丙烯制冷压缩机系统管道设计

柳 坤

中国成达工程有限公司 成都 610041

丙烯制冷压缩机系统是烯烃分离装置的关键系统之一[1]，介质温度经历自72.2℃至-40.6℃的工况，冷热条件同时存在，具有与一般压缩机系统不同的特点，其管道设计的合理与否直接影响着装置的正常运行。目前无太多文献对此系统的管道设计做全面且系统的讨论，本文结合某烯烃分离项目，对丙烯制冷压缩机系统的管道设计进行深入的分析，为今后类似系统的管道设计提供参考。

1 机组概况及工艺流程

本文中丙烯制冷压缩机系统由压缩机组及其附件(包括油站、高位油箱等设备)、蒸汽透平机组及其附件(包括凝汽器、两级射汽抽气装置、凝结水泵、排气安全阀等设备)、多段吸入罐、冷凝器、冷剂储罐、排污罐等组成。丙烯制冷压缩机组及附属设备工艺流程见图1。

1-透平；2-丙烯制冷压缩机；3-丙烯冷凝器；4-丙烯冷剂储罐；5-预切割塔再沸器；6-四段吸入罐；7-三段吸入罐；8-二段吸入罐；9-一段吸入罐；10-丙烯液相排出泵

丙烯制冷压缩机为四段离心式压缩机，气相丙烯从四段吸入罐注入系统，将系统压力充压至0.3MPa，再泄压至火炬系统，反复三次将系统内氮气置换，然后将系统充压至适合压力，将液相丙烯注入四段吸入罐，并在二、三、四段吸入罐内建立液相，以使系统启动。

系统运行后，丙烯经压缩机压缩，以72.2℃的温度进入冷凝器冷凝，然后至丙烯冷剂储罐，经储罐后的液相丙烯作为热源进入预切割塔再沸器，降温后作为冷剂为系统中各换热器提供冷量，即依次经过四至一段吸入罐，为系统提供4.1℃、-7.5℃、-25.9℃、-40.6℃四个温度级位的冷量。气相丙烯从各段吸入罐顶部进入压缩机压缩，实现系统的闭式循环制冷过程。需要时，各段吸入罐中的丙烯通过丙烯液相排出泵送至界区外，正常工况下无流量。

2 丙烯制冷压缩机系统布置

丙烯制冷压缩机系统平面布置需要考虑以下因素：① 根据工艺流程顺序，将一至四段吸入罐依次按中心线布置，压缩机靠近吸入罐布置，减少吸入管道的阻力，压缩机旁设检修、消防用的道路。吸入罐与压缩机之间布置附属管桥，以便管道的进出；② 压缩机附件(包括油站、高位油箱等设备)靠近压缩机布置，透平机组附件(包括凝汽器、两级射汽抽气装置、凝结水泵、排气安全阀等设备)靠近透平布置，其中凝汽器布置在透平下方，与透平柔性连接；③ 根据《石油化工企业设计防火规范》(GB 50160—2008)中5.2.1条，将丙烯冷凝器与冷剂储罐(属操作温度低于自燃点的设备)布置在与丙烯压缩机9m之外的位置(丙烯压缩机为甲类可燃气体压缩机)，且将丙烯冷凝器相对冷剂储罐均匀布置，减小偏流，见图2。

图2 丙烯制冷压缩机系统平面布置图

在平面布置基础上，对竖面布置考虑以下问题：① 根据凝结水泵的必需汽蚀余量(NPSH)r确定冷凝器的高度，结合厂家提供的压缩机和透平的参考高度，确定压缩机进出口管道距地面的净空要求以及阀组平台的操作检修空间要求，同时将数据返与厂家核算，包括透平与冷凝器的柔性以及压缩机吸入口直管段核算，在此基础上确定附件(包括高位油箱、两级射汽抽气装置等设备)标高，根据吊装条件确定吊车轨道标高；② 丙烯冷剂储罐主要作用是液封，故丙烯凝冷器底部出口与丙烯冷剂储罐顶高差不应太大，本文核算后应小于6m，由此确定此二者竖面标高，见图3。

图3 丙烯制冷压缩机系统竖面布置图

3 管道设计

通过以上分析可以看出，丙烯制冷压缩机系统有着特别的工况和设计要求：①压缩机制冷过程中介质温度经历72.2℃～-40.6℃的工况，存在大量通常意义上低于或等于-20℃的低温管道；②由于冷热管道的同时存在，管道的支架设计及型式需要做特别考虑。本文将对丙烯制冷压缩机系统中最重要的压缩机进出口管道进行分析，以阐述丙烯制冷压缩机系统管道设计的核心要点。

3.1 参数设计

系统在低温工况运行时，其管道材料的技术要求为：具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等[2]。其中，低温韧性是最重要的因素，以防止管系的脆裂和脆断，要求低温钢在最低使用温度下有一定的冲击韧性值，即满足夏比试验温度下冲击功的合格指标。根据压缩机进出口条件，选用镇静钢即完全脱氧钢，一段进口为A671 GR.CC60低温碳钢，二、三段进口为A333 GR.6的低温碳钢；四段进口及压缩机出口选用20#钢。

隔热材料方面，需要考虑导热系数和材料密度两个方面，以保证隔热材料的经济合理。对保冷材料而言，国内石化装置通常选择硬质聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃，根据其主要性能，当设计温度≥-65℃时，保冷层材料可选用硬质聚氨酯塑料泡沫；当设计温度低于-65℃时，宜采用复合保冷技术，且当隔热层厚度大于或等于80mm时，采用分层设计。

3.2 方案布置

考虑丙烯制冷压缩机系统管道布置方案时，首先考虑以下4点：①满足工艺及仪表流程的要求；②考虑管道应力设计；③考虑管道管件的操作和检修，设置必要的平台；④尽量布置合理、经济、整齐、美观。

丙烯制冷压缩机进口管道布置见图4。

A1I1-一段进口；A2H2-二段进口；A3G3-三段进口；A4H4-四段进口

对丙烯制冷压缩机进口管道，平衡其阀组的操作检修、应力和流量计直管段要求是此部分管道设计的难点，如图4所示，对此做以下布置：① 因压缩机四进口I1、H2、G3、H4管嘴间距离较近以及保冷材料厚度的限制，无法同时将一至四段进口线布置在地面，故将一、三段进口线A1-I1、A3-G3布置地面处，二、四段进口线A2-H2、A4-H4布置在相对地坪标高4米平台处，以满足管道间距及进口阀门的检修操作，将数据返回厂家核算进口直管段要求；②各吸入罐至压缩机进口具有8～20米的垂直距离，需要进行自然补偿满足应力要求：(a)为满足压缩机进口受力，考虑对管口受力的限制，对一至三段进口，因具有达-45℃工况，故考虑在H1、G2、F3点做建东方向的限位，同时对一段进口E1-F1段产生的冷缩，考虑在G1-H1段上做建南方向的限位，二段进口E2-F2段产生的冷缩，考虑在F2- G2段上做建北方向的限位，由于四段进口不存在小于0℃工况，考虑E4-F4段的热涨，在F4-G4段设导向；同时，考虑在H1、G2、F3、G4设置恒力弹簧，限制管线在Y方向对管嘴的力；(b)对二次应力，垂直方向力考虑通过设置C1-F1、C2-F2、C3-D3、C4-F4段补偿吸收；③进口管线流量计，分别在E1-F1、C2-D2、E3-F3、E4-F4段对其布置，以满足需要约10倍管道公称直径的直管段要求；④为防止拆卸螺栓时破坏主管上的保冷层，低温管道上的法兰与弯头或三通之间留取一段直管段，不宜直接焊接。

A-压缩机出口；L、M、Q、R-冷凝器进口

丙烯制冷压缩机出口管道操作温度为72.2℃，其布置间图5：①与四段进口管道错开检修空间，将出口阀组B-C段置于地面处，直管段数据返回厂家核算；②防止B-C段、D-E段热涨对管嘴的受力，考虑在B点做建东方向限位、在C点做建北方向限位；同时，考虑在B设置恒力弹簧，限制管线在Y方向对管嘴的力；③四台冷凝器进口管道进行对称布置，即G至L、M、Q、R段，减小偏流的情况。

3.3 应力分析

对上述管道布置方案，进行应力核算，主要包括一次应力、二次应力和管口受力校核。表1为压缩机进出口管道的参数工况条件，用COADE公司开发的管道应力分析程序CAESARII Ver4.50对上述管道进行应力分析和计算。

表1 压缩机进出口工况

3.3.1 一次应力校核

根据计算结果，一次应力校核见表2：压缩机一至四段进出口管道上的170、150、170、250、330点是具有最大一次应力值点，各综合应力与许用应力的比值在17.4%～38.5%之间，满足一次应力校核要求。

表2 一次应力校核

3.3.2 二次应力校核

二次应力校核见表3：压缩机一至四段进出口管道上的210、110、98、88、550点具有最大二次应力值，各综合应力与许用应力的比值在3.5%～32.6%之间，满足二次应力校核要求。

表3 二次应力校核

3.3.3 管口受力校核

丙烯制冷压缩机进出口管嘴布置及机组固定点见图6，其中，压缩机一至四段进口管嘴和出口管嘴分别为定义为240、220、260、290、10点，其公称直径分别为900mm、450mm、350mm、250mm、450mm。

注：图中尺寸单位mm。

压缩机进出口管道对管口的力和力矩应符合制造厂或API 617的要求，因与厂家协商，按NEMA SM23规定允许受力值的3倍执行，即管口力和力矩需要满足以下条件[3]：

(1)任一管口的力和力矩应满足：

0.9144FR+MR≪a×26.689×De

(1)

式中，De为当量直径，mm；当管口公称直径不大于200时，De=管口公称直径；当管口公称直径大于200 时，De=(管口公称直径+400)/3；FR为单个管口上的合力，N；MR为单个管口上的合力矩，N·m；a为与厂家确认倍数，a=3。

(2)

(3)

式中，Fx，Fy，Fz为单个管口上X、Y、Z方向的作用力，N；Mx，My，Mz为单个管口上X、Y、Z方向的作用力矩，N·m。

(2)各管口的力和力矩合成到某一管口中心处的合力和合力矩应满足：

①合力和合力矩应满足：

0.6096Fc+Mc≪a×13.345×Dc

(4)

式中，Fc为各管口的合力，N；Mc为各管口的力和力矩合成到某一管口中心处的合力和合力矩，N·m；Dc为按公称直径计算得到的各管口面积之和的当量直径，mm[当各管口面积之和折合成圆形的折算直径不大于230mm时，Dc=折算直径；当各管口面积之和折合成圆形的折算直径大于230mm时，Dc=(折算直径+460)/3]；a为与厂家确认倍数，a=3。

需要注意的是，条件(2)中的各管口，对压缩机是指四段进口和出口；条件(2)中的某一管口，对压缩机是指最大管口，即一段进口。

②Fc和Mc在X、Y、Z三个方向的分力和分力矩应满足：

|Fcx|≪a×8.756Dc

(5)

|Fcy|≪a×21.891Dc

(6)

|Fcz|≪a×17.513Dc

(7)

|Mcx|≪a×13.345Dc

(8)

|Mcy|≪a×6.672Dc

(9)

|Mcz|≪a×6.672Dc

(10)

式中，Fcx、Fcy、Fcz为Fc在X、Y、Z三个方向的分力，N；Mcx、Mcy、Mcz为Mc在X、Y、Z三个方向的分力矩，N·m；a为与厂家确认倍数，a=3。

需要注意的是，条件(2)中的各管口，对压缩机是指四段进口和出口；条件(2)中的某一管口，对压缩机是指最大管口，即一段进口。

在上述管道布置方案下，压缩机管口力和力矩见表4。

表4 管口力和力矩

以压缩机一段进口节点240管嘴为例进行计算：

(a)单独管口的力和力矩：

De=(900+400)÷3=433.3mm

0.9144FR+MR=0.9144×9550.5+12280=21013

a×26.689×De=3×26.689×433.3=34695.7

对其余各管口做相同计算，结果见表5。

表5 单嘴口受力校核

表5结果满足式(1)的要求，受力合格。

(b)各管口合成的力和力矩：

|Fcx|=|5264+(-92)+(-52)+(-343)+2183|=6960

|Mcx|=|(-9438)+7804+1539+1379+(-4721)+{(-2992)×0.85+(-3793)×0.5}+{(-2950)×0.85+(-513)×0.5}+{(-232)×0.85+(-750)×0}+{3970×0+2512×0}|=11212.9

同理，「Fcy⎤，「Fcz⎤，「Mcy⎤，「Mcz⎤计算见表6中结果。

表6 压缩机嘴口受力校核

表7 压缩机嘴口力矩校核

各管口面积之和：

A=(9002+4502+3502+2502+4502)×3.14÷4=1099000mm2

将上述值带入式(4)～式(10)，得到表6～表8中的结果，可以看出，压缩机一段进口合力和合力矩占许用值的88%，其他各分力和分力矩也满足要求。

表8 压缩机合成嘴口受力校核

4 支吊架设计

通过以上应力计算，对管道进行合适的支吊架设计，以满足管系设计的要求。丙烯制冷压缩机系统需要特别注意低温保冷管道的支架设计，以压缩机一段进口管道为例，如图7所示，此管道操作温度为-40.8℃，对压缩机管口，G1-H1直管段出现建东方向冷缩，E1-F1直管段出现建南方向冷缩，故在217点及170点做止推支架，防止240点压缩机管口在Fx、Fz及Mx、Mz受力和力矩不满足要求。50点标高与一段吸入罐顶出口标高相差不大，因此50点设刚性称重支架，H1-I1段及F1-G1段由于冷缩，G1-H1段有Y方向位移，故在170点和210点设置弹簧，为使240点压缩机管口FY在要求范围内，210点设恒力弹簧，同时，170点设可变弹簧，弹簧的设置也使90点和120点在Y方向的位移为0mm，设置刚性支架。除了弹簧，A1-I1在F方向的力由C1-H1在X-Y面的自然补偿来吸收，120点和170点设μ=0.1的低摩擦滑动支架。

图7 压缩机一段进口保冷管道支架图

对丙烯制冷压缩机系统保冷管道支架，为避免管道产生“冷桥”，出现冷量的损失[4]，一般对保冷管道支架或生根的设备设置隔冷块，或者采用管夹式结构管托，将保冷结构置于管夹内，内部有金属层、保冷层和防潮层等，管夹和保冷层之间加丁基橡胶板，以便管道发生变形时，管道与保冷层之间没有相对移动，这种整体考虑的管夹，可降低施工难度，且便于使用中的维护。图8为一种保冷管夹的结构型式。

图8 保冷管夹结构示意图

5 结语

综上所述，对于烯烃分离装置丙烯制冷压缩机系统，本文就其平面及竖面布置需要考虑的因素及应对措施提出了设计时应把握的原则；同时，对于丙烯制冷压缩机系统的管道设计，从参数设计、方案布置、应力分析、支吊架设计等几方面，阐述了其设计的要点。对上述各方面进行设计时，需要注意各部分既相互独立、又相互联系。比如在做方案布置时，就要考虑应力分析和支吊架的设计，综合考虑以上各方面的因素，结合丙烯制冷压缩机系统的具体特点，方可设计出即可靠又经济合理的工程方案。