大型空分装置后备系统工程设计的论文
摘要：大型空分装置后备系统常配套大型低温贮槽和低温后备泵，其接口管道减少冷量损失，防止低温液体汽化后对泵产生气蚀是工程设计的重点，本文对该系统工程设计及管道的布置提出了优化方案。
关键词：大型空分；后备系统；工程设计优化
1后备系统低温管道常规设计概述
随着国民经济的快速发展，空分装置的建设规模越来越大，特别是目前煤化工装置配套的空分装置，这些装置一般都要求空分装置在事故状态下其后备系统能连续稳定的提供气体。所以该类空分装置后备系统的液体贮槽和后备低温泵也配备的越来越大，贮存在贮槽中的低温液体产品通过贮槽下部的送液管经低温后备泵加压汽化后送至后续化工装置，其流程图见图1。低温液体贮槽的送液管道常规设计为不锈钢管道由贮槽内槽底部穿出内槽，在外槽外壁开孔后水平送出，贮槽外露部分送液管道用焊接有膨胀节的不锈钢保冷套筒内部充填珠光砂保冷，图2为液体贮槽常规的外接管道形式（管道未保冷）。通常贮槽供货商与用户的设计供货分工界限为贮槽外送液体管道上的送出截止阀，外露的低温液体管道通常用泡沫玻璃或聚异氰尿酸脂（PIR）等耐低温的绝热材料进行保冷后接至后备低温泵，图3为液体贮槽外接管道保冷后与低温后备泵的常规连接形式，贮槽至低温泵间阀门的'保冷随管道同时进行。
2大型低温液体贮槽送液管道常规设计的问题和不足
大型特大型煤化工空分装置往往设置大型低温液体贮槽，一般容积都在1000m3以上，2000m3、3000m3已不鲜见，低温液体贮槽的送液总管的直径往往都在DN150以上，国内某项目60000等级的空分项目配套的1500m3液氧贮槽的外送液氧总管直径为DN200，新疆某煤制油项目100000等级的空分项目配套的两台2500m3液氮贮槽的外送液氮管也是DN200，并且全部都设置为双路送出，充分考虑了供液系统的安全性。如此大规格的低温液体管道若采用常规布置设计和保冷，即出贮槽后的低温管道到后备泵全部采用泡沫玻璃保冷，由于其密度为180kg/m3，施工后管道附加荷载大，且泡沫玻璃的导热系数为0.06W.m-1.C-1，为珠光砂的两倍，其保冷受现场施工质量的影响，并且管道上的阀门及仪表和排液管线接口在保冷施工中如处理不好，其保冷材料对接的缝隙部位往往会成为薄弱环节，在设备实际运行过程中经常会产生跑冷现象(有些用户现场用PU硬质聚氨酯泡沫发泡保冷，虽然聚氨酯泡沫导热系数低，通常≤0.027W.m-1.C-1，但由于长期在低温场合下使用宜冷脆，现场发泡的施工工艺受北方冬季寒冷气温的影响较大，并且石油化工设备和管道隔热技术规范(SH/T3010-2013)明确规定其使用温度为-65℃-80℃，所以该工况应避免使用。如果工程布置中后备泵距离贮槽较远，其中间管道的跑冷损失更大，严重时会导致后备泵汽蚀，所以用户往往要求贮槽至后备泵的低温管道采用真空管道，但真空管道价格高，使用若干年后还会存在真空度下降，导致用户现场重新保冷。
3大型低温液体贮槽外部管道的优化设计思路
为了避免上述问题，设计时应将贮槽外的低温管道与后备泵的保冷整体考虑，工程设计时应将上述管道、阀门等都设计在后备泵的保冷结构内，即低温贮槽外部需保冷的低温工艺管道和后备泵整体设计在一个小冷箱内，则上述管道和低温泵的保冷可整体采用珠光砂，其后备系统冷量损失可减小到最低程度，此设计特别适用于后备低温泵兼作空分冷箱备用泵的大型煤化工空分装置。
4后备系统保冷工程设计优化实施案例
我公司在内蒙某煤化工项目工程设计中将后备低温泵的工艺管道与贮槽送液管道整体设计在一个保冷箱内，管道既整体美观，冷量损失又小，此外泵后的回液和回气管道也可利用冷箱内空间布置。此项目液氮、液氧贮槽均为500m3，内筒直径φ8000mm，外筒直径φ10300mm，为了预留出泵与贮槽间管道的安装空间，贮槽基础净空设计为2.5米，基础顶标高3.15米。低温后备泵的流量为52000m3/h，泵进液管道口径为DN150，泵后液体回流管道口径为DN100，回气管道口径为DN40。此外，设计时在泵前进液水平管段上设置了DN15的虹吸管线，此管线可利用管道中液体与气体的密度差将汽化后的气体虹吸至内槽气相，使泵前液体处于动态，便于泵体更快地冷却，除后备泵进液管道是向泵入口上坡外，其余管道水平方向上均有向贮槽上坡的布管设计要求，且泵后回气管路的坡度最佳为45°。上述几个管道在贮槽内槽上的开孔部位不同，但其出贮槽的位置均设计在泡沫玻璃砖绝热层外缘与外槽内壁之间的基础部位（此空间长度有840mm），管道在此夹层利用自身走向的改变增加柔性，来减小管道的二次应力，可取消贮槽原有设计中管道上的膨胀节。管道需下穿贮槽基础至后备泵冷箱，管道下穿时需设计在保冷套筒内，此设计方案需土建专业配合基础开孔设计。贮槽基础设计时其开孔顶面需预埋钢板来焊接固定保冷套筒，并起到封闭保冷套筒与基础之间缝隙的作用，套筒顶面稍高出基础上的细砂混凝土层，并注意施工时防止细砂混凝土等杂物落入套筒内部，影响套筒保冷效果，保冷套筒设计为腰形,截面尺寸长度为1550mm，圆弧半径为R550mm，高度为1350mm，保冷套筒考虑安全因素宜全部采用不锈钢材料，筒底板采用不锈钢板与上穿工艺管道焊接后将筒体封闭，与贮槽同时充填低密度、低导热系数的干燥珠光砂，与贮槽外筒构成一个整体保冷结构，套筒下面的工艺管道及后备泵单独制作保冷箱并充填珠光砂保冷，图4为该项目中的贮槽基础开孔方位和尺寸，结构梁的设计应避开开孔位置。需要特别注意的是此设计方案要求管道布置专业与土建专业密切配合，开孔方位及尺寸条件要做到准确无误，土建施工图经管道布置专业确认无误后方可现场施工。
5空分装置后备系统工程设计的发展方向
空分装置后备系统在工程设计中应贯穿模块化的系统设计思路，可利用三维工厂设计软件将该系统作为整体模块设计，后备泵、保冷箱及管道仪表可以在工厂内预制安装好整体撬装发货，既保证项目的实施质量，又加快现场的安装进度。并且此方案具有可扩展性，当一台低温贮槽对应多台压力等级的后备泵时，可在贮槽的不同角度设计多个保冷套筒和低温泵冷箱，或者根据实际管道布置情况将多台泵的小冷箱合并。如果现场占地面积紧张，贮槽基础净空允许时还可以将泵冷箱反向布置在贮槽基础下面，此方案设计时需考虑低温泵的吊装空间。
作者:王伟 裴红珍 单位:开封空分集团设计研究院
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