蔡軍

空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司 （上海 201499）

空分后備系統(tǒng)是空分裝置不可或缺的部分，其作用在于空分裝置因故障停車或者檢修時，將液氮或液氧儲罐內(nèi)儲存的低溫液體汽化后給下游用氣裝置進行供氣，避免下游生產(chǎn)裝置因緊急停車而產(chǎn)生大量的經(jīng)濟損失。后備系統(tǒng)供氣的持續(xù)時間主要取決于兩個因素，即儲罐的容積和后備泵的流量。這就需要在后備系統(tǒng)供氣時間和投資費用之間進行權衡取舍，最終實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。[1]

隨著空分裝置工藝的日益完善，從工藝優(yōu)化方面減少投資費用越來越難。經(jīng)過分析大量正在運行裝置的使用反饋，總結(jié)了后備系統(tǒng)供氣時間和投資費用之間的經(jīng)驗公式。因此要持續(xù)深入地優(yōu)化設計和降低投資費用，就不得不聚焦于后備系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)，力圖采用新思路和新產(chǎn)品來降低土地使用率、設計和制造費用等。

1 后備系統(tǒng)的組成和實例

1.1 后備系統(tǒng)的組成

后備系統(tǒng)主要有三大組成部分：低溫儲罐、低溫后備泵以及低溫液體蒸發(fā)器，具體見圖1。

圖1 液氮后備區(qū)域工藝流程

1.1.1 低溫儲罐

低溫低壓儲罐目前大部分使用雙層平底罐，內(nèi)外罐中間填充珠光砂（膨脹珍珠巖），少部分國外項目的液氧儲罐也會選用臥式罐。儲罐供應商的選擇一般集中在1～2 家，相對比較固定，中間不免有對于所供產(chǎn)品的信任度及穩(wěn)定性的考慮。

1.1.2 低溫后備泵

低溫后備泵一般選用離心泵。根據(jù)輸送壓力的不同可以分為單級泵和多級泵，根據(jù)安裝方式的不同可以分為立式泵和臥式泵，根據(jù)支撐形式的不同可以分為彈簧吊架和固定支座支撐。低溫泵的選用一般集中在2 家供應商之間進行采購。

1.1.3 液體蒸發(fā)器

液體蒸發(fā)器通常分為水浴式和空浴式，空浴式通常選用翅片管式蒸發(fā)器，效果良好，蒸發(fā)量可靠。

1.2 后備系統(tǒng)選用實例

以空氣化工產(chǎn)品（濱州）有限公司的液氧和液氮的后備系統(tǒng)為例，其產(chǎn)品分別為液氧（氧體積分數(shù)≥99.6%）、經(jīng)汽化液氮［ρ（O2）≤7.145 mg/m3］。選用的儲罐分別為1 600 m3的低壓液氮平底罐和1 350 m3的低壓液氧平底罐。液氮低溫泵選用多級臥式泵ZP 3/170 和多級立式泵ZP 10/200，液氧泵選用多級立式泵VP 4/240。該項目中ZP 3/170 為新采用的多級臥式泵，相較于同級別的立式泵，能有效降低設計及制造成本。同時采用了增加防護墻的設計，減少了氧泵箱及閥箱的占地面積，優(yōu)化了土地的利用率，能在一定程度上降低投資成本。

2 后備系統(tǒng)液氮泵的選型優(yōu)化

通常在項目剛開始詢價時，低壓力的離心泵可以選擇臥式泵（外形見圖2）或立式泵。當然，需要考慮不同廠家泵的必需汽蝕余量（NPSHr）以及液氮儲罐的放置高度及特性曲線（見圖3）等。在同等情況下，推薦選用臥式泵。

圖2 液氮泵的外形

圖3 設計工況下的液氮泵曲線

2.1 泵的性能及型號

目前使用的多級臥式泵最高級數(shù)為3 級，泵的葉輪直徑約為170 mm，出口壓力約為1.23 MPa，泵進口在泵體上部、出口在泵體側(cè)面（泵數(shù)據(jù)見表1）。

表1 液氮泵性能參數(shù)

2.2 優(yōu)化方式及效果

目前，制造工廠先制作撬塊再運送到現(xiàn)場進行整體安裝的方式，已經(jīng)在后備系統(tǒng)的泵箱制作中被廣泛應用。其優(yōu)勢對于北美及中東等人工費用高昂的地區(qū)更加明顯。然而，撬塊制造工廠在項目開始時對選用立式泵和臥式泵的估價會有區(qū)別。因為如果選用立式泵，由于存在泵箱的設計，設計和制造費用往往更高。而以往大部分使用的臥式深冷泵都是單級離心泵，很難滿足不同項目的壓力和流量需求?？紤]到多級臥式離心水泵的應用比較成熟，直接咨詢泵廠商，了解深冷泵是否有同樣的臥式多級離心泵的設計。在初版泵圖紙確定后，根據(jù)泵的進出口位置進行管道適配。

能降低設計和制造成本的原因在于，根據(jù)產(chǎn)品標準化設計原則，對立式泵采用泵箱設計（見圖4），并在工廠內(nèi)完成撬塊制作后直接運送至現(xiàn)場。而如果選用水平泵，則不需要泵箱的撬塊，直接由泵廠家發(fā)往項目現(xiàn)場即可。但是由于泵的個別差異性，導致泵箱很難完全標準化設計，這樣取消泵箱不僅可以節(jié)約設計成本，更重要的是能節(jié)省大量制造成本，比如焊工的人工費用、碳鋼及不銹鋼的材料費用、檢測試壓及泵箱的運輸費用等。

2.3 優(yōu)缺點分析

選用臥式泵的優(yōu)勢十分明顯，而且后期兩家主要的泵廠家都有類似產(chǎn)品，相較于同等情況下的立式泵，該型臥式泵價格并沒有太大差別。然而，相較于普通的多級臥式離心泵能做到更高的級數(shù)和揚程，就目前所知，在項目中所使用的深冷泵最大到3級，葉輪直徑為260 mm，在高壓儲罐后備系統(tǒng)中仍然使用立式多級泵。

另外，由于多級臥式泵本身的設計問題，整個泵的重心偏離支撐點，因此只能采用混凝土固定支撐，這樣就導致泵進出口管線的應力計算相對復雜，甚至需要增加膨脹節(jié)。

3 后備系統(tǒng)液氧泵布置的優(yōu)化

眾所周知，液氧儲罐相對于液氮來說有更大的風險，比如氧氣的泄露和碳氫化合物的積聚等，尤其是高壓液氧（≥4 MPa）系統(tǒng)中。而高壓儲罐入口的緊急切斷閥是其中的安全重點。本次優(yōu)化主要針對在縮短高壓液氧泵與儲罐距離的情況下，對儲罐入口的緊急切斷閥進行保護。

3.1 液氧泵的布置要求

考慮到緊急切斷閥的重要性，以及行業(yè)內(nèi)關于緊急切斷閥損壞事故的反饋，要求泵箱和閥箱外壁遠離緊急切斷閥至少10 m 以上，以防止由于氧氣泄露引起的爆炸而產(chǎn)生的物體飛濺砸壞或影響緊急切斷閥的使用（詳見圖5）。

圖5 液氧泵箱布置要求

按照空分裝置安全規(guī)范要求，管徑不低于DN50 的低溫液體管線上應設置緊急切斷閥，并且應該盡量靠近儲罐的外罐壁，以便于緊急情況下關閉后對相關系統(tǒng)進行維修。通常緊急切斷閥要求具備現(xiàn)場和遠程緊急切斷的功能。

3.2 優(yōu)化方式及效果

本次優(yōu)化的方向主要集中在縮短泵箱和液氧儲罐之間的距離，起到節(jié)約土地的目的。把泵箱放置在儲罐周邊10 m 的距離內(nèi)之后，就必須要解決緊急切斷閥的防護問題。按照設計規(guī)定，緊急切斷閥需要放置在儲罐下方，通過儲罐的支撐板防止來自垂直方向的對于緊急切斷閥的威脅。但對于側(cè)面的威脅目前尚無防護措施，因此在泵箱與緊急切斷閥之間增加了一堵防護墻，墻的寬度和高度以沒有物體能從可見區(qū)域飛過來擊傷閥門為原則，每一套泵箱使用一面墻進行防護。圖6 為完成后的防護墻及緊急切斷閥的相對位置關系。

圖6 優(yōu)化后防護墻效果圖

經(jīng)過布置上的優(yōu)化后，儲罐外圍的區(qū)域能更加合理地對冷液蒸發(fā)器及其他小罐子的位置進行布置，留出更多的預留用地進行后續(xù)規(guī)劃以及新增裝置等用途。

3.3 優(yōu)缺點分析

該優(yōu)化目前只針對于液氧平底罐，經(jīng)過優(yōu)化，比原來的位置可以縮短4 m 左右的距離。理論上，連接儲罐和泵箱的管線進一步優(yōu)化后可以縮短1～2 m，通常在一個儲罐上設置兩套泵箱，一開一備，能更緊湊地進行布置，高效地利用土地。不足之處在于，當選用3 套甚至4 套泵箱時，儲罐下設置的防護墻也會相應增加，導致土建在進行樁位設計時很難對支撐樁進行合理的排布。雖然根據(jù)目前的項目經(jīng)驗，單個液氧儲罐使用3 套泵箱的情況不多，但防護墻和儲罐支撐樁的合理分布可進一步優(yōu)化。大致的方向為使防護墻跟儲罐上部的混凝土承臺連接，使其能承受一部分儲罐的質(zhì)量，當然防護墻的強度和設計會進行相應修改，需要結(jié)合相應施工費用等進行綜合分析。另一個不足是施工時會增加防護墻的費用，但對于更有效的土地利用來說該費用可忽略不計。

4 結(jié)語

綜上所述，對于設計和制造的優(yōu)化只能確保在現(xiàn)有信息和技術儲備下具有最優(yōu)價值，并且均已在項目中成功應用。但隨著新技術的應用和更多新信息的獲取，相信還會觸發(fā)進一步的優(yōu)化和完善，比如組成部件的國產(chǎn)化應用。

在空分工藝和設備制造越來越成熟的當下，不同廠家的產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象越來越嚴重，這種在精細化管理和成本控制思想指導下的優(yōu)化，從設計及制造的各個環(huán)節(jié)入手，從產(chǎn)品質(zhì)量、交貨周期以及產(chǎn)品占地面積的大小等重要因素發(fā)力，來增加產(chǎn)品的競爭力。

只有通過采用新產(chǎn)品、新技術并結(jié)合自身產(chǎn)品的特點不斷進行優(yōu)化，加上對土地的合理高效使用，做到有利于自身的發(fā)展也有利于客戶的發(fā)展，才能持續(xù)保持產(chǎn)品的核心競爭力，真正做到空分后備系統(tǒng)的產(chǎn)品完全標準化和成本最優(yōu)化，繼而實現(xiàn)效益最大化。