化工装置中高效复合式空冷器的布置及管道设计

＊王振书

（中国五环工程有限公司 湖北 430223）

空冷器是用空气进行冷却的工业热交换装置，较一般的水冷热交换设备具有节省水资源、降低投资及维护费用等优点。石油化工装置中有时为达到更好的冷却效果，会先用空冷器冷却，然后设置后冷换热器；当受占地面积的限制或受管道降压的影响时，会选择高效复合式空冷器。高效复合式空冷器在占地、投资、能耗和公用工程消耗上较常规空冷器具有较大的优势[1]。随着工业化的发展，节能减排的深入，高效复合式空冷器在石油化工装置中也得到了广泛的应用，所以，做好高效复合空冷器的设备平面布置、管道布置、支架设计等，对装置的正常运行、检修、维护使用等具有很重要的意义。本文围绕高效复合式空冷器的平面布置、管道布置、支架设计等方面，结合工程经验，全面分析设计时应注意的问题，旨在为其工程设计提供一定的借鉴。

1.空冷器的分类

空冷器的分类方法较多，可以按照冷却方式、管束布置形式、通风方式和冷却效果等来分类，具体分类如表1所示。

表1 空冷器的分类

2.高效复合式空冷器平面布置总体原则

高效复合式空冷器平面布置的原则与常规空冷器的一样，主要考虑以下几点：

（1）为避免腐蚀性气体或热风进入到空冷器的管束，影响空冷器的冷却效果，空冷器宜布置在装置全年最小频率风向的下风侧。同时，为不影响空冷器的通风，避免造成热风循环，空冷器夏季最小频率风向上风侧20～25m范围内不宜有高于冷却器的建筑物，构筑物和大型设备，也不宜有高温设备、锅炉房等，当无法避免上述情况时，应与工艺专业协商，将空冷器空气端设计温度提高来核算。

（2）由于空冷器的占地面积较大，一般不直接布置在地面，同时考虑到操作方便、检维修和安装要求，宜布置在管廊的上方或构架的顶层，管廊与构架的一侧要留出足够的检修场地和通道。放置空冷器的管廊或框架设计时，应同时考虑空冷器构架的长度和宽度，尽量保证空冷器构架一端立柱与管廊或构架的一端取齐。

（3）空冷器是比较脆弱的设备，操作温度等于或高于自燃点的可燃液体设备，操作温度等于或高于250℃的可燃液体设备，输送或储存液化烃的设备对空冷器都是潜在的火源，所以空冷器的下方不宜布置此类设备。当无法满足要求时，可采用不燃烧材料的隔板隔离保护。

（4）多组空冷器布置在一起时，形式应一致，同类型应布置在同一高度，无法布置在同一高度时，两组空冷器之间的间距应大于12m。风机的配套电机及其安装方位应取齐，以便检查和供电。

（5）空冷器与加热炉之间的距离，与变电所、配电室、仪表控制室等建筑的距离，均应满足《石油化工企业设计防火标准》（2018年版）[2]的要求。

结合以上几点，某项目的高效复合式空冷器布置于构架的顶部EL+14000层。其平面布置如图1所示。

图1 高效复合式空冷器平面布置图

3.高效复合式空冷器管道的设计

高效复合式空冷器的管道一般分为进出口管道、热旁路管道及循环水给水管道和回水管道。

(1)进出口管道布置

①空冷器的进口管道不应出现“液袋”，管道的布置应考虑流体的均匀分配。如果物料为气液两相流或进口无阀门控制流量时，管道必须对称布置。如果工艺操作控制中采用阀门调节流量，可不考虑完全对称的原则，但需要将管道的走向供工艺核算，计算压降。对于出口管道各支管也应对称布置，若出口介质为液相时，可直接汇总成一根集合管。

②空冷器的进出口管道为降低压降，节省材料，便于设置支架，应在管口受力允许的条件下，集合管应尽量靠近空冷器管口布置。若受管道应力和安装限制时，可不靠近管口连接，但集合管的截面积应是各分支管截面积之和的1.5倍，分支前的集合管也应留不小于1倍管道内径长度的直管段以保证流量均匀分配[3]。

③进口介质为气液两相时，每根直管宜从集合管的底部插入，插入深度约50mm。

④对于含有腐蚀性介质的管道，在管道布置时为减少盲端的腐蚀，总管至空冷器管口的各集合管应采用弯头连接，对于一般介质采用同径三通和管帽即可。对于分支管可采用异径三通的方式连接，也可采用同径三通和偏心大小头的方式连接[4]。

结合以上几点，高效复合式空冷器的管道布置图如图2所示。

图2 高效复合式空冷器进出口管道布置图

(2)热旁路管道布置

为平衡空冷器进出口压力，排放不凝气，同时为保证系统安全运行，通常会设置热旁路线。此管线通常从空冷器进口的总集合管顶部引出至回流罐，管道的布置应“步步低”，同时应放置在空冷器附近的构架平台或空冷器的自身平台上，应便于调节阀的操作和维修。如图2所示的热旁通管线。

(3)循环水给水管道和回水管道布置

为避免空冷器管壁上产生严重的结垢，循环冷却水一般采用软化水，冷凝器的冷凝段管束的外表也需要经过特殊的处理。冷却器回水的系统应为自流体系，在管道布置时应注意，弯头不宜过多，总管也应保证顺介质流向的坡度，坡度不小于3‰。

4.高效复合式空冷器管道支吊架的设计

（1）空冷器的管口受力比较脆弱，管道布置时应保证有足够的柔性，使其管口的作用力和力矩符合制造厂或现行标准《空冷式换热器》GB/T15386的要求，也可参见API661中的规定。为满足空冷器管口的受力的要求，通常采用以下方法[5]：

①采用“π”型布置或改变管道的走向来增加管道的柔性，减少管口的受力。

②采用弹簧支架或低摩擦副支架来减少管口的受力，但此项要经过严格的应力计算后方可确定。

③在技术合同谈判的过程中要求制造厂提高空冷器设备管口的允许受力值，一般为标准规范中的受力和力矩允许值的2-2.5倍。

（2）管道的支撑应尽量利用已有的管架，如已有的自身空冷器构架，可设置倒门型，三脚架，悬臂梁等。当无法满足管道支撑要求时，可将空冷器自身构架的立柱、管廊立柱或构架的立柱延伸，延伸立柱的高度、受力的大小应提给结构专业或者制造厂供其核算结构的稳定性，如图2中伸起管架的示意图。支撑在设备上的管道，支撑在空冷自身平台上的管道，具体的点载荷位置和大小也应一并提供给制造厂或结构专业。

5.结论

随着高效复合式空冷器在石油化工装置中广泛的应用，做好其合理的平面布置、管道布置和支架设计，对节省投资、占地，节约资源，降低能耗以及装置的稳定、安全运行具有重要的意义。本文主要强调：

（1）高效复合式空冷器的平面布置应结合设计规范、主导风向、四周的建筑物、构筑物、大型设备以及下层设备的类别来统筹考虑。

（2）高效复合式空冷器的管道布置应满足工艺流程、相关标准及制造厂的要求，防止偏流、盲端腐蚀等问题。

（3）高效复合式空冷器的支架设计应结合具体的实际情况，并通过一定的手段来满足支架的稳固安全和空冷器管口受力的要求。