鄭志偉 朱大亮 王 輝 車春媚 中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司 青島 266071

空冷器是石油化工行業(yè)一種常用的冷換設(shè)備，其設(shè)備布置和管道布置除了應(yīng)滿足冷換設(shè)備的一般規(guī)定外，有其自身的特點(diǎn)和要求。空冷器是以空氣作為冷卻介質(zhì)，強(qiáng)迫空氣通過(guò)傳熱管外面的翅片以冷卻管內(nèi)介質(zhì)的間壁式換熱器，可用作冷卻器和冷凝器。與水冷相比，空冷器可節(jié)省大量冷卻用水，減少工業(yè)地區(qū)的水污染，降低工廠投資和維修費(fèi)用。特別在缺水地區(qū)，以空冷代替水冷，可以緩和水源不足的矛盾。空冷器在石油化工行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，掌握空冷器的設(shè)備、管道布置及其應(yīng)力計(jì)算也變得尤為重要。

1 空冷器布置

1.1 空冷器布置的基本要求

空冷器宜集中布置在管廊或構(gòu)架頂層。在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)行空冷設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備布置的合理性?？绽淦鞯倪x型應(yīng)首先考慮將空冷器布置在管廊或構(gòu)架上的尺寸要求。為使布置合理，水平式空冷器建議采用管束長(zhǎng)度為12m、9m、6m三種，斜頂式空冷器建議采用管束長(zhǎng)度為6m，配合空冷器的構(gòu)架結(jié)構(gòu)尺寸為11.5m×6m、8.7m×6m、5.7m×6m，這樣管廊尺寸可以定為11.5m、8.7m、5.7m。同時(shí)空冷器布置時(shí)應(yīng)考慮到其管道布置的特殊要求，對(duì)于分餾塔頂?shù)娇绽淦鞯挠蜌夤艿?，?yīng)步步低布置，不應(yīng)出現(xiàn)U形彎，管道要盡量短，并且在進(jìn)行豎面布置時(shí)要合理確定從分餾塔頂?shù)娇绽淦髟俚嚼鋼Q構(gòu)架的高差。當(dāng)空冷器出入口沒(méi)有閥門控制或?yàn)閮上嗔鲿r(shí)，管道必須對(duì)稱布置，使各組空冷器流量均勻。在空冷器布置時(shí)要適當(dāng)規(guī)劃管道，在保證空冷器進(jìn)出口各總管對(duì)稱的前提下確定空冷器相對(duì)于塔或后冷的平面位置。

1.2 空冷器布置應(yīng)避免熱風(fēng)循環(huán)

空冷器是利用空氣冷卻管內(nèi)介質(zhì)的冷換設(shè)備，空冷器入口處的空氣溫度對(duì)其工作性能有很大影響，如果空冷器布置不當(dāng)，會(huì)造成空冷器入口氣溫高于環(huán)境氣溫，使傳熱溫差減少而降低傳熱能力。特別是在夏季，若出現(xiàn)這一情況，空冷器的冷卻效果將會(huì)受到很大的影響?？绽淦魅肟跉鉁馗哂诃h(huán)境氣溫，有兩方面原因:一是空冷器距某些高溫設(shè)備太近，吸進(jìn)了高溫氣流;二是空冷器排出的熱風(fēng)，其中一部分又被風(fēng)機(jī)抽回空冷器，稱之為熱風(fēng)再循環(huán)。其中，避免熱風(fēng)循環(huán)對(duì)空冷器的布置尤為重要［1］。

為了減少或避免受溫度較高設(shè)備的影響，空冷器應(yīng)布置在裝置全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)向。

熱風(fēng)循環(huán)嚴(yán)重影響空冷器的傳熱性能。在某些情況下，由于熱風(fēng)循環(huán)的影響，空冷器的進(jìn)口處空氣溫度可能會(huì)增加5℃，從而使對(duì)數(shù)平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%。為了減少或避免熱風(fēng)循環(huán)，在布置空冷器時(shí)應(yīng)根據(jù)夏季主要風(fēng)向合理地進(jìn)行全裝置的布置。在布置平面時(shí)應(yīng)注意:在空冷器的全年最小頻率風(fēng)向上風(fēng)側(cè)20～25m范圍不應(yīng)有高于空冷器的建筑物、構(gòu)筑物或大型設(shè)備，以免阻礙空冷器的通風(fēng)，造成熱風(fēng)循環(huán)。另外，低溫流體的空冷器應(yīng)布置在上風(fēng)向，防止高溫流體空冷器的出口熱風(fēng)又被吹到下風(fēng)向的空冷器，造成熱風(fēng)循環(huán)。如上述情況難以避免，應(yīng)與工藝專業(yè)協(xié)商，將空冷器空氣端設(shè)計(jì)溫度提高1.5～4.0℃。為防止熱風(fēng)循環(huán)，空冷器的典型布置方式有以下幾種類型:

(1)多臺(tái)空冷器應(yīng)布置在一起，其間不留間隙。

(2)多組同類型空冷器若受條件限制不能一起布置時(shí)，多組空冷器應(yīng)布置在同一高度，或采取其它防止熱風(fēng)循環(huán)的措施。

(3)引風(fēng)式空冷器與鼓風(fēng)式空冷器不宜混合布置，須混合布置時(shí)，應(yīng)使引風(fēng)式空冷器的管束同鼓風(fēng)式空冷器的風(fēng)扇標(biāo)高基本平齊，見(jiàn)圖1。另外，應(yīng)將引風(fēng)式空冷器布置在鼓風(fēng)式空冷器的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。

圖1 引風(fēng)式空冷器與鼓風(fēng)式空冷器的混合布置

(4)斜頂式空冷器通風(fēng)面不應(yīng)對(duì)著夏季的主導(dǎo)風(fēng)向，斜頂式空冷器宜成列布置，若成排布置，兩排中間應(yīng)有不小于3m的空間，中間的空隙應(yīng)敷設(shè)大面積的隔風(fēng)鋼平臺(tái)。

1.3 空冷器布置的其他要求

(1)空冷器不宜布置在操作溫度等于或高于自燃點(diǎn)、操作溫度等于或高于250℃的可燃液體設(shè)備、輸送或儲(chǔ)存液化烴的設(shè)備上方，否則應(yīng)采用非燃燒材料的隔板隔離保護(hù)。另外，為防止空冷器腐蝕、結(jié)垢及著火，布置時(shí)注意在上風(fēng)向處不要有腐蝕性氣體、粉塵及油氣排出。

(2)空冷器與加熱爐之間的距離及空冷器與變電所、配電室、儀表控制室等建筑物的間距應(yīng)符合《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定。

(3)布置空冷器時(shí)，應(yīng)考慮地面上檢修空冷器的機(jī)具的回旋空間及通道，在布置空冷器的管廊或構(gòu)架的一側(cè)地面，應(yīng)留有檢修場(chǎng)地和通道。

2 空冷器的管道布置

空冷器的管道布置，除要滿足管道布置的一般規(guī)定，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、滿足施工、操作、維修等方面的要求，并力求整齊美觀外，還有空冷器管道布置本身的特點(diǎn)?？绽淦鞯墓艿啦贾?，最主要的就是“對(duì)稱”，即保證各組空冷器流量均勻。同時(shí)，在分支前的主管應(yīng)有一定長(zhǎng)度的直管能夠等量分配流量。根據(jù)工藝包商及工藝專業(yè)的技術(shù)要求進(jìn)行管道布置，具體見(jiàn)圖2和圖3。另外，為減少盲端腐蝕，在空間允許的情況下，集合管兩端應(yīng)采用彎頭連接，而不應(yīng)采用三通加管帽的形式。

圖2 空冷器典型配管圖a

圖3 空冷器典型配管圖b

氣液兩相流管道布置是空冷器管道設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的。氣液兩相流具有單相流動(dòng)所不存在的許多復(fù)雜因素，氣液兩相流管道布置也有其特殊的要求，配管不當(dāng)就會(huì)引起管道嚴(yán)重振動(dòng)，導(dǎo)致管道和設(shè)備破壞。在氣液兩相流管道布置時(shí)應(yīng)避免形成液袋或氣袋。若配管時(shí)形成液袋，則液體會(huì)在低點(diǎn)積聚，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)速度過(guò)低時(shí)，有可能充滿低點(diǎn)管子，接下來(lái)后面的氣體則會(huì)把低點(diǎn)所積聚的液體推走，而后又會(huì)有液體在低點(diǎn)積聚，氣體再把液體推走，如此反復(fù)，最后形成柱狀流。這種情況下氣體以比液體平均速度大得多的速度推著液體流動(dòng)，碰撞回彎管件，形成激振力，從而引起管道的嚴(yán)重振動(dòng)。另外，應(yīng)將異徑管置于水平管段，若置于立管，由于擴(kuò)徑介質(zhì)流速下降，在立管就會(huì)形成柱狀流，引起管道振動(dòng)。由于氣液兩相流態(tài)的復(fù)雜性，對(duì)管道和設(shè)備可能帶來(lái)振動(dòng)和疲勞破壞，所以在空冷器兩相流管道布置時(shí)，按照?qǐng)D3所示進(jìn)行管道布置，確保生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行［2］。

空冷器的配套服務(wù)管道包括消防蒸汽、吹掃用管道及放凝管道，這些管道的主管一般都是DN40或DN50的小管，其規(guī)劃應(yīng)從全局考慮，使其便于操作，安全合理?？绽淦鞑僮髌脚_(tái)上設(shè)置的消防蒸汽及吹掃接頭，其設(shè)置位置應(yīng)有利于操作人員的安全迅速接近。蒸汽主管及吹掃主管應(yīng)布置在平臺(tái)外側(cè)，且盡量靠近空冷器平臺(tái)，一般應(yīng)保證與空冷器平臺(tái)的水平距離不超過(guò)450mm。消防蒸汽及吹掃管道應(yīng)在各層設(shè)置快速接頭，其接頭應(yīng)設(shè)在易于接近的地方，但接頭不應(yīng)伸向空冷構(gòu)架內(nèi)，而應(yīng)使其接頭平行于平臺(tái)欄桿方向，保證安全操作。同時(shí)，接頭上的閥門應(yīng)安裝在水平管道上，接頭應(yīng)高于上欄桿頂面200mm。

空冷器構(gòu)架一般采用“門”形結(jié)構(gòu)，用以支撐進(jìn)出口管道?？拷绽淦鞴芟鋫?cè)的立柱可以直接從空冷器本身構(gòu)架上起柱子，這種情況需要由廠家設(shè)計(jì)構(gòu)架;也可以從空冷器構(gòu)架外約500mm處另起柱子，此時(shí)一般由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)支架。為操作和檢修方便，在整個(gè)空冷器構(gòu)架四周均設(shè)置平臺(tái)，其平臺(tái)大小可根據(jù)具體管道布置情況確定。對(duì)于單管程空冷器，管箱兩側(cè)均應(yīng)設(shè)置寬度為800～1000mm的操作和檢修用平臺(tái);對(duì)雙管程空冷器，進(jìn)出管口的管箱側(cè)應(yīng)設(shè)置寬度為1000～1200mm的平臺(tái)，另一側(cè)設(shè)置寬度為800mm的平臺(tái)。進(jìn)出口管箱側(cè)設(shè)閥門時(shí)，平臺(tái)可適當(dāng)加寬。為檢修及操作方便，管箱兩端的平臺(tái)應(yīng)相互連通，連通平臺(tái)的寬度最少為800mm。平臺(tái)設(shè)置的高度一般低于管箱底面約600～800mm，應(yīng)保證能操作到空冷器進(jìn)口管道上的閥門。整個(gè)空冷器構(gòu)架平臺(tái)應(yīng)設(shè)置不少于兩個(gè)通往地面的梯子，在空間允許的情況下最好采用45°斜梯。同時(shí)，應(yīng)注意空冷器構(gòu)架平臺(tái)與其鄰近的構(gòu)架平臺(tái)的通道連接。空冷器入口管道一般較高，如距離較長(zhǎng)，往往需在中間設(shè)置專門的管架以支撐管道，在管道布置時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮大型支架的生根位置，在設(shè)置支撐時(shí)，應(yīng)注意不影響管束的檢修，且在空冷器構(gòu)架受力允許范圍內(nèi)。

3 空冷器管道應(yīng)力計(jì)算

空冷器的管嘴不能承受過(guò)大的應(yīng)力，否則容易發(fā)生泄漏。作用在管嘴上的管道和管束的熱脹應(yīng)力之和不得超過(guò)制造廠規(guī)定的應(yīng)力范圍。當(dāng)制造廠未提供允許值時(shí)，可按API661的2倍值進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算。如管嘴受力或力矩超過(guò)允許值，則必須考慮增加管系的柔性。在進(jìn)行空冷器管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，管嘴附加位移是空冷器進(jìn)出口管道應(yīng)力分析非常重要的邊界條件，缺少該條件，管道應(yīng)力分析結(jié)果將會(huì)與實(shí)際情況不符，失去應(yīng)力分析的意義。

管嘴附加位移的獲得有兩種手段:一是設(shè)計(jì)院要求空冷器廠家提供的技術(shù)協(xié)議中包括空冷器管嘴的受力要求及空冷器管嘴的附加位移，二是根據(jù)空冷器的結(jié)構(gòu)形式由設(shè)計(jì)者計(jì)算管嘴的附加位移。在設(shè)計(jì)前期空冷器的技術(shù)協(xié)議一般都不能到位，在管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，多由設(shè)計(jì)者提供空冷器管嘴附加位移。在計(jì)算管嘴附加位移時(shí)，正確合理的確定空冷器的固定點(diǎn)是關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，管箱的一段浮動(dòng)時(shí)，可減少管束的變形，應(yīng)按照空冷器安裝規(guī)范施工，保證浮動(dòng)端無(wú)約束［3］。另外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于空冷器管束安裝要求的介紹可知，管束在構(gòu)架上就位后，要松開(kāi)活動(dòng)管箱和構(gòu)架側(cè)梁之間的連接螺栓，即管束上存在活動(dòng)端。同時(shí)，根據(jù)空冷器管束操作的注意事項(xiàng)可知，在開(kāi)車前應(yīng)將浮動(dòng)管箱兩端的緊定螺釘卸掉，保證浮動(dòng)管箱在運(yùn)行過(guò)程中可自由移動(dòng)，以補(bǔ)償翅片管熱脹冷縮的變形量［4］。通過(guò)分析可知，為適應(yīng)管束的熱膨脹，空冷器一端管箱不固定，容許沿管子長(zhǎng)度方向自由移動(dòng)，空冷器固定端與滑動(dòng)端的位置見(jiàn)圖4。

圖4 空氣冷卻器基本結(jié)構(gòu)圖

由分析及圖4可知，在計(jì)算管嘴附加位移時(shí)，應(yīng)該將空冷器入口處作為管箱長(zhǎng)度方向上的固定點(diǎn)，其余兩個(gè)方向均以空冷器中心點(diǎn)為固定點(diǎn)。即對(duì)于雙管程空冷器，進(jìn)出口沿管道長(zhǎng)度方向的附加位移為零;對(duì)于單管程空冷器，進(jìn)口的附加位移為零，而出口的附加位移應(yīng)根據(jù)管箱內(nèi)介質(zhì)的平均溫度及管箱長(zhǎng)度，計(jì)算管嘴的熱位移。這一結(jié)論與某些文獻(xiàn)中給出的固定點(diǎn)有較大出入。建議根據(jù)廠家已經(jīng)給出附加位移的空冷器為例，比較兩種計(jì)算方法的結(jié)果與廠家給出附加位移的差值，以確定正確的空冷器固定點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)空冷器的設(shè)備布置除了要按照流程布置并遵循防火規(guī)范的相關(guān)要求外，最主要的是保證空冷器的入口處的空氣溫度不高于環(huán)境溫度。熱風(fēng)循環(huán)是影響空冷器空氣入口溫度的主要因素，在布置空冷器時(shí)應(yīng)盡量避免熱風(fēng)循環(huán)。

(2)空冷器的管道布置主要應(yīng)考慮工藝管道的布置及其附屬公用工程管道和構(gòu)架平臺(tái)的設(shè)計(jì)。兩相流管道的布置是空冷器管道設(shè)計(jì)的核心和難點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工藝包商及工藝專業(yè)的技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在合理規(guī)劃管道的前提下確定構(gòu)架平臺(tái)高度，便于操作和檢修。

(3)管嘴附加位移是空冷器進(jìn)出口管道應(yīng)力分析非常重要的邊界條件，而固定點(diǎn)的選取是計(jì)算管嘴附加位移的關(guān)鍵。本文詳細(xì)介紹的固定點(diǎn)的選取原則，為應(yīng)力計(jì)算提供較為準(zhǔn)確的邊界條件，使應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

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