽基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時其開孔頂面需預(yù)埋鋼板來焊接固定保冷套筒，并起到封閉保冷套筒與基礎(chǔ)之間縫隙的作用，套筒頂面稍高出基礎(chǔ)上的細(xì)砂混凝土層，并注意施工時防止細(xì)砂混凝土等雜物落入套筒內(nèi)部，影響套筒保冷效果，保冷套筒設(shè)計(jì)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采用不銹鋼材料，筒底板采用不銹鋼板與上穿工藝管道焊接后將筒體封閉，與貯槽同時充填低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)的干燥珠光砂，與貯槽外筒構(gòu)成一個整體保冷結(jié)構(gòu)，套筒下面的工藝管道及后備泵單獨(dú)制作保冷箱并充填珠光砂保冷，圖4為該項(xiàng)目中的貯槽基礎(chǔ)開孔方位和尺寸，結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)應(yīng)避開開孔位置。需要特別注意的是此設(shè)計(jì)方案要求管道布置專業(yè)與土建專業(yè)密切配合，開孔方位及尺寸條件要做到準(zhǔn)確無誤，土建施工圖經(jīng)管道布置專業(yè)確認(rèn)無誤后方可現(xiàn)場施工。
5空分裝置后備系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向
空分裝置后備系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)貫穿模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，可利用三維工廠設(shè)計(jì)軟件將該系統(tǒng)作為整體模塊設(shè)計(jì)，后備泵、保冷箱及管道儀表可以在工廠內(nèi)預(yù)制安裝好整體撬裝發(fā)貨，既保證項(xiàng)目的實(shí)施質(zhì)量，又加快現(xiàn)場的安裝進(jìn)度。并且此方案具有可擴(kuò)展性，當(dāng)一臺低溫貯槽對應(yīng)多臺壓力等級的后備泵時，可在貯槽的不同角度設(shè)計(jì)多個保冷套筒和低溫泵冷箱，或者根據(jù)實(shí)際管道布置情況將多臺泵的小冷箱合并。如果現(xiàn)場占地面積緊張，貯槽基礎(chǔ)凈空允許時還可以將泵冷箱反向布置在貯槽基礎(chǔ)下面，此方案設(shè)計(jì)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(tuán)設(shè)計(jì)研究院
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