前言
空分设备冷箱内管道都是在常温下安装、低温下( 一般在－180℃左右) 运行，选用的管道及管件材质基本上是耐低温的铝合金和奥氏体不锈钢。与普通的工艺管道不同，空分冷箱内管道的设计、应力分析和安装检验环节中的任何一个出现问题，都有可能引起冷箱内管道严重变形、拉裂，造成介质泄漏，甚至破坏容器设备等导致冷箱扒砂的重大事故发生。
神华宁煤10万m3/h等级空分设备冷箱内管道设计除应考虑普通空分设备设计过程中遇到的一些问题外，还需考虑管道通径变大后管道刚性、柔性、管道支架强度、变工况运行等影响因素。10万m3/h等级空分设备冷箱内塔器直径大、换热器数量多、管道复杂，如何实现冷箱内管道工艺性、安全性、经济性和美观性的完美契合是一个值得深究的课题。
一、管道设计
关于神华宁煤10万m3/h等级空分设备冷箱内设备和管道布置，前期共设计了6套方案。
方案一: 下塔和主冷组合( 中间加空桶段) 、上塔落地，增效塔旁立;
方案二: 下塔和主冷组合( 中间无空桶段) 、上塔落地，增效塔旁立;
方案三: 下塔、主冷和增效塔组合( 中间加空桶段) 、上塔落地;
方案四: 下塔、主冷和增效塔组合( 中间无空桶段) 、上塔落地;
方案五: 在方案三的基础上优化冷箱尺寸;
方案六: 在方案四的基础上优化冷箱尺寸。
1.1 设备布置
通过对6套方案进行设计比对，结合塔器的设计制造工艺、运输条件、整体布局高度、流程工艺性实现、成本和用户现场实际占地情况等多方面因素综合考虑，最终选择方案一作为最终执行方案。结合总图和流程图，在造型设计过程中不断优化和细化，最终形成的设备布置: 主冷箱里下塔和主冷组合(中间加空桶段) 、上塔落地，增效塔半空旁立; 板式冷箱里前后各布置6台板翅式换热器( 分2列，3台1列) ，中间布置2台过冷器;冷箱左面布置3台高压液氧泵和1台高压液氮泵，冷箱后面布置1台高压液氮泵和2台循环液氧泵，并将氩预留隔箱设置在主冷箱后面。采用国际通用的三维造型软件PDMS (Plant DesignManagementSystem，即工厂三维布置设计管理系统) 形成的设备布置如图1所示。
图1 冷箱内设备布置示意图
1.2 管道布置
神华宁煤10万m3/h等级空分设备冷箱内管道采用PDMS软件辅助设计，管道布置与管道支吊架的设置紧密结合，最大限度地利用容器、容器支架、冷箱型钢支撑管道，部分管道支吊架合并设置，以节省支吊架材料和空间，避免管道支吊架的设置影响管道的正常安装。进出塔器的管道，利用同步收缩的原理基本都是沿塔布置，并沿塔设置管道支吊架。该布置形式的优越性在于:(1) 在提高管道运行安全性的同时可以优化冷箱尺寸大小。(2) 相对于传统管道沿冷箱壁布置形式，该设计所用管道、管件及管架材料明显减少，经济性明显提高。( 3 ) 因所用管件减少，阻力相应减小，运行能耗降低。阀门的安装位置在冷箱内管道的设计过程中不断做出调整，以保证管路通畅。
通过以上这种配合，许多管道避免绕行，明显减小阻力，对成本及能耗的控制贡献不小。主冷和上塔安全阀设计成冷箱顶出，管道无弯头等阻力件，减小安全阀的泄放阻力。液体膨胀机后管线和高压节流阀后管线汇集，将液体膨胀机后管线作为主流路，通过这样设计减小管道阻力，从而降低空分设备运行能耗。高压节流阀后的管线设计足够长的直管缓冲段，以减小管道振动，保证两股流体平稳汇合。为了最大限度地减小管道对塔器垂直度和管架对设备受力不均匀性的影响，大管道在沿塔布置时尽可能做到周向均布。如污氮气出上塔的2根DN1300mm管道设计成目前这种绕行方式，即为达到此目的。
用FLUENT 软件对管道进行流场分析，研究管道及管件对偏流的影响，并用AFT 软件对这些管道进行阻力计算，研究管件对能耗的影响。如对污氮气出上塔和污氮气出过冷器管道的分析结果显示: 对偏流的影响，设备本体的一致性偏差占主导地位，管道的影响很小。但是从降低能耗的角度来看，管道所起的作用会更大。
综合评估FLUENT 和AFT 软件的分析结果，将污氮气出过冷器管道设计成4股对称布置，在减小阻力的同时，板式冷箱内部空间利用率明显提高。将主冷测满阀放置于管线的最高点，避免碳氢化合物在阀门处聚集，以提高工艺安全性，并为管道设计合理的补偿、保冷措施和保护支架，保证管线的运行安全性。液体泵入口管线和出口回流管线、高压液体泵回气管线、循环液氧泵出口管线，都设计成一定的坡度向上趋势，以保证液体泵的平稳运行。液体泵隔箱的大小尺寸限制了管道的布置范围，为保证管道对泵的荷载在许用范围内，高压液体泵出口管线采用了新设计形式，如图2所示。对完成的造型进行碰撞检查和应力分析后，最终形成的冷箱内管道布置如图3所示。
图2 高压液体泵出口管线示意图
图3 10万m3/h等级空分设备冷箱内管道模型图
为确保管道的安全性， 氧介质管道大量使用不锈钢管，并要求DN≥600mm的铝管道采用双面焊，DN≥400mm的铝管道焊接完成后去除衬圈，DN＜400mm的铝管道焊接使用不锈钢内衬圈。此外，为保证过程质量控制和安全性控制，所有三通在厂内设计、制造后供现场，小支管三通的支管选用支管座焊接。
1.3 应力分析
在神华宁煤10万m3/h等级空分设备冷箱内管道设计中，应力分析与设备、管道和管架的布置始终是相辅相成，相互影响，四者同步进行。冷箱内管道应力分析采用CAESAＲⅡ软件计算，通过对布置的管道进行应力分析，修正管道，合理布置管架，校核管道对单元设备的荷载是否在许用范围内。可以说，应力分析是管道设计合适与否的“眼睛”。此外，针对部分管道具有多工况的特性( 特别是开车启动阶段) ，应力分析从各工况着手，寻求最佳管路走向。如通过对下塔压力氮气去上层主冷管线进行多工况分析计算后，对管道的布置做了比较大的调整。调整前后应力分析云图如图4所示。
图4 下塔压力氮气去上层主冷管线调整前后应力分析云图
1.4 管道支吊架设计
神华宁煤10万m3/h等级空分设备冷箱内管道支吊架主要选用杭氧标准《空分设备冷箱内管道支吊架》(HTKA4123—2011) 所列管架形式，支吊架的具体布置结合管道的具体走向并根据管道应力分析结果不断做出修正，并用STAAD软件对支吊架做强度校核，以确保冷箱内管道和支吊架安全。与中小型空分设备相比，10万m3/h等级空分设备管道通径相应变大，选用标准形式管架显然已不能完全满足实际需求。为此，对冷箱内管道设计相应的补充管架形式，并对这些管架进行强度校核。如由主冷回上塔的氧气管线以及上塔污氮气去过冷器管线，经强度校核，部分沿塔设计的导向支架和承重支架需在原有标准的基础上进行优化。
对于固定于容器上的导向管道支架( DN＞1000mm)，在原标准管架形式( 如图5 所示) 基础上，将横档槽铝由竖直叠放改为平铺布置，并增加横档数量，以增大受力面积，减少应力集中。优化后的具体形式如图6 所示。对于固定于容器上的承重管道支架(DN＞1000mm) ，在原标准管架形式(如图7所示)基础上，将支架槽铝变为2根槽铝拼接的方铝形式，并采用8块限位块，以期在减小限位块受力的同时尽量使荷载均布于支撑件方铝上。优化后的具体形式如图8 所示。
图5 固定于容器上的导向管道支架( DN≥400mm) 示意图
图6 固定于容器上的导向管道支架( DN＞1000mm) 示意图
图7 固定于容器上的导向管道支架( DN＞600mm) 示意图
图8 固定于容器上的上限型管道支架( DN＞1000mm) 示意图
1.5 形成图纸文件
完成各模块的布置后，采用PDMS软件进行材料统计，生成轴测图和现场施工单线图，再进行相关的后处理工作，并完善相关设计文件的编制。
二 、管道设计总结
神华宁煤10万m3/h等级空分设备作为杭氧在该等级上设计的第一套空分设备，其冷箱内管道设计有许多新亮点:
(1) 进行多工况条件下应力分析计算，积累了相关设计经验；
(2) 采用FLUENT和AFT软件进行分析计算，积累了关于管道的经济性和科学性的设计经验；
(3) 运用 STAAD软件对管架进行强度校核，积累了关于管架强度计算的经验数据；
(4) 对泵的进、出口管线设计提出了新要求，以保证泵运行平稳。
三、结束语
伴随新型煤化工的迅猛发展，应用在这些领域的空分设备，不论是数量还是规模都在迅速扩大。而空分设备等级的大型化发展，会对冷箱内管道的设计提出越来越多的新要求，这需要相关设计人员在实践中发现问题，开拓思维，不断创新。
