杨建成
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摘要：化工装置设计中，经常会遇到高温高压、两相流、低温、真空、塔顶气相管线的设计，这些管线往往管径比较大，通常会影响设备整体布置，管道布置不合理也会影响工厂的安全运行，提高运营成本。某生产乙醇胺的化工装置已有一套在运行，由于市场需求旺盛，现新建一套，工艺上有部分优化调整。化工装置工程设计中，合理的管道布置对化工装置安全运行起着至关重要的作用。通过对已有装置运行中出现的问题进行分析研究，提出了优化方案，降低了运营风险，提高了经济效益。
关键词：管道布置优化;两相流;高温高压;振动;设备布置;工艺优化;
工程设计过程中通过对现有装置的走访调查及工厂运营管理人员的介绍，发现管道布置上有些地方需要优化调整。本文以反应系统管道布置为例，通过设计中遇到的问题进行管道布置优化设计。
1?反应器冷却系统管道布置分析研究及优化
反应系统为环氧乙烷和氨水在高压下反应生成乙醇胺，反应器为多层夹套管反应器，环氧乙烷和氨水分别通过高压泵增压后进入夹套管内管预热、反应。反应过程中放出大量热量，放出的热量通过夹套管外管内的热水系统移出。由于反应工艺需要，夹套外管内的热水温度要控制在120℃左右，为了防止热水在夹套外管内汽化，影响换热效果，需要给热水系统保持0.8MPa的压力。出反应器的热水减压汽化形成两相流进入缓冲罐，汽化后的蒸汽通过缓冲罐上部的换热器冷却至液体回流至缓冲罐，热量被移出的热水通过缓冲罐底部的泵打入反应器夹套外管循环使用。
减少管系振动就要消除减压阀后管道系统内积存的液体，使其能自流入缓冲罐，合理设置管道支架以改变管道系统的固有频率。新建项目改进方案为：①在混凝土楼面上部增设局部钢平台，将减压阀及手阀放置在钢平台上部的横管上，并靠近集合管，集合管至缓冲罐设置一定的坡度。②手阀后管道扩径至DN200，使减压后的汽液两相进入一个较大的空间，降低流速，消除一部分冲击力。③DN200支管与DN300集合管连接处采用顺流体流向方向45°插入，以减少对集合管的冲击力。④根据应力分析报告，在合适位置设置支架。此方案在很大程度上解决了管道系统的振动问题。
2?氨水进料管道布置分析研究及优化
根据工艺要求，氨水需要增压至10MPa进入反应器，采用两级高压屏蔽泵增压，第一级增压至6MPa，第二级增压至10MPa。在第二级增压泵出口有一路回流管线至氨水罐。受场地空间限制，现有装置设备及管道布置时将泵进出口管线上的阀门、压力表等全部放置在泵上方与上层楼面之间的夹层钢平台上。根据泵厂家提供的管口受力数据，经过应力计算，需要在每级泵出口管线上设置弹簧支架。由于管径较大(DN100)，阀门操作时需要两个操作人员协作完成，开停高压泵时，钢平台下方还需要一名操作人员。如此布置，工厂正常运营时需要多配备操作人员，阀门、仪表检维修时需要在钢平台上完成，也带来诸多不变。
通过与技术方及现场操作人员技术交流得知：技术方出于对弹簧支架稳定性的担忧，要求在新项目中的高温高压管线上尽量避免使用弹簧支架。
现有装置两级增压泵之间的逻辑关系如上图所示，A、B泵为一开一备，两台一级增压泵的出口管线合并成一路再分成两路分别到两台二级增压泵。如此设计是为了使一台一级增压泵对应两台二级增压泵，以降低由于增压泵故障引起装置停车的概率。但在实际生产操作中，从未发生过两台泵同时发生故障的情况。故在新项目中技术方在争得运营方同意后将两级增压泵之间的逻辑关系改为一对一，即一台一级增压泵对应一台二级增压泵。如此一来就节省4台一级增压泵出口至二级增压泵进口管线的切断阀，简化了操作系统的逻辑关系。根据以上工艺调整，本着方便操作维修，节约建设与运营成本的原则，新建项目对设备和管道布置做了如下优化调整：①两台一级增压泵布置在两侧，二级增压泵在中间错开布置，取消泵上方的钢平台。②所有阀门、仪表等都布置在地面上人员容易操作的地方。③改变管道走向，根据应力分析报告设置支架，取消弹簧支架。
3?环氧乙烷进料管道布置分析研究及优化
根据工艺要求，环氧乙烷进入反应器前同样需要增压至10MPa，通过单体三联式高压隔膜泵为环氧乙烷增压。泵厂家在设计时为降低泵出口处流体的脉动影响及减少整个管路系统的振动，根据模拟计算结果在泵进出口处各设置了一个100L的圆形空罐作为缓冲罐，缓冲罐低点处各设置了一个放净口。环氧乙烷为致癌物，加热时剧烈分解，极易燃，与空气的混合物快速压缩时，易发生爆炸。由于物料的危险性极高，因此在整个管路系统中要求环氧乙烷的存量最少，在泵进出口各设置一个100L的缓冲罐，无形间增大了环氧乙烷的储存量，存在安全隐患。每次更换隔膜时需将缓冲罐内的环氧乙烷排净，造成经济损失。
另外，根据工厂反馈，现有装置高压隔膜泵的隔膜每年需要更换两到三次，影响正常运行，造成生产损失。由于三个单体泵头间没有切断阀，检维修用氮气吹扫时很难判断是否吹扫干净。希望在新项目中能分析原因，解决隔膜使用寿命和检维修吹扫方便的问题。 从安全生产和成本节约方面考虑，需要解决高压隔膜泵进出口缓冲罐的问题。技术方经过与隔膜泵厂家几轮的技术交流后，确定用脉冲阻尼器替代隔膜泵自带的缓冲罐，阻尼器上部采用氮封以达到降低隔膜泵出口液体脉动的作用。经过计算得出隔膜泵进口阻尼器容积为50L，环氧乙烷在里面保持一定液位，液位上部用氮气填充。隔膜泵出口阻尼器容积分为两部分：下部50L，环氧乙烷在内保持一定液；上部有2.2m3用高压氮气填充。单台隔膜泵检修时，只需切断泵进出口管道上的切断阀，将泵内的少量环氧乙烷放净即可。另外在每个泵头下部的进料口处加装切断阀用于解决每个泵头单独吹扫的问题。在正常生产过程中通过调整隔膜泵变频电机的频率调节流量，将运行方式由原来的一开一备改为两台隔膜泵同时运行，流量各为50%，以此降低隔膜的使用频率，延长使用寿命，争取在工厂大修期间统一更换隔膜。为最大限度地降低流体脉动，需要管道严格的对称布置并且到进出口脉冲阻尼器的距离最短，在应力计算时以使用最少弯头为依据，管道支架全部采用防振管卡。
4?结束语
每个化工装置的管道布置既有共性也有其专有特性。在工程设计时，要根据所掌握专业知识对工程设计提出一些合理化建议，充分考虑各种因素，特别是在遇到一些特殊管道(如高温高压、两相流、低温、真空)的设计时，在满足规范、标准要求的同时，既要考虑建设成本也要考虑运营维修成本。本文通过对整套装置核心部分原有设计的分析研究，对两相流、高压等易产生振动的管道布置提出了优化方案，降低了不利因素对工程的影响，对类似化工装置的设计具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]?张德姜，王怀义.石油化工装置工艺管道安装设计手册——装置内管道设计及特殊管道设计[M].北京：中国石化出版社，2014.