夏 軍,蘭小青,胡 煒
(杭州制氧機集團股份有限公司 設(shè)計院,浙江 杭州 310000)
近十年來,中國空分事業(yè)發(fā)展迅猛,已經(jīng)成功實現(xiàn)了十萬等級空分的國產(chǎn)化,并向十萬以上等級空分的研發(fā)和生產(chǎn)邁出了堅定的步伐[1]??辗滞黄屏耸f等級這道門檻后,面對的不單單是空分單體設(shè)備的簡單放大和數(shù)字上的提升,而是從流程計算、工藝設(shè)計和單元設(shè)計到設(shè)備制造、運輸、安裝以及空分運行、維護、安全等一系列的突破創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。并且,隨著國內(nèi)稀有氣體市場的興起,市場對空分提出了氪、氙、氖、氦、高純氧氮以及超純氧氮的需求,使特大型空分的研發(fā)進入了一個新的高度。隨著空分等級的提升,粗氬冷凝器也需要越來越大的換熱面積,這將會給設(shè)備制造、運輸、安裝帶來一系列的問題。
某公司基于以上市場的需求設(shè)計了一套特大型空分設(shè)備。該套空分的產(chǎn)品除了常規(guī)的氧、氮、氬外,還有氖、氦、氪、氙四種稀有氣體,并且還要求將另外一套7萬等級不帶氬空分的粗氬氣同時進行氬產(chǎn)品提取。因此,該套9萬等級空分的氬系統(tǒng)氬提取能力需等同于15萬等級空分的氬提取系統(tǒng),粗氬冷凝器的熱負(fù)荷遠大于常規(guī)空分設(shè)備,液空側(cè)最大換熱面積巨大,所以粗氬冷凝器的設(shè)計、制造、運輸、安裝和安全運行面臨諸多挑戰(zhàn)。
若粗氬冷凝器采用常規(guī)單層立式結(jié)構(gòu)設(shè)計,則單元尺寸約為Φ5400 mm×6700 mm。該設(shè)計方案將面臨兩個工程問題:
1.運輸尺寸限制問題:粗氬冷凝器采用常規(guī)公路運輸,制造地與安裝現(xiàn)場的公路運輸條件中,容器運輸直徑尺寸上限為Φ4800 mm。常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的粗氬容器直徑為Φ5400 mm,已超過公路運輸尺寸上限,不滿足公路運輸條件,運輸成本超出可承受范圍。
2.現(xiàn)場制造質(zhì)量控制問題:當(dāng)容器運輸超限時,工程上通常會考慮采用現(xiàn)場制造的方式來解決問題,但鋁制粗氬冷凝器的現(xiàn)場制造需滿足或具備以下條件:
1)現(xiàn)場制造需滿足JB/T 4734《鋁制焊接壓力容器》第10.2.1.1條要求:制造鋁容器的場地應(yīng)保持清潔,并鋪設(shè)橡膠或其他軟材質(zhì)材料,以免碰傷、擦傷鋁表面。露天制作時應(yīng)有防風(fēng)、雨、雪及冬天防凍的設(shè)施。
2)鋁制容器生產(chǎn)常用機具:滾輪架、足夠噸位的吊機、常規(guī)焊機及半自動或全自動鋁焊機等。
3)符合要求的制造及監(jiān)管人員。鋁制容器的生產(chǎn)制造對環(huán)境要求較高,一般現(xiàn)場均不具備獨立、整潔的制造車間條件。另外現(xiàn)場制造對工裝機具的調(diào)用成本較高,現(xiàn)場制造質(zhì)量監(jiān)管不及工廠內(nèi)制造。
綜上所述,考慮到制造質(zhì)量和制造成本等綜合因素,在有其他選擇的情況下,不宜采用現(xiàn)場制造方案。
在滿足廠內(nèi)制造和常規(guī)公路運輸?shù)那疤嵯拢謿謇淠骺刹捎昧⑹诫p層和臥式兩種形式。
1.立式雙層粗氬冷凝器的特點:
1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4836 mm×8728 mm,上層液空入口較高。
2)粗氬冷凝器上下層液空采用單獨進液和單獨回流的形式,上下層設(shè)置單獨液位計進行液位控制。導(dǎo)致運行時粗氬冷凝器的操作難度增加,并且上下層液空組分存在差異。
3)進出物料管口較少,配管相對簡單。
4)粗氬冷凝器與粗氬塔通過焊接復(fù)合,結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便。
2.臥式粗氬冷凝器的特點:
1)粗氬冷凝器尺寸約為Φ4650 mm×7000 mm,液空入口較低。
2)粗氬冷凝器只有單層液位,運行時操作較為簡單,液空組分均勻單一。
3)進出管口物料較多,配管相對復(fù)雜。
4)粗氬冷凝器與粗氬塔無法直接焊接復(fù)合。
同負(fù)荷條件下的臥式粗氬冷凝器與立式雙層粗氬冷凝器相比較,臥式粗氬冷凝器的體積更小更緊湊,操作更簡單更方便,液空入口更低,組分均勻單一,使其在冷箱布置和流程應(yīng)用上更靈活,適用范圍更廣泛。
該空分的氪氙產(chǎn)品便是從粗氬冷凝器的液空中提取,因此,運行時需嚴(yán)格控制液空組分,以達到提高氪氙產(chǎn)品產(chǎn)量的目的。因此,臥式粗氬冷凝器更能符合工藝設(shè)計的要求。
立式粗氬冷凝器常采用焊接方式將粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合在一起,不需要另外設(shè)置支撐。上述焊接復(fù)合形式不適用于臥式粗氬冷凝器與粗氬塔的復(fù)合,因此臥式粗氬冷凝器需考慮設(shè)置支撐。
根據(jù)以往經(jīng)驗,并參考臥式主冷的支撐模式,可考慮采用橫梁支撐或立式支座支撐。粗氬冷凝器的布置標(biāo)高一般在55~60 m,遠高于臥式主冷的25~30 m。因此,粗氬冷凝器所處位置的管道存在較大的垂直冷縮變形,數(shù)值在220~240 mm。如果設(shè)置單獨的固定支架,粗氬冷凝器不能與粗氬塔同步冷縮,則在管道設(shè)計時,需設(shè)置大量的冷縮補償結(jié)構(gòu),導(dǎo)致配管復(fù)雜化,同時成本增加,管路沿程阻力損失增大,不利于安裝和長期運行。
相對于臥式主冷而言,臥式粗氬冷凝器長度較短,重量較小,存在將粗氬冷凝器直接布置在粗氬塔頂端的可能性。通過結(jié)構(gòu)強度計算和多方案對比,最后采用螺栓連接的方式,將粗氬冷凝器復(fù)合在粗氬塔頂端。圖1是粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合示意圖。
圖1 粗氬冷凝器與粗氬塔復(fù)合示意圖
1.臥式粗氬冷凝器的安裝難度大于立式粗氬冷凝器,安裝精度更高。臥式粗氬冷凝器在安裝過程中,既要達到和塔復(fù)合后的整體垂直度要求,又要達到粗氬冷凝器本身的水平度要求。
2.臥式粗氬冷凝器進出管口較多,配管密度大,安裝工作量大,安裝要求更嚴(yán)格。
3.臥式粗氬冷凝器內(nèi)板式數(shù)量較多,實際運行時
可能存在板式偏流的情況。
隨著我國10萬等級和12萬等級的空分設(shè)備逐漸走向成熟,空分的等級將會不斷的提升,空分產(chǎn)品也將不斷多樣化,常規(guī)立式粗氬冷凝器已經(jīng)無法滿足空分發(fā)展的需求,臥式粗氬冷凝器將因其體積小,熱負(fù)荷大,便于運輸,流程適應(yīng)性強等特點,在10萬等級以上空分的設(shè)計中受到關(guān)注,可獲得廣泛應(yīng)用。