大型空分裝置！冷箱結構，珠光砂填充量，管道設計竟是……

最新 07-01

前言

我國富煤、貧油、少氣的資源稟賦，使得煤炭能源作為我國能源結構的重要組成，對於確保我國能源供應安全具有至關重要的作用。而煤化工產業作為實現煤炭資源高效利用的有力手段，直接關係到國家的能源戰略發展規劃。隨著新型煤化工行業的蓬勃發展和天然氣消費量的大幅增長，我國煤制天然氣行業也取得長足發展，成為煤化工領域投資熱點。煤制天然氣最關鍵的技術是煤氣化，煤氣化需要大量氧氣作原料氣，氮氣和空氣作輸送氣，對空分設備需求很大。開封空分集團有限公司正是抓住新型煤化工產業發展的機遇，著力研製大型、特大型空分裝置，將自己做大做強，達到國內領先水平。

國內外技術水平現狀和發展趨勢

目前，國內空分廠商在大型煤化工空分設備的設計、製造和成套已經取得了一定成績。國內空分廠商主要為杭州杭氧集團、開封空分集團、四川空分集團等。截止2015年，杭氧設計最大空分裝置為120000Nm3/h空分設備；開封空分集團設計的最大空分裝置為60000Nm3/h空分設備；川空設計的最大空分裝置為52000Nm3/h空分設備。

現國外空分設備特點是：巨型化、填料塔、無氫制氬、內壓縮、氣液併產、高自動化、高可靠、低能耗、長周期。投運最大空分設備是：法國液化公司最大空分裝置為90000Nm3/h，德國林德公司最大空分裝置為110000Nm3/h，美國空氣製品與化學公司最大空分裝置為85000Nm3/h。

項目研發達到的技術水平

採用PDMS三維工廠模型設計系統對冷箱內設備、管道進行建模布置，並結合CAESARⅡ軟體對工藝管道進行柔性分析。通過對大型空分裝置設計，制定出一系列合理的布置方案，如主冷箱與換熱器冷箱單獨設置，換熱器匯總管道π形彎的設置，大口徑管道開孔處理方案等。為了使設備和管道更加安全可靠，還制定出一系列管道應力分析方案和設備管口應力校核方法，如高壓液空管道節流動態分析，換熱器管口應力校核方法等。先進的管道布置方案和充分的分析方法，使得冷箱內管道布置既滿足了工藝流程要求，又做到了安全可靠、經濟合理、滿足施工、維修等方面的要求。

採取的技術路線及創新點

分餾塔基礎結構：根據分餾塔基礎承載設備低溫工作的特點，提高承載大型空分裝置所需的強度和穩定性，結合土建施工技術，開發出一種大塊實體基礎結構，不僅提高了冷箱基礎的整體性能，還降低了冷箱安裝的工作強度。

分餾塔冷箱結構：採用STAAD.Pro V8i結構分析與設計軟體，對大型空分冷箱模擬建模分析。根據相關規範和標準，結合設計經驗和安裝運行情況制定了不同組合工況下的荷載組合，通過設定合理的荷載工況和荷載組合，對整個冷箱進行模擬計算，對冷箱結構進行靜力、動力和線性等響應特徵分析。通過強度計算和應力分析，為冷箱鋼結構整體的設計及革新提供可靠的理論依據。

分餾塔工藝管道布置及應力分析：採用PDMS三維工廠模型設計系統對冷箱內設備、管道進行建模布置，並結合CAESARⅡ軟體對工藝管道進行柔性分析。通過對多套大型空分裝置設計總結，制定出一系列合理的布置方案，如主冷箱與換熱器冷箱單獨設置，換熱器匯總管道π形彎的設置，大口徑管道開孔處理方案等。為了使設備和管道更加安全可靠，還制定出一系列管道應力分析方案和設備管口應力校核方法，如高壓液空管道節流動態分析，換熱器管口應力校核方法等。先進的管道布置方案和充分的分析方法，使得冷箱內管道布置既滿足了工藝流程要求，又做到了安全可靠、經濟合理、滿足施工、維修等方面的要求。

分餾塔設備支架結構：運用STAAD.Pro V8i結構分析與設計軟體對大型空分設備常用的經驗模型的支架進行分析優化，在提高其承載能力的同時降低了加工難度和材料成本，優化後的結構已廣泛用於大型空分裝置中。

PDMS二次開發：針對煤化工項目特點，創建了鋁製管道不同等級的元件庫，開發了多項三維設計工具，包括模型坐標原點的移動與旋轉、管架的視圖窗口、管道走向顯示等工具，還對三維模型材料報表進行革新，開發出能夠快速並準確的抽取模型材料信息的程序。對PDMS程序功能的開發和應用,極大地提高了設計效率和設計精確度。

設備布置

設備布置是冷箱設計的基礎，一般的設備布置流程為：前期根據工藝流程圖、單體設備圖等提交的設計資料，做出初步設備布置，中期根據設備布置做初步配管，後期根據初步配管進行管道應力分析。根據管道應力分析和工藝流程特點，發現管道應力不合理或是違反流程設置原則，在對設備布置進行調整，反覆多次後，得到最優化結果，從而可以進行冷箱設計。該套10萬空分內有為6台過冷器、8台低壓換熱器、4台高壓換熱器、上塔、氬塔等設備，設備布置如下圖：