化工装置中干式空冷器及其管道布置要点浅析

陈子路（中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103）

空冷器是空气冷却器的简称，是化工装置中一种常见的设备。主要原理是利用空气作为冷却介质将热的工艺介质冷却或冷凝到设计所需要的温度。根据冷却方式的不同，可以分为干式空冷器和湿式空冷器。湿式空冷器是在干式的基础上，借助于水的喷淋或雾化增强换热，虽然冷却效率相对较高，但易造成管束的腐蚀，整体寿命较短，因而在化工行业中应用不多。文章中所提的空冷器主要指干式空冷器，相比传统的水冷式换热器，干式空冷器具有操作简便、节约水资源、保护环境、减少工业废气废水的排放等优势，在化工行业得到了广泛的应用。

根据化工设计院的常规设计分工，空冷器一般是由工艺专业提出的空冷器的形式及计算设计所需的冷却能力，并向空冷器厂家提供询价书，具体的外形尺寸由空冷器厂家设计并制造的。管道专业根据空冷器厂家提供的设备外形尺寸、接管位置等，从优化设备占地、工艺流程顺序、提高空间利用率、便于现场操作检修等方面考虑，对空冷器厂家的外形尺寸，接管位置进行审查，并提出相应的修改意见。根据厂家返回的审查后意见，再对设备进行合理布置，并装置平面布置图中表示。根据空冷器的设备布置情况，管道专业还需要完成对空冷器配套设备梯子平台、进出口管道的设计，并将设备平台、埋板、管口作用力等返给空冷器厂家核算。

1 空冷器装置布置设计要点

1.1 基本要求

考虑装置设备布置总体统筹及空冷器的设备特点等因素，空冷器优先布置在框架的顶层或管廊的上方等装置内高点，柱距通常采用9到12米。当装置内有多组空冷器集中布置时，为减少管道偏流，尽量让厂家将空冷器的进出口数量设计为偶数，设备还应成排或成列布置。建构筑物一侧应设置硬化地坪及通道，供检修车辆停留的。根据空冷器的最大检修件重量、安装高度、安装位置距离检修空地的距离等因素，综合考虑后根据所需吊车的型号，确定检修场地的尺寸。

1.2 避免热风循环的设计要点

空冷器是以空气作为冷却介质进行换热的设备，设备空气入口处的空气温度对换热效果影响较大，设备布置时避免热风循环对保证空冷器的换热能力非常重要。如布置不合理，空冷器的入口空气温度高于设计考虑的环境温度，会使空冷器的换热能力达不到设计要求。可能导致这种情况的主要因素有以下几点：空冷器空气吸入口附近布置有明火加热炉等其他高温设备；空冷器的空气排出口气体无法有效扩散，重新进入空气吸入口，导致热量循环。

为避免热风循环现象，空冷器应尽量布置在装置内相对空旷的、有利于气体扩散的场所。在空冷器的上风向25 米范围内，应避免出现高温设备。同时设备还应布置在装置全年最小频率风向的下风侧，尤其要注意夏季的风向。当多台空冷器成排布置时，应靠近布置，并保持高度一致。如确实需要分开布置时，两组空冷器之间的间距不宜小于20米，并保证设备布置高度一致。

1.3 检修平台设计要点

设备检修平台的设计是化工设计院装置布置及管道专业重要的工作内容之一。检修平台设计的主要原则是在满足日常操作和检修的前提下，还需要做到美观、经济、可靠。在设计过程中，空冷器的设备和管道布置应整体统筹考虑，同步进行设计。对于入口温度较高的在空冷器物料入口侧，管道通常不能直进直出。入口管道应进行管道柔性分析及应力计算。只有在完成管道柔性分析后，才能最终确定入口管需要的配管空间。

在平台设计中，应保证其四周配管后平台净宽在0.8 米以上，对于需要经常需要操作、检修的地方，平台净宽一般在1.2米以上。当空冷器进出口管道需要穿过空冷器平台时，因管道布置比较集中，可以在平台上开一个长孔并设置护栏，以便在平台上设计管道支架。如平台的位置在空冷器检修件的上方，为方便吊装，应在平台上设置一个略大于检修件的吊装孔，吊装孔内应采用活动梁。

2 空冷器管道布置设计要点

2.1 基本要求

空冷器的配管在符合工艺流程的要求之外，还应满足操作检修及日常维护的需求。如有管道穿过设备平台的吊装孔或管道位置影响空冷器的管束吊装等情况，需要在管道上安装一对拆卸法兰，减少检修过程中管道的切割及焊接的工作量，保证装置的安全性。管道专业设计人员在考虑管道走向布置时，同时还需要规划电气、仪表桥架的位置，避免与管道安装的交叉碰撞，并将预留的桥架位置提给下游专业确认。在化工行业中，管道内介质通常含有硫分，当物料冷却至露点温度以下时，含硫的蒸汽就会对管道造成腐蚀。为了避免管道末端发生低温露点腐蚀，各级管道之间还应尽可能使用弯头进行连接，减少管道的末端导致的不流动的死区。

2.2 防偏流的设计要点

随着装置规模的大型化，目前化工装置多数采用多台空冷器成组布置的方案。为保证物料进料分配均匀，入口管道压降一致，保证空冷器效率，空冷器的入口管线应采用对称布置。进料总管至空冷器入口应逐级变径，分流前的上一级总管还应保持一定长度，以保证物料有足够的空间分配均匀。对于含有硫分的气体物料，为避免管道死区，不应使用三通加管帽的形式，集合管两端应采用弯头连接。空冷器的出口管道也应采用对称布置，减少管道压降不同对空冷器入口分流的影响，出口管线可直接汇和至一根集合管后接走。图1为典型的空冷器进出口管道布置。

图1 空冷器进出口管道布置

图1中空冷器为上进下出的结构，其中进口管线物料状态为空冷器进口管道中常见的气液两相流，管道采用步步低的方式进入空冷器。为保证流量分配均匀，整体上采用多级分流对称布置。因气液两相流管道的特殊性，在配管时将异径管前的三通水平布置，上级总管与下级管道所在平面垂直，避免形成柱状流引起管道振动和设备破坏，确保生产安全。

在实际生产装置中，可能会碰到管道布置空间不足，无法满足上述要求。对于一些对偏流要求比较苛刻的工况，设计时需要对出入口管道的偏流情况做单独的分析。通过CFD 软件（如Fluent）设置出入口边界条件，物料的参数，建立实际的管道模型，对流场进行模拟。根据模拟结果优化管道布置，基本能满足工程方面的要求。

2.3 管道应力要求及设计要点

在管道设计过程中，空冷器的管道布置还应做到对称布置、美观、无液袋、管路有足够的柔性。当空冷器上游设备与空冷器入口管道较近时，可通过管道П形布置，增强管道柔性，以满足空冷器厂家对管口受力的要求，如果厂家没有提出相关需求，可采用API661相关要求进行校核。一般情况下，通过管道固定点位置的设置，使管道膨胀方向与设备膨胀方向一致，减少管道对设备管口的附加力。如实际管道安装位置有限，无法通过自然补偿来满足管道柔性，可以考虑将管口受力情况返给空冷器厂家，通过加强管口来满足实际管口受力要求，避免管口处发生物料泄露问题。

3 结论

综上所述，化工装置中空冷器及其管道的合理布置方案是保证设备换热效率，装置安全可靠运行的前提。随着装置的大型化，新建化工装置通常都有装置布置紧凑，配管空间紧张，对装置布置及管道设计要求更高。化工设计院的装置及管道布置专业设计人员在工作过程中，要做到满足设计规范、工艺流程、符合厂家要求、保证生产安全，还要做到布置的整体美观、方便检修及日常操作等。