趙陽 石家美 邱百昌

摘 ?????要：壓縮機是石油化工裝置中的核心設備，在生產過程中對實現(xiàn)氣體壓縮、提高氣體壓力，對裝置的安全、平穩(wěn)運行起著至關重要的作用。通過對制氮裝置的設計，總結了壓縮機設備平面布置、管道柔性設計、支架支撐形式等設計要點，增加了壓縮機及其附屬管道的操作彈性及檢維便利。

關 ?鍵 ?詞：壓縮機;應力;管道;支吊架

中圖分類號：TH457 ??????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0158-04

Design of Nitrogen Compressor Piping

ZHAO?Yang， SHI Jia-mei， QIU Bai-chang

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.，?Liaoning Dalian116085， China）

Abstract： Compressor is the core equipment in petrochemical process units. It is main equipment to compress gas and increase gas pressure in the production process. In this paper， main points?in the design of compressor?in?nitrogen generation unit were?summarized， such as the rational equipment layout， the pipeline?flexible design， the?support form and so on.

Key words：?Compressor; Stress; Pipe; Hanger

往復式壓縮機工作基本原理是機體中的活塞通過上下的往復運動將一定容積的氣體在容積罐內產生周期性的運動進而提升氣體壓力。它的優(yōu)點在于在石油化工裝置中應用比較廣泛，技術成熟可靠，結構簡單，檢維修便捷;不足之處在于壓縮機工作時氣體管道容易產生振動，在設計時需要認真考慮。往復式壓縮機的結構形式有臥式、立式、W型、星形和對稱平衡型等^[1]。某石化公司制氮裝置是我公司2018年設計完成的項目，項目新建一套4 000 m³/h深冷空分制氮裝置，其中包括兩臺往復式氮氣壓縮機，壓縮機出口管道接入現(xiàn)有氮氣管網(wǎng)。

本文結合項目實例，論述了壓縮機平面布置、管道布置、支架設置等方面的內容，對氮氣壓縮機的設計要點進行了歸納和總結。

1 ?壓縮機平面布置

1.1 ?壓縮機及廠房的平面布置

制氮裝置往復式壓縮機為二級壓縮兩列對稱平衡型，采用一開一備工藝流程，壓縮機組布置在空分車間南側新增氮氣壓縮機廠房內，廠房尺寸24×15=360 m²，具體布置要點如下：

（1）裝置地理位置位于我國北方，冬季較為寒冷，壓縮機需布置在封閉式廠房內，同時考慮采暖;

（2）壓縮機廠房內介質為氮氣、水、儀表風等，無可燃介質，且廠房內只有壓縮機及其附屬設備（冷卻器、水箱、水站、潤滑油站），因此設備間無安全距離要求。壓縮機附屬設備級間冷卻器、油站按照壓縮機流程就近布置，同時考慮設備抽芯及檢維修空間;

（3）壓縮機廠房四周情況：廠房北側為裝置內道路、南側為系統(tǒng)管廊，廠房與相關設施無安全距離要求;廠房西側距離配電室4.5 m、東側距離裝置內泵房4 m。根據(jù)GB 50016 《建筑設備放火規(guī)范》第3.4條規(guī)定：相鄰兩座廠房間隔距離最少10 m。根據(jù)GB 50016《建筑設備放火規(guī)范》表3.4.1中注2要求：兩座廠房相鄰較高一面外墻為防火墻時，其防火間距不限，但甲類廠房間距不小于4 m?；谏鲜鰞牲c要求，壓縮機廠房東西側分別設置防火墻，滿足GB 50160《石油化工企業(yè)設計防火標準》及GB 50016《建筑設計防火規(guī)范》的要求，壓縮機廠房平面布置圖見圖1。

1.2 ?壓縮機廠房的高度設置

壓縮機廠房高度H主要分兩部分^[2]：吊車至屋頂高度H₁（建筑專業(yè)考慮），吊車下部至地面的檢修最小高度H₂（管道專業(yè)考慮）。其中，廠房檢修高度H₂設計是否合理對廠房內吊車能否正常使用、設備能否正常檢修十分重要。

若廠房內吊車高度偏高，造成投資浪費;若高度偏低，則吊車無法完成正常起吊，設備檢修件無法移送到檢修區(qū)域。因此，我們需要從以下幾個因素來確定廠房檢修高度H₂：

（1）首先確定壓縮機設備本體（固定件）頂部標高或設備進出口管道（固定件）頂部標高中較高的值A;

（2）了解最大檢修件尺寸及高度B;

（3）被起吊件必須跨越其他設備的高度C;

（4）被吊最大檢修件頂部和吊鉤中心的最小間隙D索具與垂直線角度不大于60°且最短不小于800?mm;

（5）吊車結構尺寸E;

綜合以上因素，吊車的最小高度：H₂=A+B+C+D+E;壓縮機廠房的最小高度：H=H₁+H₂，壓縮機廠房高度圖見圖2。

2 ?壓縮機管道布置

往復式壓縮機的工作特點是使一定容積的氣體呈間歇性、周期性的吸入、排出，因此不可避免的進、出口管道流體產生脈動引起管道振動，如不加以限制或排除，設備長時間運轉易造成機器的損壞、管道的破裂^[3]。

2.1 ?管道設計要點

（1）往復式壓縮機管道設計盡量減少氣體壓

力脈動，防止機械振動和振動的傳遞。壓縮機入口、出口管道均安裝緩沖罐且靠近壓縮機管口，如緩沖罐距離較遠應增多管架數(shù)量，避免因管道的溫升產生熱膨脹會對壓縮機管嘴及機殼有影響^[4];

（2）往復式壓縮機一般至少為2臺（一開一備），出入口管道閥門，壓力表、儀表閥組等盡量在操作側設置，方便巡檢人員觀察、檢修;

（3）在設備運行過程中，壓縮機的出、入口管道是最容易產生振動的地方，因此要合理布置管道走向，對管道進行應力分析（并聯(lián)壓縮機管道盡量不完全對稱布置），確定管道的支撐形式及間距;

（4）壓縮機管道上引出的小于DN50的分支管道及儀表管嘴至少應采用承插焊加強管接頭或者異徑三通，如有必要還需要在分支管上設加強筋，提升管系剛度，遠離振源^[5];

（5）壓縮機極其附屬設備、管道都采用獨立基礎，管道不能在支撐廠房內的梁柱上設置支架，需做獨立支架，采取防振措施;

（6）壓縮機廠房內吊車高度及壓縮機管道應提前規(guī)劃合理（見文章1.2條），避免兩者之間發(fā)生無法移送檢修設備的問題。

2.2 ?管道柔性設計

2.2.1 ?壓縮機入口管道設計

（1）壓縮機入口管道一般分兩部分：

（a）從廠房外氮氣緩沖罐經過管廊布置到廠房，管道一般沿管廊敷設，同時考慮管道振動;

（b）從廠房內到壓縮機入口緩沖罐，此部分管道沿地面布置，用管墩做支撐，高度一般在500 mm左右;

（2）壓縮機入口管道一般有入口切斷閥、過濾器及壓力表等，閥們沿地面敷設，無須設置操作平臺，但閥門和過濾器的自重改變了管道的荷載平衡，需在閥門前后方設置防振支架，支架在地面生根。

2.2.2 ?壓縮機出口管道設計

（1）壓縮機出口管道不僅因壓力脈動而產生振動，同時由于被氣體壓縮而使管道產生溫升膨脹，因此出口管道盡量沿地面布置，減緩管道振動對設備管嘴的受力和力矩，避免管道的推力作用到管嘴上，同時滿足管道應力不超過許用應力值。

（2）壓縮機出口管道一般沿地面布置，管道支撐在地面生根，管墩高度與入口管道相同，管道走向及管道支撐盡量不對稱設置，閥門設置原則與入口管道相同，儀表閥組的側線及閥門也沿地面敷設，支撐形式與入口管道相同，減少管道的振動提高壓縮機的性能，有利于延長壓縮機使用的壽命。

2.2.3 ?冷卻器與壓縮機緩沖罐的管道設計

氮氣壓縮機為兩級壓縮，級間冷卻器與緩沖罐之間的管道布置一般需考慮以下幾點：

（1）管道布置盡量沿地面敷設，支架在地面生根，高度同壓縮機出入口支撐一致，但需要考慮人員的檢修通道及冷卻器抽芯位置，保證人員能正常通行、沒有障礙物阻擋;

（2）每一級冷卻器殼程出口都設置安全閥，安全閥管道需要在地面布置，做防振支撐，在分支管與主管銜接處附近做防振支撐。

2.2.4 ?壓縮機輔助設備管道

在氮氣壓縮機附屬設備中主要有潤滑油站、水箱、水站、儀表盤等，在設計過程中一般考慮以下幾點：

（1）潤滑油站廠家撬裝提供，潤滑油泵、冷卻器布置在撬塊上，節(jié)省空間，布置時一般將其布置在壓縮機氣缸前地面處（廠家給出建議方位），同時要考慮撬塊上冷卻器的抽芯空間，滿足檢修需要。撬塊上附屬管道與壓縮機連接處廠家考慮，共用工程管道設計方考慮（水、氣、風等），保證撬塊的操作和檢修方便;

（2）在氮氣壓縮機廠房內，水站一般建議布置在壓縮機操作側空地，同時將水箱布置在其上方設置水箱平臺，優(yōu)點在于：①附屬管道與壓縮機主體管道同在一側，管道規(guī)劃時可統(tǒng)一考慮;②水箱一般需要增設平臺，高度較高，如考慮不周容易影響檢修區(qū)域的設備吊裝;

（3）儀表盤一般設置在壓縮機氣缸正前方、便于操作人員觀察和檢修的地方，但要考慮是否影響周圍設施的檢修空間。

2.2.5 ?管道支架受力情況

本文結合制氮裝置其中一臺氮氣壓縮機為例，通過合理的管道布置，適當?shù)闹涡问?，將管道受力控制在一定的范圍內，保證壓縮機平穩(wěn)正常運行。管道應力模型見圖3，主要節(jié)點受力值見表1。

3 ?管道支架設置

3.1 ?支架設置原則

（1）往復式壓縮機出入口管道、級間緩沖罐出入口管道支架需設置獨立基礎，不能同建筑物和壓縮機基礎聯(lián)合在一起，管道支架宜沿地面敷設，

（2）抗震支架的位置盡量不要對稱設置，可錯開安裝。多臺壓縮機出口管道一般平行布置，支架管墩位置盡量間距不等;

（3）由于在閥門處會對管道閥門前后產生壓差、在三通及彎頭處管道流向改變產生管道振動，因此在此處應設置防振支架。

3.2 ?支架設置形式

（1）往復式壓縮機管道系統(tǒng)的支架應采用防震管卡或固定支架，不能簡單采用支托，更不能采用吊架，支架材料一般采用Q235B，管托底板必須與生根部位的預埋鋼板焊接牢固;

（2）防振管卡不得采用U型螺栓式管卡，應用扁鋼制作，且防振管卡與管道間應墊3 mm橡膠石棉襯墊或軟木;

（3）防振支架的受力及推力值需經過應力分析計算，結構和支架的生根部分應滿足計算值的要求;

（4）壓縮機管道支撐主要分為三種：水平管道支撐、豎直管道支撐及高空管道支撐。支撐的形式見圖4-圖6。

4 ?結論

綜上所述，往復式壓縮機一般集中布置在封閉式或者半敞開式廠房內，壓縮機出入口管道要同時兼顧管道柔性及管道振動，管道支架基礎之間距離不等且要相互獨立，選用防震管托和管卡。

在一定程度上滿足管道柔性要求及管道對管口作用力的前提下，最大限度地降低管道壓降以滿足操作的要求。合理的設計將在一定程度上降低工程投資，增加操作及檢修的便利，確保管道及裝置運行的安全。

參考文獻：

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