氮气压缩机管道设计

赵阳 石家美 邱百昌

摘      要：压缩机是石油化工装置中的核心设备，在生产过程中对实现气体压缩、提高气体压力，对装置的安全、平稳运行起着至关重要的作用。通过对制氮装置的设计，总结了压缩机设备平面布置、管道柔性设计、支架支撑形式等设计要点，增加了压缩机及其附属管道的操作弹性及检维便利。

關  键  词：压缩机;应力;管道;支吊架

中图分类号：TH457       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）01-0158-04

Design of Nitrogen Compressor Piping

ZHAO Yang， SHI Jia-mei， QIU Bai-chang

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Liaoning Dalian116085， China）

Abstract： Compressor is the core equipment in petrochemical process units. It is main equipment to compress gas and increase gas pressure in the production process. In this paper， main points in the design of compressor in nitrogen generation unit were summarized， such as the rational equipment layout， the pipeline flexible design， the support form and so on.

Key words： Compressor; Stress; Pipe; Hanger

往复式压缩机工作基本原理是机体中的活塞通过上下的往复运动将一定容积的气体在容积罐内产生周期性的运动进而提升气体压力。它的优点在于在石油化工装置中应用比较广泛，技术成熟可靠，结构简单，检维修便捷;不足之处在于压缩机工作时气体管道容易产生振动，在设计时需要认真考虑。往复式压缩机的结构形式有卧式、立式、W型、星形和对称平衡型等^[1]。某石化公司制氮装置是我公司2018年设计完成的项目，项目新建一套4 000 m³/h深冷空分制氮装置，其中包括两台往复式氮气压缩机，压缩机出口管道接入现有氮气管网。

本文结合项目实例，论述了压缩机平面布置、管道布置、支架设置等方面的内容，对氮气压缩机的设计要点进行了归纳和总结。

1  压缩机平面布置

1.1  压缩机及厂房的平面布置

制氮装置往复式压缩机为二级压缩两列对称平衡型，采用一开一备工艺流程，压缩机组布置在空分车间南侧新增氮气压缩机厂房内，厂房尺寸24×15=360 m²，具体布置要点如下：

（1）装置地理位置位于我国北方，冬季较为寒冷，压缩机需布置在封闭式厂房内，同时考虑采暖;

（2）压缩机厂房内介质为氮气、水、仪表风等，无可燃介质，且厂房内只有压缩机及其附属设备（冷却器、水箱、水站、润滑油站），因此设备间无安全距离要求。压缩机附属设备级间冷却器、油站按照压缩机流程就近布置，同时考虑设备抽芯及检维修空间;

（3）压缩机厂房四周情况：厂房北侧为装置内道路、南侧为系统管廊，厂房与相关设施无安全距离要求;厂房西侧距离配电室4.5 m、东侧距离装置内泵房4 m。根据GB 50016 《建筑设备放火规范》第3.4条规定：相邻两座厂房间隔距离最少10 m。根据GB 50016《建筑设备放火规范》表3.4.1中注2要求：两座厂房相邻较高一面外墙为防火墙时，其防火间距不限，但甲类厂房间距不小于4 m。基于上述两点要求，压缩机厂房东西侧分别设置防火墙，满足GB 50160《石油化工企业设计防火标准》及GB 50016《建筑设计防火规范》的要求，压缩机厂房平面布置图见图1。

1.2  压缩机厂房的高度设置

压缩机厂房高度H主要分两部分^[2]：吊车至屋顶高度H₁（建筑专业考虑），吊车下部至地面的检修最小高度H₂（管道专业考虑）。其中，厂房检修高度H₂设计是否合理对厂房内吊车能否正常使用、设备能否正常检修十分重要。

若厂房内吊车高度偏高，造成投资浪费;若高度偏低，则吊车无法完成正常起吊，设备检修件无法移送到检修区域。因此，我们需要从以下几个因素来确定厂房检修高度H₂：

（1）首先确定压缩机设备本体（固定件）顶部标高或设备进出口管道（固定件）顶部标高中较高的值A;

（2）了解最大检修件尺寸及高度B;

（3）被起吊件必须跨越其他设备的高度C;

（4）被吊最大检修件顶部和吊钩中心的最小间隙D索具与垂直线角度不大于60°且最短不小于800 mm;

（5）吊车结构尺寸E;

综合以上因素，吊车的最小高度：H₂=A+B+C+D+E;压缩机厂房的最小高度：H=H₁+H₂，压缩机厂房高度图见图2。

2  压缩机管道布置

往复式压缩机的工作特点是使一定容积的气体呈间歇性、周期性的吸入、排出，因此不可避免的进、出口管道流体产生脉动引起管道振动，如不加以限制或排除，设備长时间运转易造成机器的损坏、管道的破裂^[3]。

2.1  管道设计要点

（1）往复式压缩机管道设计尽量减少气体压

力脉动，防止机械振动和振动的传递。压缩机入口、出口管道均安装缓冲罐且靠近压缩机管口，如缓冲罐距离较远应增多管架数量，避免因管道的温升产生热膨胀会对压缩机管嘴及机壳有影响^[4];

（2）往复式压缩机一般至少为2台（一开一备），出入口管道阀门，压力表、仪表阀组等尽量在操作侧设置，方便巡检人员观察、检修;

（3）在设备运行过程中，压缩机的出、入口管道是最容易产生振动的地方，因此要合理布置管道走向，对管道进行应力分析（并联压缩机管道尽量不完全对称布置），确定管道的支撑形式及间距;

（4）压缩机管道上引出的小于DN50的分支管道及仪表管嘴至少应采用承插焊加强管接头或者异径三通，如有必要还需要在分支管上设加强筋，提升管系刚度，远离振源^[5];

（5）压缩机极其附属设备、管道都采用独立基础，管道不能在支撑厂房内的梁柱上设置支架，需做独立支架，采取防振措施;

（6）压缩机厂房内吊车高度及压缩机管道应提前规划合理（见文章1.2条），避免两者之间发生无法移送检修设备的问题。

2.2  管道柔性设计

2.2.1  压缩机入口管道设计

（1）压缩机入口管道一般分两部分：

（a）从厂房外氮气缓冲罐经过管廊布置到厂房，管道一般沿管廊敷设，同时考虑管道振动;

（b）从厂房内到压缩机入口缓冲罐，此部分管道沿地面布置，用管墩做支撑，高度一般在500 mm左右;

（2）压缩机入口管道一般有入口切断阀、过滤器及压力表等，阀们沿地面敷设，无须设置操作平台，但阀门和过滤器的自重改变了管道的荷载平衡，需在阀门前后方设置防振支架，支架在地面生根。

2.2.2  压缩机出口管道设计

（1）压缩机出口管道不仅因压力脉动而产生振动，同时由于被气体压缩而使管道产生温升膨胀，因此出口管道尽量沿地面布置，减缓管道振动对设备管嘴的受力和力矩，避免管道的推力作用到管嘴上，同时满足管道应力不超过许用应力值。

（2）压缩机出口管道一般沿地面布置，管道支撑在地面生根，管墩高度与入口管道相同，管道走向及管道支撑尽量不对称设置，阀门设置原则与入口管道相同，仪表阀组的侧线及阀门也沿地面敷设，支撑形式与入口管道相同，减少管道的振动提高压缩机的性能，有利于延长压缩机使用的寿命。

2.2.3  冷却器与压缩机缓冲罐的管道设计

氮气压缩机为两级压缩，级间冷却器与缓冲罐之间的管道布置一般需考虑以下几点：

（1）管道布置尽量沿地面敷设，支架在地面生根，高度同压缩机出入口支撑一致，但需要考虑人员的检修通道及冷却器抽芯位置，保证人员能正常通行、没有障碍物阻挡;

（2）每一级冷却器壳程出口都设置安全阀，安全阀管道需要在地面布置，做防振支撑，在分支管与主管衔接处附近做防振支撑。

2.2.4  压缩机辅助设备管道

在氮气压缩机附属设备中主要有润滑油站、水箱、水站、仪表盘等，在设计过程中一般考虑以下几点：

（1）润滑油站厂家撬装提供，润滑油泵、冷却器布置在撬块上，节省空间，布置时一般将其布置在压缩机气缸前地面处（厂家给出建议方位），同时要考虑撬块上冷却器的抽芯空间，满足检修需要。撬块上附属管道与压缩机连接处厂家考虑，共用工程管道设计方考虑（水、气、风等），保证撬块的操作和检修方便;

（2）在氮气压缩机厂房内，水站一般建议布置在压缩机操作侧空地，同时将水箱布置在其上方设置水箱平台，优点在于：①附属管道与压缩机主体管道同在一侧，管道规划时可统一考虑;②水箱一般需要增设平台，高度较高，如考虑不周容易影响检修区域的设备吊装;

（3）仪表盘一般设置在压缩机气缸正前方、便于操作人员观察和检修的地方，但要考虑是否影响周围设施的检修空间。

2.2.5  管道支架受力情况

本文结合制氮装置其中一台氮气压缩机为例，通过合理的管道布置，适当的支撑形式，将管道受力控制在一定的范围内，保证压缩机平稳正常运行。管道应力模型见图3，主要节点受力值见表1。

3  管道支架设置

3.1  支架设置原则

（1）往复式压缩机出入口管道、级间缓冲罐出入口管道支架需设置独立基础，不能同建筑物和压缩机基础联合在一起，管道支架宜沿地面敷设，

（2）抗震支架的位置尽量不要对称设置，可错开安装。多台压缩机出口管道一般平行布置，支架管墩位置尽量间距不等;

（3）由于在阀门处会对管道阀门前后产生压差、在三通及弯头处管道流向改变产生管道振动，因此在此处应设置防振支架。

3.2  支架设置形式

（1）往复式压缩机管道系统的支架应采用防震管卡或固定支架，不能简单采用支托，更不能采用吊架，支架材料一般采用Q235B，管托底板必须与生根部位的预埋钢板焊接牢固;

（2）防振管卡不得采用U型螺栓式管卡，应用扁钢制作，且防振管卡与管道间应垫3 mm橡胶石棉衬垫或软木;

（3）防振支架的受力及推力值需经过应力分析计算，结构和支架的生根部分应满足计算值的要求;

（4）压缩机管道支撑主要分为三种：水平管道支撑、竖直管道支撑及高空管道支撑。支撑的形式见图4-图6。

4  结论

综上所述，往复式压缩机一般集中布置在封闭式或者半敞开式厂房内，压缩机出入口管道要同时兼顾管道柔性及管道振动，管道支架基础之间距离不等且要相互独立，选用防震管托和管卡。

在一定程度上满足管道柔性要求及管道对管口作用力的前提下，最大限度地降低管道压降以满足操作的要求。合理的设计将在一定程度上降低工程投资，增加操作及检修的便利，确保管道及装置运行的安全。

参考文献：

[1]张德姜，王怀义. 工艺管道安装设计手册（第一篇）[M]. 北京：中国石化出版社， 2007.

[2]吴保华.加氢裂化装置往复式压缩机的管道设计要点[J]. 化工设备与管道，2016，6 （53）：52-53.

[3]付振海.往复式压缩机管道设计[J]. 广州化工，2014，10 （42）：181-183.

[4]王懷义.石油化工管道安装设计便查手册[M]. 第三版. 北京：中国石化出版社：700-701.

[5]庞岩卫，马静.往复式压缩机小口径管线连接振动问题解决方案[J].化工管理，2019：151-152.