烯烃分离装置丙烯制冷压缩机管道设计要点

赵小溪

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510620)

近年来，随着甲醇制烯烃(MTO)技术的发展和烯烃分离单元工艺的进一步优化， 甲醇制烯烃联合装置向着更加高效、节能、平稳的方向发展。丙烯制冷压缩机是烯烃分离单元中的关键设备。该机组以丙烯为介质，通过压缩、冷凝、蒸发达到制冷效果，提供冷量给低温系统中的各用户，以补偿系统中的冷量损失。丙烯制冷压缩机的长期平稳运行对于全装置的稳定起到了关键作用。本文将结合机组的管道设计工作，总结归纳机组厂房布置、管道布置及低温管道的设计要点，并有针对性的提出一些此类管道设计工作中需要注意的问题。

1 机组概述

本文所涉及的丙烯制冷压缩机组主要由离心式压缩机(单缸三段)及汽轮机(抽气凝气式)组成，其辅助系统主要为润滑及调节油系统、压缩机干气密封系统、汽轮机调节油系统、汽轮机蒸汽疏水系统、冷凝器及其辅助设备、密封蒸汽辅助系统等。本套丙烯制冷压缩机采用水平剖分，主要由定子(机壳、隔板、轴承等)和转子(轴、叶轮、平衡活塞、推力盘等)组成。压缩机为单缸三段压缩，在二段和三段入口分别补气，8个叶轮串级布置，其中一段两个叶轮，二段三个叶轮，三段三个叶轮。为平衡轴向力，设平衡活塞，8个叶轮依次排列，残余轴向力由推力轴承进行平衡。壳体采用焊接壳体，碳钢材质，水压试验压力按最大工作压力的1.5倍进行。叶轮为闭式铣制焊接叶轮，合金钢材质。主轴采用合金钢锻造而成。平衡盘采用热装式，合金钢材质。压缩机驱动用汽轮机采用中压抽汽凝气式汽轮机。压缩机和汽轮机之间采用带中间节的膜片式联轴器进行联接。轴封采用串联式干气密封，干气密封盘固定在压缩机旁的二层平台上。

2 丙烯制冷压缩机组厂房布置

合理布置压缩机组及其辅助设备才能实现管道正确合理的安装[2]。

本套丙烯制冷压缩机组由离心式压缩机、抽汽凝汽式汽轮机及辅助系统组成，采用双层布置，压缩机和汽轮机采用联合底座，压缩机干气密封布置在机组厂房二层楼板上(见图1)，润滑油系统布置在厂房地面层。润滑油高位油箱置于厂房附管桥顶平台上(见图1)，冷凝器布置在厂房地面层，汽封冷却器，中冷-后冷器及蒸汽密封单元布置在厂房内中间层平台上(见图2)。

图1 厂房竖面图

图2 机组辅助设备平面布置图

3 丙烯制冷压缩机组管道布置

3.1 总体布置原则

要做好离心式压缩机进出口管道的设计，应主要考虑以下几个方面的问题：

(1) 压缩机周围的管道布置不应影响压缩机的吊装及检修，并应留有检修空间[1]。

a. 本套压缩机的管道布置根据其结构特点、操作和检维修要求进行设计。与机组相连接的干气密封管线均布置在压缩机二层楼板下方，这样可以保证压缩机及周围的管道不会妨碍压缩机的操作和维修。

b. 压缩机厂房二层楼板上设有吊装孔及检修承重区。厂房中间层机组辅助设备平台上布置有汽封冷却器，中、后冷却器及蒸汽密封单元等设备，因此，该区域管道布置既要考虑到不能影响吊车的正常运行，同时也要兼顾到不得占用机组及辅助设备检修和抽取内件的空间。

(2) 压缩机进出口管道的布置在满足管道柔性及管口受力的条件下，应使管道短，弯头数量少[3]。

a.压缩机进出口管道均采用沿地敷设布置，地面水平敷设段无弯头，确保工艺的低压降要求。

b.压缩机出口管道应进行应力分析计算，确保其具有柔性，保证机组安全运行。

(3) 离心式压缩机进出口管道对管口的作用力和力矩应符合制造厂或API Std 617的要求[3]。

离心式压缩机的进出口管道，通常不进行振动分析，但必须对上述管道进行柔性分析，使压缩机进出口管嘴受力小于其允许值，并使其叠加的合力和合力矩也小于其允许值。允许值一般由制造厂提供，若制造厂没有提供允许值，可按API 617和NEMA SM23的规定确定。根据API 617的规定，该力和力矩的允许值是NEMA SM23 规定值的1.85倍[3]。

压缩机管道类型不仅局限于机组进出口工艺介质管道，同时还包括驱动蒸汽以及附属的氮气、凝结水和润换油管道等，对于机组平稳运行而言，这些管道的作用也是不容忽视的。所以，对上述管道进行规划时，既要考虑工艺流程的要求，又要兼顾管道布局的合理性，例如，凝结水管线布置的高差要求，润滑油管线的坡度要求等。因为各种机型之间存在一定的差异性，所以在管道设计的时候也会有不同的要求，故应结合实际情况，综合考虑。

3.2 机组低温管道设计要点

烯烃分离单元采用中冷分离技术，所以在管道设计的过程中，需要对管线材质的低温脆性做充分考虑。同时，若要将冷损失降至最低，那么合理的选择保冷材料及选取合适的支架类型就显得尤为重要。

以下笔者将结合本装置的特点，通过选取丙烯制冷压缩机一、二、三段入口低温管道上的阀门布置及支架设置这两个关键点来阐述低温管道的设计要点。

3.2.1 机组入口管道低温阀门的布置要点

低温阀门具有长颈阀盖(见图3)的结构特点，作用是使阀门的手轮及填料函远离低温介质，进而保证填料函底部温度在零摄氏度以上，其目的是防止填料密封性能降低，延长填料的使用年限。由于低温阀门自身的结构特点，其安装也具有一定的特殊性。低温阀门宜安装在水平管道上，阀杆方向宜垂直向上，目的就是为了防止低温介质流到阀盖的加长部分，造成填料失效，进而将冷量传到手轮，危及操作人员的人身安全。由于低温阀门安装的特殊性， 丙烯压缩机进口工艺管线上的低温阀门可采用集中布置，并在管线沿地敷设段的合适位置设置操作平台，以解决手轮过高不便于操作的问题。

图3 一种低温阀门剖面图

此外，泄压孔也是低温阀门的另一个重要特点。通常情况下，在低温闸阀或球阀中应开设泄压孔。因阀门在关闭的状态下，阀腔内充满低温介质，如遇温度变化，会出现低温介质气化的情况，阀腔压力急剧提升，如不及时泄压，会导致阀门泄漏，更严重的情况则是阀体开裂，导致事故发生。故在安装阀门时，一定要注意阀门的安装方向，以确保阀体所标识的泄压的方向和流程图保持一致。

3.2.2 机组入口低温管道的支架设计要点

减少冷损失是保冷支架设置的重要理念之一，正确设置保冷支架可以有效防止"冷桥"的产生。在水平敷设低温管道的时候，所使用的保冷支架与传统支架不同，为避免低温管线的冷损失，保冷支架均设置有保冷结构，一般为木块或者隔热块，水平敷设的低温管道通常采取的支架形式为管箍式，其作用是不仅可以降低施工难度，同时也便于日后的检维修。丙烯制冷压缩机一、二、三段入口低温管线的保冷支架选型和设置的要点应综合考虑隔冷块的机械强度、管线检维修以及支架的止推、导向及低摩擦等多重因素。

图4为一种标准滑动保冷支架的结构形式图。图5为一种应用于丙烯制冷压缩机入口管道上的非标保冷支架示意图。

图4 一种标准滑动保冷支架结构图

图5 保冷止推支架示意图

4 结语

压缩机及其附属管道布置的安全、合理、可靠性对装置的平稳运行起着至关重要的作用。笔者在不断总结设计经验的过程中认为以下几点是丙烯制冷压缩机及其附属管道设计工作中应该认真考虑的问题：

(1)严格执行国家及相关行业标准规范是布置压缩机及其附属管道的前提条件。

(2)合理优化布局机组与厂房及其配套设备的相对位置是实现管道合理布局的基本条件。

(3)正确选择保冷支架类型是实现压缩机平稳运行的关键条件。正确设置保冷支架位置(例如，预留好管箍式保冷支架与其相邻低温管道的安装空间)是设计细节的体现。

总之，设计人员应充分贯彻落实设计标准规范，善于结合用户使用情况及现场施工经验，注重设计细节处理，不断提升设计人员的设计水平。