空分装置压缩机组的布置和配管分析

贾隆禛

摘  要：通过空分装置里压缩机组的设计实践分析，探讨此类典型机组的布置及配管。

关键词：压缩机组;设备布置;配管

引言

随着我国大型煤制烯烃、煤制油的建设，空分装置作为其重要的配套装置，也在变得越来越大型化。压缩机组作为工艺介质的动力源，对保证其长期稳定运行具有重要意义。相对于一些其他设备，离心式压缩机组的布置及配管有其自身的特点。本文通过对某空分装置中压缩机组的布置及配管进行分析，期望能够对未来的工程设计提供经验。图1、图2是压缩机组的平竖面布置图。

1 压缩机组的布置分析

1.1 压缩机厂房

压缩机厂房分为三类，分别是封闭式厂房、半敞开式厂房和敞开式厂房。采用哪一种型式的厂房应当根据工艺介质的性质、当地气候条件等来确定。对于空分装置的离心式压缩机，其工艺介质为空气、运行过程中产生的噪声较大且地处春季多风沙、冬季寒冷地区，故采用封闭式厂房。

压缩机组由空气压缩机、汽轮机、空气增压机以及附属设备组成，采用凝汽式透平驱动，将空压机-汽轮机-增压机布置在三层平台上，增压机级间冷却器布置在增压机下方的二层平台上，空压机冷却器、润滑油站、透平排气管道等布置在厂房地面上。

1.1.1压缩厂房的平面布置

压缩厂房的占地要根据厂家提供的压缩机组的外形尺寸及基础图等技术资料来确定。宽度：建筑物的跨距除有特殊要求外，一般应按照建筑统一模数设计，常用模数有6m，7.5m，9m...，考虑宽度方向穿越厂房最大的管线为空压机入口管线，外径为3454mm，厂房柱间距按6m设计。通过对比各单体设备外形图可知空压机级间冷却器为厂房内占宽最大的设备，预留出通道及检维修空间确定厂房宽度为5跨即30m。长度：压缩厂房的长度主要考虑因素为空冷岛辅机设备、压缩机组及其辅助设备及预留的检修区域的占长，检修区域的占长要根据机组最大检修件的尺寸及吊装机具行程死点的位置确定。最终确定长度为67.5m。

1.1.2压缩厂房的立面布置

压缩厂房的立面布置的主要内容包括确定压缩机的基础高度、操作平台的层数和高度、厂房的结构高度。压缩机的布置高度通常由表冷器的安装高度确定，由于北方地区缺水，采用室外空冷器取代表冷器，因此安装高度根据乏汽管道的安装高度确定，根据厂家提供的机组基础图可以看机组基础为双层结构，顶部为主机基础，高度为14200mm;下面为增压机级间冷却器的基础，高度为8000mm。操作平台的层数和高度通常选取压缩机机组基础的层数和高度，这样既在安装过程中方便施工又在以后的运行过程中方便生产操作人员的巡检及检维修。厂房的结构高度一般情况下是由吊车的安装高度来确定，当吊车的安装高度可以确定后，加上预留的吊车上部检维修空间的高度即可确定厂房的结构高度。吊钩的最大高度根据机组最高的固定件顶部高度加上最大检修件的高度加上预留间隙确定，此处预留设计余量不宜过小一般不小于500mm。一般厂家图纸上会标出吊钩的最低安装高度要求，设计时应适当加上设计余量，以防因施工误差导致现场吊装高度不符合要求。厂家图纸要求吊钩最低安装高度为23.7m，加上设计余量和吊车上部检维修空间最终确定厂房的屋架下弦高度为32.5m。

1.2 压缩机组及其附属设备的布置

空分装置的压缩机组由空气压缩机、汽轮机、空气增压机、油站和高位油箱等组成。目前的工程中主机及附属设备一般由同一厂家成套供货，机组内部管道由厂家负责，厂家会根据机组工艺要求及自身配管情况来提供机组的安装高度，及其附属设备的建议性布置。

空气过滤器应靠近压缩机入口布置，为保证入口管道的压降最小過滤器的管口高度应与空压机入口管口高度保持一致，过滤器应布置在厂房外尽量靠近厂房处。而吸风口应布置在有害气体及固体尘埃散发源的全年最小频率风向的下风侧[1]，且与散发碳氢化合物（尤其是乙炔）等有害气体发生源应有一定的安全距离。

油站要靠近压缩机布置且放置在压缩机基础下面的厂房地面上，要满足润滑油依靠自身重力回流所需要的标高要求，还需要满足油冷却器的检修要求。

高位油箱需要布置在机组上方，利用重力作用在事故停车时给机组供给润滑油，其安装高度通常由厂家提供，当厂家未提供高度要求时要根据机组的供油压力计算得出其安装高度。根据石油化工企业设计防火规范规定：“压缩机的上方不得布置甲、乙和丙类工艺设备，但自用的高位润滑油箱不受此限”[2];我们配管人员以此为依据将高位油箱布置在压缩厂房内，但建筑专业的规范《压缩机厂房建筑设计规定》中提出“高位油槽应尽量布置在室外钢架上，不得布置在厂房的屋架部位”[3]，条文解释中说明了这样的规定主要是因为屋架的耐火极限低，而一般情况下高位油箱放置的位置高，靠近屋架，一旦厂房内发生燃烧或爆炸，点燃了高位油箱，屋架将受到严重威胁。从条文解释中可以看出此条规定是针对的爆炸性气体环境的压缩机厂房，而对于空分装置的空气等非爆炸性气体压缩机而言则不受此限制。考虑到西北地区冬天温度低当布置在厂房外时需要增加保温伴热等防凝措施，为了减少不必须的投资，将高位油箱布置在厂房内。

2 压缩机组的配管

对于离心式压缩机（包括汽轮机）的配管，通常情况下不要求进行振动分析，但必须要对管系进行柔性分析，并应满足管口受力要求。计算时应考虑设备管嘴的位移。所有压缩机的管道不得占用机组及辅助设备抽内件的空间，不得影响起重机的正常运行。

2.1 空压机进出口管道的布置

空压机进口管道的布置应有利于流体分布均匀，管道一般较大，例如本套压缩机进口管道达到DN3400，一般选取直连的方式，通过采用调整入口过滤器的基础高度来实现。

空压机出口管道不宜直接接弯头，如厂家无要求，其最短直管段宜为公称直径DN 的3～5 倍。出口管线上设置有自控阀并配有阀门加长杆，根据现场反馈此阀门因为频繁操作经常会检维修，所以此阀门及其加长杆应设置在平台上。压缩机出口管线设置有防喘振管线，因为防喘振管线放空时气量大震动大，一般将其布置在地面上单独设置管墩支撑管道，且在放空阀处设置固定架防止震动（如图3），此处设置固定架对压缩机出口管整条管线的应力提出了更高的要求，通过合理的设置膨胀节及弹簧架来解决管线的应力问题。在应力计算时应该考虑以下几种工况：1、无应力安装工况;2、正常操作工况;3、设计工况;4、全料放空工况;5、防喘振放空工况。这几种都是通常考虑的工况，但全料放空和防喘振放空这两种工况管道专业一定要和机器厂家、工艺专业了解清楚后提给应力专业，否则很容易会出现理解错误，导致应力计算出现偏差。如图3所示，这台机组设有三条放空管线，015阀所在的管线为全料放空管线，013和014所在的管线为防喘振放空管线。全料放空时015阀开启放空，013、014和016阀处于关闭状态;防喘振放空时016阀处于开启015阀处于关闭状态，013和014阀随着气量的增大而逐步开启。

2.2 汽轮机入口蒸汽管道的布置

本套空分装置选用高压蒸汽（设计压力13.5 MPa、设计温度545 ℃）作为汽轮机的动力来源，拖动空压机和增压机，高压蒸汽管道的配管是设计工作的重中之重。由于蒸汽管道的温度和压力较高，且包含安装、吹扫打靶、操作等多种复杂组合的工况，加之汽轮机主进汽管口对力、热位移等极其敏感，因此在管道布置时应非常注意。如图4，汽轮机是南北方向布置，汽轮机入口在固定点的北侧，蒸汽进入透平前，管道向北绕过压缩机本体和透平的固定点，并设置南北向限位架，利用此限位架北侧的水平管线来吸收管口的水平热位移，此限位架的位置必须经过计算得出。汽轮机管口朝下，在进口处的竖直管道上设置恒力弹簧架，这样既能吸收管口及管道的向下热位移又能保证管口处的受力，配管设计时应充分考虑此处支架安装空间。在三通的弯头处设置东西向限位架保证了管系本身的东西向热位移不会对管口产生影响。蒸汽进口管道上的切断阀尽量靠近蒸汽主管布置，因为高压蒸汽切断阀体积较大，为操作方便，应就近放置在压缩机厂房平台上靠近蒸汽主管的一侧。在布置完蒸汽管道后应该将管段图返给工艺专业，核算汽轮机管口处的温度和压力，以保证蒸汽在管口处的工艺参数满足设计要求。

为保障汽轮机的管口受力，在设计入口蒸汽管道时应考虑多种工况，除通常考虑的无应力安装、设计、操作、水压试验等工况，还应充分考虑在试车和开停车时产生的各种工况：1、暖管工况，此时管道按照525℃，透平按照室温考虑。按照工艺流程管线上设置两个暖管放空接出口，采用分段暖管，此时应力计算也需要以切断阀为界分段计算;2、停车过程中产生的热机冷管工况，经与厂家和现场开车人员交流得出此种工况按照极限温差情况下汽轮机480℃，管道230℃来计算，热机冷管工况主要是考虑到机组停车后透平和管道降温幅度不一致导致管口受力产生变化。

2.3 润滑油管道的布置

润滑油系统的管道布置方式通常是供油管道布置在机组的一侧，回油管道布置在机组的另一侧，这样可避免供回油管道之间的交叉，便于施工及油运后的拆装。因为酸洗钝化需要在现场的酸洗槽中进行，所以润滑油管道应分段用法兰连接，管道最长段和每根管道上弯头数量应该根据现场的酸洗槽尺寸进行确定。

2.4 循环冷却水管道的布置

空压机和增压机的循环水消耗量大，循环水管的规格大，管道布置不能影响设备的抽芯。循环水管道需要和地下水管相连，因为地管施工较早，设计时要尽早和给排水专业工程师沟通，确定好地管的交接位置，如果给排水专业很难做到进水和回水位于机组的同一侧，要及时要求生产厂家修改设备管口的位置。现场地管的施工精度较低，容易出现偏差，出现地上循环水管道无法和地下管道连接的情况，地坪浇筑后地下管道很难再修改，所以设计时应提前考虑可以调节的裕量或应对措施。

3 结语

本文结合实际工作，对离心式压缩机的布置及配管进行了简要说明。对压缩机组及其附属管道科学合理的布置对于机组的正常运行和安装施工起着非常重要的作用。管道设计人员应该要善于對以往成功的项目进行总结，将好的经验应用到未来新的项目中。

参考文献

[1]GB 50030-2013，氧气站设计规范.

[2]GB 50160-2008，石油化工企业设计防火规范.

[3]HG/T 20673-2005， 压缩机厂房建筑设计规定.