大型空分装置后备系统工程设计的论文

大型空分装置后备系统工程设计的论文（精选2篇）

大型空分装置后备系统工程设计的论文 篇1

摘要：大型空分装置后备系统常配套大型低温贮槽和低温后备泵，其接口管道减少冷量损失，防止低温液体汽化后对泵产生气蚀是工程设计的重点，本文对该系统工程设计及管道的布置提出了优化方案。

关键词：大型空分；后备系统；工程设计优化

1后备系统低温管道常规设计概述

随着国民经济的快速发展，空分装置的建设规模越来越大，特别是目前煤化工装置配套的空分装置，这些装置一般都要求空分装置在事故状态下其后备系统能连续稳定的提供气体。所以该类空分装置后备系统的液体贮槽和后备低温泵也配备的越来越大，贮存在贮槽中的低温液体产品通过贮槽下部的送液管经低温后备泵加压汽化后送至后续化工装置，其流程图见图1。低温液体贮槽的送液管道常规设计为不锈钢管道由贮槽内槽底部穿出内槽，在外槽外壁开孔后水平送出，贮槽外露部分送液管道用焊接有膨胀节的不锈钢保冷套筒内部充填珠光砂保冷，图2为液体贮槽常规的外接管道形式（管道未保冷）。通常贮槽供货商与用户的设计供货分工界限为贮槽外送液体管道上的送出截止阀，外露的低温液体管道通常用泡沫玻璃或聚异氰尿酸脂（PIR）等耐低温的绝热材料进行保冷后接至后备低温泵，图3为液体贮槽外接管道保冷后与低温后备泵的常规连接形式，贮槽至低温泵间阀门的保冷随管道同时进行。

2大型低温液体贮槽送液管道常规设计的问题和不足

大型特大型煤化工空分装置往往设置大型低温液体贮槽，一般容积都在1000m3以上，2000m3、3000m3已不鲜见，低温液体贮槽的送液总管的直径往往都在DN150以上，国内某项目60000等级的空分项目配套的1500m3液氧贮槽的外送液氧总管直径为DN200，新疆某煤制油项目100000等级的空分项目配套的两台2500m3液氮贮槽的外送液氮管也是DN200，并且全部都设置为双路送出，充分考虑了供液系统的安全性。如此大规格的低温液体管道若采用常规布置设计和保冷，即出贮槽后的低温管道到后备泵全部采用泡沫玻璃保冷，由于其密度为180kg/m3，施工后管道附加荷载大，且泡沫玻璃的导热系数为0.06W.m-1.C-1，为珠光砂的两倍，其保冷受现场施工质量的影响，并且管道上的阀门及仪表和排液管线接口在保冷施工中如处理不好，其保冷材料对接的缝隙部位往往会成为薄弱环节，在设备实际运行过程中经常会产生跑冷现象(有些用户现场用PU硬质聚氨酯泡沫发泡保冷，虽然聚氨酯泡沫导热系数低，通常≤0.027W.m-1.C-1，但由于长期在低温场合下使用宜冷脆，现场发泡的施工工艺受北方冬季寒冷气温的影响较大，并且石油化工设备和管道隔热技术规范(SH/T3010-2013)明确规定其使用温度为-65℃-80℃，所以该工况应避免使用。如果工程布置中后备泵距离贮槽较远，其中间管道的跑冷损失更大，严重时会导致后备泵汽蚀，所以用户往往要求贮槽至后备泵的低温管道采用真空管道，但真空管道价格高，使用若干年后还会存在真空度下降，导致用户现场重新保冷。

3大型低温液体贮槽外部管道的优化设计思路

为了避免上述问题，设计时应将贮槽外的低温管道与后备泵的保冷整体考虑，工程设计时应将上述管道、阀门等都设计在后备泵的保冷结构内，即低温贮槽外部需保冷的低温工艺管道和后备泵整体设计在一个小冷箱内，则上述管道和低温泵的保冷可整体采用珠光砂，其后备系统冷量损失可减小到最低程度，此设计特别适用于后备低温泵兼作空分冷箱备用泵的大型煤化工空分装置。

4后备系统保冷工程设计优化实施案例

我公司在内蒙某煤化工项目工程设计中将后备低温泵的工艺管道与贮槽送液管道整体设计在一个保冷箱内，管道既整体美观，冷量损失又小，此外泵后的回液和回气管道也可利用冷箱内空间布置。此项目液氮、液氧贮槽均为500m3，内筒直径φ8000mm，外筒直径φ10300mm，为了预留出泵与贮槽间管道的安装空间，贮槽基础净空设计为2.5米，基础顶标高3.15米。低温后备泵的流量为52000m3/h，泵进液管道口径为DN150，泵后液体回流管道口径为DN100，回气管道口径为DN40。此外，设计时在泵前进液水平管段上设置了DN15的虹吸管线，此管线可利用管道中液体与气体的密度差将汽化后的气体虹吸至内槽气相，使泵前液体处于动态，便于泵体更快地冷却，除后备泵进液管道是向泵入口上坡外，其余管道水平方向上均有向贮槽上坡的布管设计要求，且泵后回气管路的坡度最佳为45°。上述几个管道在贮槽内槽上的开孔部位不同，但其出贮槽的位置均设计在泡沫玻璃砖绝热层外缘与外槽内壁之间的基础部位（此空间长度有840mm），管道在此夹层利用自身走向的改变增加柔性，来减小管道的二次应力，可取消贮槽原有设计中管道上的膨胀节。管道需下穿贮槽基础至后备泵冷箱，管道下穿时需设计在保冷套筒内，此设计方案需土建专业配合基础开孔设计。贮槽基础设计时其开孔顶面需预埋钢板来焊接固定保冷套筒，并起到封闭保冷套筒与基础之间缝隙的作用，套筒顶面稍高出基础上的细砂混凝土层，并注意施工时防止细砂混凝土等杂物落入套筒内部，影响套筒保冷效果，保冷套筒设计为腰形,截面尺寸长度为1550mm，圆弧半径为R550mm，高度为1350mm，保冷套筒考虑安全因素宜全部采用不锈钢材料，筒底板采用不锈钢板与上穿工艺管道焊接后将筒体封闭，与贮槽同时充填低密度、低导热系数的干燥珠光砂，与贮槽外筒构成一个整体保冷结构，套筒下面的工艺管道及后备泵单独制作保冷箱并充填珠光砂保冷，图4为该项目中的贮槽基础开孔方位和尺寸，结构梁的设计应避开开孔位置。需要特别注意的是此设计方案要求管道布置专业与土建专业密切配合，开孔方位及尺寸条件要做到准确无误，土建施工图经管道布置专业确认无误后方可现场施工。

5空分装置后备系统工程设计的发展方向

空分装置后备系统在工程设计中应贯穿模块化的系统设计思路，可利用三维工厂设计软件将该系统作为整体模块设计，后备泵、保冷箱及管道仪表可以在工厂内预制安装好整体撬装发货，既保证项目的实施质量，又加快现场的安装进度。并且此方案具有可扩展性，当一台低温贮槽对应多台压力等级的后备泵时，可在贮槽的不同角度设计多个保冷套筒和低温泵冷箱，或者根据实际管道布置情况将多台泵的小冷箱合并。如果现场占地面积紧张，贮槽基础净空允许时还可以将泵冷箱反向布置在贮槽基础下面，此方案设计时需考虑低温泵的吊装空间。

作者:王伟 裴红珍 单位:开封空分集团设计研究院

大型空分装置后备系统工程设计的论文 篇2

关键词：后备系统,快速响应,安全,设计

空分装置为整个下游的配套工程项目供应必需的各种公用工程气体, 对保证下游工程项目安全、可靠和稳定的运行起着至关重要的作用。空分装置的意外停机, 将会马上切断下游工程项目气体的供应, 轻则将导致下游工艺装置联锁停车, 引起下游装置停产, 造成巨大的经济损失, 重则将导致下游的工艺装置失去安保气体, 造成机器设备的损坏。但是由于空分装置的复杂性, 虽然随着装置的设计和制造技术不断提高和改进, 自动化控制技术日趋完善, 空分装置的故障几率已经大为降低, 但是偶尔的意外停机也在所难免, 而配套响应速度快、稳定可靠的后备系统就能极大程度的降低空分装置意外停机带来的风险, 后备系统可用于保证向下游用气装置不间断供气, 一旦空分装置发生故障停止供气将投用后备系统, 通过蒸发将贮槽中的液体汽化成气体送给下游用气装置。后备系统的成本对于一套空分装置来说, 所占的成本比例也很小, 另外, 在空分装置短时间有计划的停车检修期间, 也能通过起用后备系统, 短时间内维持对下游装置气体的供应。

现代空分装置配套的后备系统, 要求具备多功能化, 自动化程度高, 响应及时, 并且要确保安全、稳定和可靠等特点, 一套复杂后备系统的设计需要考虑多方面的因素。

1 后备系统工艺流程设计方案

第一种方案是空分主工艺流程与后备系统流程结合在一起, 空分液氧的内压缩与后备系统液氧的压缩共用, 液氧从空分主冷取出, 出冷箱进入液氧贮槽, 再经过设置在后备系统的液氧泵压缩后分为两个流路, 一路重新返回空分冷箱主换热器, 复热后作为空分高压氧气产品送出, 另一路进入后备系统汽化器汽化后, 并入高压氧气管网, 两个流路分别单独运行。工艺流程示意图如下图1。

这种方案的优点是在主空分装置意外停机时, 可以停机不停泵, 切断液氧返回空分冷箱流路, 打开进入后备系统汽化器流路, 液氧经过汽化器汽化后送入高压氧气产品管网, 保证下游氧气的不间断供应。另一种可能是如果主冷液氧纯度污染, 从空分主冷抽取的液氧将直接排放而不进入贮槽, 贮槽内贮存的液氧经过液氧泵压缩后返回冷箱主换热器汽化, 继续维持空分装置的运行, 当主冷液氧纯度重新调整合格后, 主冷抽取的液氧又可以重新切换至贮槽, 恢复正常的工艺流路。这种配置方案由于空分装置和后备系统的液氧泵共用, 也节省了泵的投资, 在从主空分装置切换至后备系统运行时, 没有额外的液氧泵的冷却、启动和加载的限制, 大大的缩短了后备系统启动时间和增加了可靠性。另外, 由于液体来自液氧贮槽, 而不是直接来自主冷, 能够大大增加整套装置的变负荷的能力。这种设计的缺点是后备系统的设计会影响整套空分装置的运行, 贮槽的安全设计和可靠性要求高, 贮槽的自增压和安全排放能力要增大, 液体管道尺寸大, 装置冷损和液体闪蒸损失相对较大。

另外一种方案是后备系统与主空分装置独立设计, 当空分装置意外停机或者

纯度污染时, 后备系统独立启动, 互不干扰, 缺点是后备系统需要额外增设后备液氧泵, 增加了设备投资, 并且为了保证能随时启动, 后备液氧泵需要冷备或者惰转, 启动时间会有加长, 可靠性会有所降低。工艺流程示意图如下图2。

2 后备系统配套设备规模的选择

后备系统配套贮槽的大小需考虑空分装置设计的液体产量, 后备系统维持运行的时间以及液体外销能力等因素综合考虑;低温后备泵和汽化器的大小按照需要的后备能力选取, 例如如果需要后备能力与主空分装置相当, 那么低温泵和汽化器的能力就可以按照空分装置的产量来考虑。

如果后备系统有快速响应的要求, 后备系统的设计就需要根据下游工艺装置对气体供应的要求进行设计, 例如, 在保证需求量不变的前提下, 管网压力的降低不能大于某个规定的压力值, 后备系统的设计就需要综合考虑如何能满足这个要求。

首先要确定在空分装置意外停机, 切断气体产品的供应后, 后备系统需要多长时间能够启动起来, 并达到设计负荷, 当然这个时间越短越好, 但是过短的时间又会增加对相关的机器、设备、阀门和控制系统的响应时间和工作能力的要求, 如果启动时间要求过于苛刻, 设计还不可能满足。

其次根据确定好的后备系统响应时间, 核算现有供气管网的容积在此时间内压降是否能满足要求, 如果不能满足要求, 就还需要额外增设压力缓冲罐或者球罐。系统的缓冲容积也不可能设置得过大, 需要与后备系统的响应时间互相匹配选择, 达到可靠性和投资成本最佳。后备系统响应时间越短, 后备系统配套要求越严格, 设备投资越大, 需要的缓冲容积越小;后备系统响应时间越长, 后备系统配套要求降低, 设备投资减少, 但需要的缓冲容积越大, 装置的布置空间也会增大。下图3为常规的后备系统配置图。

另外, 下游装置对于气体的需求量并不是稳定不变的, 而是随着实际用气需要起伏波动。当需求量减小时, 可通过空分装置的自动变负荷或者放散来满足, 当需求量增大时, 除通过空分装置自动变负荷满足之外, 过大的需求量也可以通过额外配置缓冲罐或者启动后备系统来满足。

3 后备系统设计需考虑的故障因素

为了确保可靠性, 在后备系统设计时, 需要对工厂故障情况进行充分的了解, 并对可能存在的工程危险程度进行评估, 例如是否对生产造成影响, 是否会导致不合格品, 会带来多大的经济损失, 是否会危及安全, 是否会有灾难性的后果等, 并以此确定需要考虑何种故障因素。

(1) 断电

此处仅考虑动力供电故障, 所有的用电设备均会停车, 可以通过压力液体罐, 带压经汽化器汽化后供下游使用;也可设置合适的应急柴油发电机, 给后备系统低温泵和汽化器的强制对流循环水泵供电, 维持后备系统的运转。

(2) 断汽

如果后备系统的蒸汽供应故障, 为了保证仍能给下游供气, 这种情况下就需要额外设置空浴式汽化器来汽化低温液体, 考虑到有些地区冬天环境温度很低, 经过空浴式汽化器汽化后, 气体的温度仍然很低, 如果下游装置不能够使用, 这时就需要在空浴式汽化器后面再串联电加热器, 加热到合适的使用温度。

(3) 同时断电和断汽

如果供电和供汽同时故障, 通过采用压力液体罐或者配置应急柴油发电机给低温泵供电, 让液体增压, 采用空浴式汽化器来汽化液体。

以上考虑有些过于苛刻, 只是在某些特殊场合使用, 另外其中一些工作方式生产的气体量, 不能满足下游正常生产的全部需求量, 有时只能是用来保证下游装置的安全, 比如安保气体等用途。由于以上故障引起的后备系统响应这段时间内, 由缓冲罐给下游供气。

4 保证后备系统快速响应的相关设计

为了保证后备系统能够快速响应, 后备系统需要经过以下特殊的设计。

(1) 后备液体泵需要冷备或者惰转, 泵变频的加载速度要能满足要求, 一般低温泵从冷备启动到满负荷运转最短可以做到25s左右, 而低温泵从惰转加载到满负荷运转可以做到10s以下。

(2) 汽化器的设计要能满足快速汽化的要求, 除换热通道需要特殊考虑之外, 汽化器还需要额外增设强制对流循环水泵, 增大换热系数, 加速汽化。

(3) 相关的控制阀要求, 常规的控制阀从全开到全闭或者从全闭到全开, 需要的时间<20s, 但快速响应后备系统内配套的控制阀需要根据响应时间, 在阀门订货时要求合适的开启或者关闭时间, 例如需要<5s或者更低。

(4) 液体进汽化器前管路应尽可能短, 液体流速很低, 流通距离过长会延迟启动时间, 另外过长的距离也会导致在后备系统待机时出现更多地汽化, 气体堵塞在管道内或者阀前, 在后备系统启动时, 这些汽化的气体也会延长启动的时间, 因此也需要在液体管路上额外设置排气管线, 及时排放掉汽化的气体。

(5) 自动控制要求更加严格和精确, 要选择合适的激活后备系统响应的条件, 液体阀、蒸汽阀的具体开度以及二者之间开度的匹配等都需要严格的加以控制。

(6) 贮槽内要预留有足够的液体量, 能供后备系统投用后一段时间使用。

(7) 后备系统的响应快, 给运行可靠性带来了便利, 但是却增加了安全风险, 例如低温液体更容易带出汽化器后面的常温管道中等问题。因此需要额外增加一些安全保护措施, 如贮槽出液阀的自动切断, 汽化器后气体管线温度过低联锁, 以及汽化器底部、中部和上部温度的控制和联锁, 相关阀门的自动控制和联锁等, 有些控制甚至需要采用冗余设计或安全仪表控系统, 以增加其安全可靠性。

结语

一套完整、可靠的后备系统设计, 需要根据用户的需求, 掌握整个工厂的配套情况。选择合适的后备系统流程, 并确定后备系统内贮存汽化系统和气体缓冲罐的大小, 动设备的备用模式和启动加载速度, 阀门的开启或关闭速率, 并且要设计有足够的安全保护措施等。合理的后备系统的设计, 是保证后备系统可靠运行的前提, 但是由于后备系统绝大部分时间是处于待机状态, 随时准备投用, 这就会导致部分机器设备或者阀门在需要时不能正常投用, 因此, 对后备系统进行经常性的检查, 对其故障修复和日常维修及时处理, 也是保证后备系统能够可靠运行的基础。

参考文献

[1]孙洪波.空分装置后备储存系统的设计 (一) [J].石油化工设计, 2012 (02) .