前言
空分設備冷箱內管道都是在常溫下安裝、低溫下( 一般在－180℃左右) 運行，選用的管道及管件材質基本上是耐低溫的鋁合金和奧氏體不銹鋼。與普通的工藝管道不同，空分冷箱內管道的設計、應力分析和安裝檢驗環節中的任何一個出現問題，都有可能引起冷箱內管道嚴重變形、拉裂，造成介質泄漏，甚至破壞容器設備等導致冷箱扒砂的重大事故發生。
神華寧煤10萬m3/h等級空分設備冷箱內管道設計除應考慮普通空分設備設計過程中遇到的一些問題外，還需考慮管道通徑變大后管道剛性、柔性、管道支架強度、變工況運行等影響因素。10萬m3/h等級空分設備冷箱內塔器直徑大、換熱器數量多、管道復雜，如何實現冷箱內管道工藝性、安全性、經濟性和美觀性的完美契合是一個值得深究的課題。
一、管道設計
關于神華寧煤10萬m3/h等級空分設備冷箱內設備和管道布置，前期共設計了6套方案。
方案一: 下塔和主冷組合( 中間加空桶段) 、上塔落地，增效塔旁立;
方案二: 下塔和主冷組合( 中間無空桶段) 、上塔落地，增效塔旁立;
方案三: 下塔、主冷和增效塔組合( 中間加空桶段) 、上塔落地;
方案四: 下塔、主冷和增效塔組合( 中間無空桶段) 、上塔落地;
方案五: 在方案三的基礎上優化冷箱尺寸;
方案六: 在方案四的基礎上優化冷箱尺寸。
1.1 設備布置
通過對6套方案進行設計比對，結合塔器的設計制造工藝、運輸條件、整體布局高度、流程工藝性實現、成本和用戶現場實際占地情況等多方面因素綜合考慮，最終選擇方案一作為最終執行方案。結合總圖和流程圖，在造型設計過程中不斷優化和細化，最終形成的設備布置: 主冷箱里下塔和主冷組合(中間加空桶段) 、上塔落地，增效塔半空旁立; 板式冷箱里前后各布置6臺板翅式換熱器( 分2列，3臺1列) ，中間布置2臺過冷器;冷箱左面布置3臺高壓液氧泵和1臺高壓液氮泵，冷箱后面布置1臺高壓液氮泵和2臺循環液氧泵，并將氬預留隔箱設置在主冷箱后面。采用國際通用的三維造型軟件PDMS (Plant DesignManagementSystem，即工廠三維布置設計管理系統) 形成的設備布置如圖1所示。
圖1 冷箱內設備布置示意圖
1.2 管道布置
神華寧煤10萬m3/h等級空分設備冷箱內管道采用PDMS軟件輔助設計，管道布置與管道支吊架的設置緊密結合，最大限度地利用容器、容器支架、冷箱型鋼支撐管道，部分管道支吊架合并設置，以節省支吊架材料和空間，避免管道支吊架的設置影響管道的正常安裝。進出塔器的管道，利用同步收縮的原理基本都是沿塔布置，并沿塔設置管道支吊架。該布置形式的優越性在于:(1) 在提高管道運行安全性的同時可以優化冷箱尺寸大小。(2) 相對于傳統管道沿冷箱壁布置形式，該設計所用管道、管件及管架材料明顯減少，經濟性明顯提高。( 3 ) 因所用管件減少，阻力相應減小，運行能耗降低。閥門的安裝位置在冷箱內管道的設計過程中不斷做出調整，以保證管路通暢。
通過以上這種配合，許多管道避免繞行，明顯減小阻力，對成本及能耗的控制貢獻不小。主冷和上塔安全閥設計成冷箱頂出，管道無彎頭等阻力件，減小安全閥的泄放阻力。液體膨脹機后管線和高壓節流閥后管線匯集，將液體膨脹機后管線作為主流路，通過這樣設計減小管道阻力，從而降低空分設備運行能耗。高壓節流閥后的管線設計足夠長的直管緩沖段，以減小管道振動，保證兩股流體平穩匯合。為了最大限度地減小管道對塔器垂直度和管架對設備受力不均勻性的影響，大管道在沿塔布置時盡可能做到周向均布。如污氮氣出上塔的2根DN1300mm管道設計成目前這種繞行方式，即為達到此目的。
用FLUENT 軟件對管道進行流場分析，研究管道及管件對偏流的影響，并用AFT 軟件對這些管道進行阻力計算，研究管件對能耗的影響。如對污氮氣出上塔和污氮氣出過冷器管道的分析結果顯示: 對偏流的影響，設備本體的一致性偏差占主導地位，管道的影響很小。但是從降低能耗的角度來看，管道所起的作用會更大。
綜合評估FLUENT 和AFT 軟件的分析結果，將污氮氣出過冷器管道設計成4股對稱布置，在減小阻力的同時，板式冷箱內部空間利用率明顯提高。將主冷測滿閥放置于管線的最高點，避免碳氫化合物在閥門處聚集，以提高工藝安全性，并為管道設計合理的補償、保冷措施和保護支架，保證管線的運行安全性。液體泵入口管線和出口回流管線、高壓液體泵回氣管線、循環液氧泵出口管線，都設計成一定的坡度向上趨勢，以保證液體泵的平穩運行。液體泵隔箱的大小尺寸限制了管道的布置范圍，為保證管道對泵的荷載在許用范圍內，高壓液體泵出口管線采用了新設計形式，如圖2所示。對完成的造型進行碰撞檢查和應力分析后，最終形成的冷箱內管道布置如圖3所示。
圖2 高壓液體泵出口管線示意圖
圖3 10萬m3/h等級空分設備冷箱內管道模型圖
為確保管道的安全性， 氧介質管道大量使用不銹鋼管，并要求DN≥600mm的鋁管道采用雙面焊，DN≥400mm的鋁管道焊接完成后去除襯圈，DN＜400mm的鋁管道焊接使用不銹鋼內襯圈。此外，為保證過程質量控制和安全性控制，所有三通在廠內設計、制造后供現場，小支管三通的支管選用支管座焊接。
1.3 應力分析
在神華寧煤10萬m3/h等級空分設備冷箱內管道設計中，應力分析與設備、管道和管架的布置始終是相輔相成，相互影響，四者同步進行。冷箱內管道應力分析采用CAESAＲⅡ軟件計算，通過對布置的管道進行應力分析，修正管道，合理布置管架，校核管道對單元設備的荷載是否在許用范圍內。可以說，應力分析是管道設計合適與否的“眼睛”。此外，針對部分管道具有多工況的特性( 特別是開車啟動階段) ，應力分析從各工況著手，尋求最佳管路走向。如通過對下塔壓力氮氣去上層主冷管線進行多工況分析計算后，對管道的布置做了比較大的調整。調整前后應力分析云圖如圖4所示。
圖4 下塔壓力氮氣去上層主冷管線調整前后應力分析云圖
1.4 管道支吊架設計
神華寧煤10萬m3/h等級空分設備冷箱內管道支吊架主要選用杭氧標準《空分設備冷箱內管道支吊架》(HTKA4123—2011) 所列管架形式，支吊架的具體布置結合管道的具體走向并根據管道應力分析結果不斷做出修正，并用STAAD軟件對支吊架做強度校核，以確保冷箱內管道和支吊架安全。與中小型空分設備相比，10萬m3/h等級空分設備管道通徑相應變大，選用標準形式管架顯然已不能完全滿足實際需求。為此，對冷箱內管道設計相應的補充管架形式，并對這些管架進行強度校核。如由主冷回上塔的氧氣管線以及上塔污氮氣去過冷器管線，經強度校核，部分沿塔設計的導向支架和承重支架需在原有標準的基礎上進行優化。
對于固定于容器上的導向管道支架( DN＞1000mm)，在原標準管架形式( 如圖5 所示) 基礎上，將橫檔槽鋁由豎直疊放改為平鋪布置，并增加橫檔數量，以增大受力面積，減少應力集中。優化后的具體形式如圖6 所示。對于固定于容器上的承重管道支架(DN＞1000mm) ，在原標準管架形式(如圖7所示)基礎上，將支架槽鋁變為2根槽鋁拼接的方鋁形式，并采用8塊限位塊，以期在減小限位塊受力的同時盡量使荷載均布于支撐件方鋁上。優化后的具體形式如圖8 所示。
圖5 固定于容器上的導向管道支架( DN≥400mm) 示意圖
圖6 固定于容器上的導向管道支架( DN＞1000mm) 示意圖
圖7 固定于容器上的導向管道支架( DN＞600mm) 示意圖
圖8 固定于容器上的上限型管道支架( DN＞1000mm) 示意圖
1.5 形成圖紙文件
完成各模塊的布置后，采用PDMS軟件進行材料統計，生成軸測圖和現場施工單線圖，再進行相關的后處理工作，并完善相關設計文件的編制。
二 、管道設計總結
神華寧煤10萬m3/h等級空分設備作為杭氧在該等級上設計的第一套空分設備，其冷箱內管道設計有許多新亮點:
(1) 進行多工況條件下應力分析計算，積累了相關設計經驗；
(2) 采用FLUENT和AFT軟件進行分析計算，積累了關于管道的經濟性和科學性的設計經驗；
(3) 運用 STAAD軟件對管架進行強度校核，積累了關于管架強度計算的經驗數據；
(4) 對泵的進、出口管線設計提出了新要求，以保證泵運行平穩。
三、結束語
伴隨新型煤化工的迅猛發展，應用在這些領域的空分設備，不論是數量還是規模都在迅速擴大。而空分設備等級的大型化發展，會對冷箱內管道的設計提出越來越多的新要求，這需要相關設計人員在實踐中發現問題，開拓思維，不斷創新。
