侯貴軍

（東洋工程（上海）有限公司，上海 200124）

化工裝置設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到高溫高壓、兩相流、低溫、真空、塔頂氣相管線的設(shè)計(jì)，這些管線往往管徑比較大，通常會(huì)影響設(shè)備整體布置，管道布置不合理也會(huì)影響工廠的安全運(yùn)行，提高運(yùn)營(yíng)成本。某生產(chǎn)乙醇胺的化工裝置已有一套在運(yùn)行，由于市場(chǎng)需求旺盛，現(xiàn)新建一套，工藝上有部分優(yōu)化調(diào)整。工程設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)現(xiàn)有裝置的走訪調(diào)查及工廠運(yùn)營(yíng)管理人員的介紹，發(fā)現(xiàn)管道布置上有些地方需要優(yōu)化調(diào)整。本文以反應(yīng)系統(tǒng)管道布置為例，通過(guò)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行管道布置優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)管道布置分析研究及優(yōu)化

反應(yīng)系統(tǒng)為環(huán)氧乙烷和氨水在高壓下反應(yīng)生成乙醇胺，反應(yīng)器為多層夾套管反應(yīng)器，環(huán)氧乙烷和氨水分別通過(guò)高壓泵增壓后進(jìn)入夾套管內(nèi)管預(yù)熱、反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中放出大量熱量，放出的熱量通過(guò)夾套管外管內(nèi)的熱水系統(tǒng)移出。由于反應(yīng)工藝需要，夾套外管內(nèi)的熱水溫度要控制在120℃左右，為了防止熱水在夾套外管內(nèi)汽化，影響換熱效果，需要給熱水系統(tǒng)保持0.8MPa的壓力。出反應(yīng)器的熱水減壓汽化形成兩相流進(jìn)入緩沖罐，汽化后的蒸汽通過(guò)緩沖罐上部的換熱器冷卻至液體回流至緩沖罐，熱量被移出的熱水通過(guò)緩沖罐底部的泵打入反應(yīng)器夾套外管循環(huán)使用。

在走訪調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，熱水系統(tǒng)減壓閥后的立管及至緩沖罐的集合管振動(dòng)明顯，站在混凝土樓面上能感覺(jué)到明顯震感。工廠委托設(shè)計(jì)單位通過(guò)支架位置及型式優(yōu)化調(diào)整后均未明顯減除管道系統(tǒng)的振動(dòng)情況。此問(wèn)題一直困擾工廠運(yùn)營(yíng)人員，存在安全隱患，建議在新建裝置中改進(jìn)。原有熱水系統(tǒng)的走向如圖1所示：

圖1 原有熱水系統(tǒng)圖

通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有熱水系統(tǒng)的減壓閥全都放在立管上，減壓后的熱水形成汽液兩相流，使手閥后DN100的立管內(nèi)充斥大量液體。DN300的主管也有向上的一個(gè)拐點(diǎn)，使得集合管內(nèi)一直存有液體，很難自流進(jìn)入緩沖罐。減壓閥后的管道系統(tǒng)內(nèi)有大量液體與減壓后生成的蒸汽形成汽液混相流，當(dāng)流速增加或改變流向時(shí)會(huì)引起水擊，是整個(gè)管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因。

減少管系振動(dòng)就要消除減壓閥后管道系統(tǒng)內(nèi)積存的液體，使其能自流入緩沖罐，合理設(shè)置管道支架以改變管道系統(tǒng)的固有頻率。新建項(xiàng)目改進(jìn)方案為：①在混凝土樓面上部增設(shè)局部鋼平臺(tái)，將減壓閥及手閥放置在鋼平臺(tái)上部的橫管上，并靠近集合管，集合管至緩沖罐設(shè)置一定的坡度。②手閥后管道擴(kuò)徑至DN200，使減壓后的汽液兩相進(jìn)入一個(gè)較大的空間，降低流速，消除一部分沖擊力。③DN200支管與DN300集合管連接處采用順流體流向方向45°插入，以減少對(duì)集合管的沖擊力。④根據(jù)應(yīng)力分析報(bào)告，在合適位置設(shè)置支架。此方案在很大程度上解決了管道系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題。優(yōu)化后的管道系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后熱水系統(tǒng)圖

2 氨水進(jìn)料管道布置分析研究及優(yōu)化

根據(jù)工藝要求，氨水需要增壓至10MPa進(jìn)入反應(yīng)器，采用兩級(jí)高壓屏蔽泵增壓，第一級(jí)增壓至6MPa，第二級(jí)增壓至10MPa。在第二級(jí)增壓泵出口有一路回流管線至氨水罐。受場(chǎng)地空間限制，現(xiàn)有裝置設(shè)備及管道布置時(shí)將泵進(jìn)出口管線上的閥門、壓力表等全部放置在泵上方與上層樓面之間的夾層鋼平臺(tái)上。根據(jù)泵廠家提供的管口受力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)應(yīng)力計(jì)算，需要在每級(jí)泵出口管線上設(shè)置彈簧支架。由于管徑較大（DN100），閥門操作時(shí)需要兩個(gè)操作人員協(xié)作完成，開(kāi)停高壓泵時(shí)，鋼平臺(tái)下方還需要一名操作人員。如此布置，工廠正常運(yùn)營(yíng)時(shí)需要多配備操作人員，閥門、儀表檢維修時(shí)需要在鋼平臺(tái)上完成，也帶來(lái)諸多不變。原有工廠主要管道走向圖如圖3所示。

圖3 原有氨水進(jìn)料管道系統(tǒng)圖

通過(guò)與技術(shù)方及現(xiàn)場(chǎng)操作人員技術(shù)交流得知：技術(shù)方出于對(duì)彈簧支架穩(wěn)定性的擔(dān)憂，要求在新項(xiàng)目中的高溫高壓管線上盡量避免使用彈簧支架?，F(xiàn)有裝置兩級(jí)增壓泵之間的邏輯關(guān)系如上圖所示，A、B泵為一開(kāi)一備，兩臺(tái)一級(jí)增壓泵的出口管線合并成一路再分成兩路分別到兩臺(tái)二級(jí)增壓泵。如此設(shè)計(jì)是為了使一臺(tái)一級(jí)增壓泵對(duì)應(yīng)兩臺(tái)二級(jí)增壓泵，以降低由于增壓泵故障引起裝置停車的概率。但在實(shí)際生產(chǎn)操作中，從未發(fā)生過(guò)兩臺(tái)泵同時(shí)發(fā)生故障的情況。故在新項(xiàng)目中技術(shù)方在爭(zhēng)得運(yùn)營(yíng)方同意后將兩級(jí)增壓泵之間的邏輯關(guān)系改為一對(duì)一，即一臺(tái)一級(jí)增壓泵對(duì)應(yīng)一臺(tái)二級(jí)增壓泵。如此一來(lái)就節(jié)省4臺(tái)一級(jí)增壓泵出口至二級(jí)增壓泵進(jìn)口管線的切斷閥，簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)的邏輯關(guān)系。根據(jù)以上工藝調(diào)整，本著方便操作維修，節(jié)約建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本的原則，新建項(xiàng)目對(duì)設(shè)備和管道布置做了如下優(yōu)化調(diào)整：①兩臺(tái)一級(jí)增壓泵布置在兩側(cè)，二級(jí)增壓泵在中間錯(cuò)開(kāi)布置，取消泵上方的鋼平臺(tái)。②所有閥門、儀表等都布置在地面上人員容易操作的地方。③改變管道走向，根據(jù)應(yīng)力分析報(bào)告設(shè)置支架，取消彈簧支架。優(yōu)化后的管道系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后氨水進(jìn)料管道系統(tǒng)圖

3 環(huán)氧乙烷進(jìn)料管道布置分析研究及優(yōu)化

根據(jù)工藝要求，環(huán)氧乙烷進(jìn)入反應(yīng)器前同樣需要增壓至10MPa，通過(guò)單體三聯(lián)式高壓隔膜泵為環(huán)氧乙烷增壓。泵廠家在設(shè)計(jì)時(shí)為降低泵出口處流體的脈動(dòng)影響及減少整個(gè)管路系統(tǒng)的振動(dòng)，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果在泵進(jìn)出口處各設(shè)置了一個(gè)100L的圓形空罐作為緩沖罐，緩沖罐低點(diǎn)處各設(shè)置了一個(gè)放凈口。環(huán)氧乙烷為致癌物，加熱時(shí)劇烈分解，極易燃，與空氣的混合物快速壓縮時(shí)，易發(fā)生爆炸。由于物料的危險(xiǎn)性極高，因此在整個(gè)管路系統(tǒng)中要求環(huán)氧乙烷的存量最少，在泵進(jìn)出口各設(shè)置一個(gè)100L的緩沖罐，無(wú)形間增大了環(huán)氧乙烷的儲(chǔ)存量，存在安全隱患。每次更換隔膜時(shí)需將緩沖罐內(nèi)的環(huán)氧乙烷排凈，造成經(jīng)濟(jì)損失。

另外，根據(jù)工廠反饋，現(xiàn)有裝置高壓隔膜泵的隔膜每年需要更換兩到三次，影響正常運(yùn)行，造成生產(chǎn)損失。由于三個(gè)單體泵頭間沒(méi)有切斷閥，檢維修用氮?dú)獯祾邥r(shí)很難判斷是否吹掃干凈。希望在新項(xiàng)目中能分析原因，解決隔膜使用壽命和檢維修吹掃方便的問(wèn)題。原有工廠管道走向圖如圖5所示。

圖5 原有環(huán)氧乙烷進(jìn)料管道系統(tǒng)圖

從安全生產(chǎn)和成本節(jié)約方面考慮，需要解決高壓隔膜泵進(jìn)出口緩沖罐的問(wèn)題。技術(shù)方經(jīng)過(guò)與隔膜泵廠家?guī)纵喌募夹g(shù)交流后，確定用脈沖阻尼器替代隔膜泵自帶的緩沖罐，阻尼器上部采用氮封以達(dá)到降低隔膜泵出口液體脈動(dòng)的作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出隔膜泵進(jìn)口阻尼器容積為50L，環(huán)氧乙烷在里面保持一定液位，液位上部用氮?dú)馓畛?。隔膜泵出口阻尼器容積分為兩部分：下部50L，環(huán)氧乙烷在內(nèi)保持一定液；上部有2.2m3用高壓氮?dú)馓畛?。單臺(tái)隔膜泵檢修時(shí)，只需切斷泵進(jìn)出口管道上的切斷閥，將泵內(nèi)的少量環(huán)氧乙烷放凈即可。另外在每個(gè)泵頭下部的進(jìn)料口處加裝切斷閥用于解決每個(gè)泵頭單獨(dú)吹掃的問(wèn)題。在正常生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整隔膜泵變頻電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)流量，將運(yùn)行方式由原來(lái)的一開(kāi)一備改為兩臺(tái)隔膜泵同時(shí)運(yùn)行，流量各為50%，以此降低隔膜的使用頻率，延長(zhǎng)使用壽命，爭(zhēng)取在工廠大修期間統(tǒng)一更換隔膜。為最大限度地降低流體脈動(dòng)，需要管道嚴(yán)格的對(duì)稱布置并且到進(jìn)出口脈沖阻尼器的距離最短，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)以使用最少?gòu)濐^為依據(jù)，管道支架全部采用防振管卡。優(yōu)化后的管道系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后環(huán)氧乙烷進(jìn)料管道系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

每個(gè)化工裝置的管道布置既有共性也有其專有特性。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)所掌握專業(yè)知識(shí)對(duì)工程設(shè)計(jì)提出一些合理化建議，充分考慮各種因素，特別是在遇到一些特殊管道（如高溫高壓、兩相流、低溫、真空）的設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，既要考慮建設(shè)成本也要考慮運(yùn)營(yíng)維修成本。本文通過(guò)對(duì)整套裝置核心部分原有設(shè)計(jì)的分析研究，對(duì)兩相流、高壓等易產(chǎn)生振動(dòng)的管道布置提出了優(yōu)化方案，降低了不利因素對(duì)工程的影響，對(duì)類似化工裝置的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。