化工類空冷器的設備布置及管道布置設計研究

張 軍

(華陸工程科技有限責任公司，陜西西安 710065)

對于石油化工行業而言，空冷器是一種常見的設備，該種設備主要對介質進行換冷使用，在對其進行設計安裝的過程中，除了需要滿足介質的換冷需求以外，還具有一定的特點和要求，與傳統的水冷設備相比，空冷器的使用可以節約大量的水資源，同時，可以避免水資源的污染問題，目前，空冷器已經得到了大面積的推廣和使用[1]。對于空冷器的安裝設計問題，如果設計不當，不但會使得介質換冷效率大大降低，同時，還會引發一定的安全事故，因此，十分有必要對空冷器及其配管的安裝及設計進行研究，并對管道進行應力計算和校核。

1 空冷器布置

1.1 空冷器布置的基本要求

一般情況下，空冷器最好安裝在化工企業的管廊內，在進行布置設計的過程中，首先需要對設備進行計算選型，從而滿足日常生產的需求，同時，空冷器的選擇也需要考慮化工企業內管廊的尺寸[2]。為了使得空冷器布置符合相關要求，對于水平式的空冷器而言，其配管的長度推薦使用12 m、9 m、6 m三種型號；對于斜頂式的空冷器而言，其配管長度推薦使用6 m的型號。對于空冷器的管道架構而言，推薦使用11.5 m×6 m、8.7 m×6 m、5.7 m×6 m三種型號，此時所對應的管廊長度分別為11.5 m、8.7 m、5.7 m。在另一方面，在對空冷器進行布置設計時，也需要考慮管道的走勢，盡可能降低管道的高度，即進行低管配置，盡可能避免出現管道U形彎狀況，管道的長度應盡可能縮短。如果空冷器需要對兩相流進行換冷處理，或者設備出口部位沒有專門的閥門，則對管道進行設計安裝時，應盡可能做到管道平行對稱，從而使得設備出口位置處的流量可以達到均勻[3]。

1.2 空冷器布置應避免熱風循環

空冷器在使用的過程中，主要是通過外界空氣來對內部的介質進行換冷，因此，該設備入口位置處外界空氣的溫度會對其日常工作產生較大的影響，如果該設備的布置安裝出現問題，導致設備入口處的溫度高于周圍環境的溫度，則會使得設備的工作效率大大降低，如果設備需要在夏季工作，則出現該問題所導致的后果將更加嚴重[4]。引起該問題的原因主要有兩點：(1)空冷器設備與工廠內高溫設備的距離相對較近，導致該設備運行過程中吸收了大量的高溫氣體；(2)空冷器設備在運行的過程中，其出口將會排出一定量的熱量，如果部分熱量被吸回設備，也會導致該問題出現，這種現象可以稱為熱量循環，一般情況下，應盡可能避免該問題。

為了降低空冷器受到其它設備的影響，在進行設備布置的過程中，應盡可能將其安裝在下風向的位置。對于熱量循環問題，經過實驗研究發現，如果出現該問題，則設備入口處的溫度將會升高5 ℃，從而使得空冷器內外溫差達到15 ℃，空冷器的工作效率將會降低30%，因此，避免熱量循環問題更為關鍵，為了防止出現該問題，空冷器的布置還需要考慮夏季的風向問題。在進行布置的過程中，在空冷器上風向20 m～25 m的范圍內，應盡可能不出現大型設備，從而防止影響空冷器的通風問題，一般通風問題解決，就不會出現熱量循環問題。另一方面，如果空冷器需要處理低溫介質，則空冷器應盡可能安裝在上風向的位置，進一步避免出現熱量循環問題。如果上述要求都無法被滿足，則在進行空冷器設計安裝的過程中，需要專業人員的參與，同時，需要將設備的設計溫度提高1.5 ℃～4.0 ℃。在進行空冷器布置的過程中，還需要滿足三點要求：(1)如果需要多臺設備配合使用，則設備之間不能存在間隙；(2)如果多臺設備無法被同時放置在同一位置，則應盡可能保證多臺設備處于同一高度；(3)不同類型的空冷器不能進行混合布置，如果必須進行混合布置，則不同類型空冷器的管束或風扇應保證平齊，圖1為不同類型空冷器的布置示意圖。

圖1 不同類型空冷器的混合布置示意圖Fig.1 Mixed layout schematics of different types of air cooler

2 空冷器的管道布置

對于空冷器管道的設計布置問題，除了需要滿足管道的基本布置要求以外，還應盡可能使其經濟可靠。同時，還需要滿足一定的維修、操作及日常維護需求?？绽淦鞴艿赖牟贾靡簿哂幸欢ǖ奶攸c，首先，管道應盡可能保持對齊，從而使得多組設備之間的流量可能達到均勻的目的[5]；其次，在空冷器分支管道的前方必須設計一定長度的主管道，從而實現流量均勻分配的目的；最后，為了防止管道的盲段位置處出現腐蝕問題，則管道與管道之間應盡可能使用彎頭進行連接。圖2和圖3即為常見的空冷器管道布置示意圖。

圖2 空冷器典型管道設計示意圖Fig.2 Drawing of typical pipeline design for air cooler

圖3 空冷器典型管道設計示意圖Fig.3 Drawing of typical pipeline design for air cooler

一般情況下，空冷器的管道架構都是采用的“門”型框架，從而達到管道支撐的目的。如果管道的距離相對較短，則可以使用空冷器作為支架，但是，這種情況需要根據空冷器的基本結構而定。如果管道的距離相對較長，則第一個管道支架與設備之間的距離不得小于500 mm，同時，支架的設計需要專業人員來進行。為了使得管道方便檢修和維護，在其框架的周圍必須安裝專門的平臺，平臺的大小需要根據工廠的實際情況確定。如果工廠內采用的是單管程型的空冷器，則框架周圍檢修平臺的寬度應保持在800 mm～1 000 mm之間；如果工廠內采用的是雙管程型的空冷器，則框架周圍管箱進出口部位的檢修平臺寬度應保持在1 000 mm～1 200 mm之間，其它位置檢修平臺寬度應保持在800 mm左右，同時，管箱進出口部位應安裝專門的閥門。在另一方面，為了使得管道閥門方便被檢修，則管箱周圍的檢修平臺應處于連通狀態，平臺之間的連接寬度應大于800 mm[6]。一般情況下，檢修平臺的高度應低于管道高度，從而使得工作人員更方便操作管道及其閥門，檢修平臺的兩端應安裝專門的梯子，如果工廠內有較大的空間，則最好選擇使用45°的斜梯。在另一方面，由于空冷器設備入口部位的管道相對較高，所以，在入口管道相對較長的情況下，應設計專門的支架進行管道支撐，在設計支架的過程中，應避免支架影響管道的整體檢修，同時其應力也應符合相關要求。

3 空冷器管道應力計算

一般情況下，空冷器的管嘴位置處最容易出現泄漏問題，因此，該位置處的應力需要專門的計算，其熱脹應力不得超過設備出廠時的應力要求，如果設備制造商沒有對其進行應力測試，則管道應力可以按照API661標準的2倍值進行計算。如果管嘴位置處的應力計算值超過了相關要求，則必須增加管道的柔性。管道應力的計算主要包括三個方面，分別是管道的環向應力、軸向應力以及溫度應力，每項應力計算值都必須滿足相應的標準要求，每種應力的計算公式如下所示。

(1)管道的環向應力：

式中：p——管道內流體介質的壓力，MPa；d——空冷器管道的內徑，mm；δ——空冷器管道的壁厚，mm。

(2)管道的軸向應力：

σa=Ea(t0-t1)+μσn

式中：σa——空冷器管道軸向應力的計算值，MPa；E——空冷器管道所選鋼材的彈性模量：a——空冷器管道所選鋼材的膨脹系數：t0——空冷器管道的安裝溫度，℃；t1——空冷器管道的工作溫度，℃；σn——空冷器管道的環向應力，MPa；μ——空冷器管道的泊松比，取0.3。

(3)管道的溫度應力：

σt=αEΔt

式中：α——空冷器管道所選管材的膨脹系數，一般取1.2×10-5/℃；E——空冷器管道所選管材的彈性系數，一般取2.06×105MPa；Δt——空冷器管道工作溫度與施工溫度之差，℃。

當管嘴位置處應力計算不滿足要求時，需要通過附加位移的方式來增加管道的柔性，附加位移的方法主要有兩種，首先可以根據設計院的計算結果，要求空冷器的生產單位在生產的過程中在管嘴位置處增加一定的位移；其次可以根據設備的結構，根據計算結果自行增加位移。一般情況下，空冷器的生產單位并不會根據用于需求進行特別的調整，所以大多數情況下需要使用者根據應力計算結果進行自行增加位移。在自行增加位移的過程中，如何確定設備固定點的位置是一項關鍵問題。一般情況下，管箱都會存在浮動問題，這樣可以降低管道的變形問題，此外，對管道進行安裝的過程中，管道吊裝到制定位置以后，需要將管箱與框架之間的螺栓松開，從而管道在上方位置出現活動空間，同時，在空冷器開始工作以后，也需要將管箱兩端位置處的鉚釘松開，從而使得管箱在工作的過程中可以自動活動，從而防止管道熱脹冷縮出現變形問題。由以上分析可以發現，空冷器的管箱即處于一段固定另一端活動的狀態，因此，空冷器的基本結構如圖4所示。

圖4 空冷器基本結構圖Fig.4 Basic structure chart of air cooler

通過圖4可以發現，在對管嘴位置進行附加位移計算的過程中，空冷器的入口位置方向可以將管箱看作是設備的固定點，其它方向均可將空冷器設備的中點看作是設備的固定點，這就解決了固定點的尋找問題。不同類型設備固定點的選擇可能會出現一定的誤差，在實際生產的過程中，可根據研究所提出的固定點位置，對管道的附加位移進行計算，并將計算結果與廠家所提供的結果進行對比，反向確定固定點的準確位置。

4 結論

綜上所述，化工企業內空冷器及其管道的布置設計十分重要，不但影響空冷器的使用效率，還將會對空冷器的使用安全產生一定的影響。研究發現，在對空冷器的配管長度進行選擇時，應根據空冷器類型的不同進行合理的選擇，同時，在空冷器上風向20 m～25 m的范圍內，應盡可能不出現大型設備，從而防止影響空冷器的通風問題，其次，空冷器管道支架與空冷器設備之間的距離不易過短，應盡可能大于500 mm，在管道設計完成以后，需要對管道進行應力校核，以此保障管道符合安全性的要求。