现代煤化工装置压缩机厂房设计要素分析与探讨
汪寿建
（中国化学工程股份有限公司，北京100007）
［摘 要］煤化工生产过程中有很多化学反应过程是在高温、高压下进行的，而提供物料的高压环境均是靠压缩机完成的，因此，压缩机厂房是煤化工装置设计中的关键之一。重点阐述压缩机厂房设计要素——厂房布置、工艺管道配置、压缩机基础设置、辅助设施配置等重要影响因素，处理好这些关系是确保煤化工装置安全、稳定运行的前提。
［关键词］ 煤化工装置；压缩机厂房；设计；平面布置；管道配置；基础设置；辅助设施配置；注意事项
［中图分类号］ TH 45
［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2016）
0 引 言
在大型煤化工工业园区，我们经常看到现代煤化工装置中的压缩机厂房，它们是煤化工装置物料获取高压源的核心区域。压缩机厂房一般为复式单层厂房，也有多层厂房。生产过程中，若遇到火灾、爆炸、有毒及有害气体等危害因素时，设计优秀的压缩机厂房能尽量避免安全事故的发生或降低其危害的程度，这是设计者追求的目标。通过一些煤化工装置压缩机厂房的现场分析发现，存在不同程度的设计或工程方面的问题，梳理这些问题后，以下对压缩机厂房设计要素——厂房布置、工艺管道配置、压缩机基础设置、辅助设施配置等重要影响因素进行阐述，并指出压缩机厂房设计中的注意事项，以期在压缩机厂房设计时不再犯类似错误，为日后压缩机厂房的正常、安全、稳定使用打下坚实的基础。
1 压缩机厂房平面布置
1.1 平面布置要素
压缩机厂房平面布置与煤化工装置全厂总平面布置有密切关联，而总平面布置应以满足全厂总工艺生产流程为前提，在充分考虑总体流程平面布局的基础上，处理好压缩机厂房的竖向设计、公用设施配置、运输道路和管网分布之间的关系和次序是非常必要的。在划清全厂总流程功能分区的条件和分隔次序以及联系程度后，依据《化工装置设备布置设计规定》（HG/T 20546—2009）的要求，根据风向条件确定压缩机厂房室外设备、设施与建筑物的相对位置；根据气温、降水量、风沙等气象条件和生产过程或某些配套设备的特殊要求，决定是否采用压缩机厂房室内布置；根据装置竖向布置，确定装置地面零点标高与绝对标高的关系；根据地质条件合理布置重载荷和有振动的设备；在满足生产要求和安全防火、防爆的条件下，尽量做到压缩机厂房节省用地、降低能耗、节约投资、有利于环境保护。压缩机厂房平面布置一方面要能满足全厂总体规划和工艺流程的要求，按照物流顺序布置压缩机本体和配套设备，并考虑压缩机管道安装经济合理和整齐美观，便于施工、操作和维修；另一方面也从生产角度考虑压缩机厂房优化，由于设计要素面广且复杂，一般可以采用几个方案进行比较，从中选出最佳的布置方案，以满足全厂总工艺流程对压缩机厂房布置的功能需求。
1.2 工艺流程匹配
工艺流程布置是确定压缩机厂房流程布置方案的关键要素。其与压缩机流程之间的匹配要满足相关的工艺要求：一是要求压缩工艺流程应满足与各相关工序流程的匹配，这是因为压缩工艺流程布置完后，就决定了压缩机厂房与各装置流程配置的定位，将直接影响各装置流程中各工序流程的次序和相互间的关系；二是注意运输工具和运输方式的选择与压缩机厂房平面、结构类型和经济性密切相关；三是充分考虑煤化工生产装置和产品的特点，如散发大量余热和烟尘，排出大量酸、碱等腐蚀性物质或有毒、易燃、易爆气体，以及温度、湿度、防尘、防菌对工艺流程之要素均有重要影响。因此，压缩机厂房工艺流程布置一定要满足压缩工艺物料的特殊要求。
1.3 压缩厂房气体排放
根据《石油化工企业设计防火规范》的要求，压缩机厂房通常情况下压缩的都是可燃性气体，在开停车过程中常涉及到气体排放的问题。对可燃气体排气筒、放空管的高度，应符合下列规定：一是连续排放的可燃气体排气筒顶或放空管口应高出周边20 m范围内的平台或建筑物顶3.5 m以上，20 m以外的平台或建筑物也有一定的要求；二是间歇排放的可燃气体排气筒顶或放空管口应高出周边10 m范围内的平台或建筑物顶3.5 m以上，10 m以外的平台或建筑物顶也有一定的要求；三是对可燃气的排放，可以统一输送到全厂火炬处经燃烧后排放。对向大气排放的非可燃气体，其放空管高度应依据《石油化工管道布置设计通则》（SH 3012—2000）的规定，高出与其邻近的操作平台或建构筑物2 m以上。蒸汽、空气等无毒介质的安全阀排放口应高出室外平台3 m或以上。无毒、无危险性气体的排放管口应高出以排放口为中心的75 m半径范围内的操作平台、设备2.5 m以上。
1.4 压缩厂房管系应力分析
压缩机厂房内压力管道原则上都应作应力分析计算，计算方法有目测法、图表公式法、计算机辅助计算法。需采用计算机辅助计算方法进行应力计算的管道，应依据《化工装置管道机械设计规定》（HG/T 20645—1998）的要求，对影响压缩机、设备布置的关键管系进行必要的应力计算。
通常需要进行管系柔性分析和应力计算的有以下管道：一是必须通过计算机计算的汽轮机进出口连接的管道、离心式压缩机进出口连接的管道、往复式压缩机进出口连接的管道；二是泵的进出口连接管道；三是公称管径≥100 mm且温度≥230 ℃或温度≤-20 ℃的管道以及管径比泵接口大（指异径连接）的管道；四是有关规范要求的管道，如锅炉设计规范中规定要进行柔性分析的管道和规范中规定要进行柔性分析的管道；五是空冷器连接的管道，公称管径≥150 mm的连接管口的管道，温度≥120 ℃的连接管口的管道；六是炉子连接的管道，公称管径≥150 mm的连接管口的管道，温度≥230 ℃的连接管口的管道；七是冷箱连接的低温管道，公称管径≥150 mm且温度≥230 ℃或者温度≤-20 ℃的管道；八是连接到压力容器的管道。
2 压缩机管道配置
2.1
管道应力设计载荷
压缩机管道系统设计应充分考虑温度载荷、压力载荷、质量载荷、动力载荷等对压缩机管道配置的影响。温度载荷应考虑因热胀冷缩而产生的位移应力对管系的影响；压力载荷主要是对管道和管件的强度进行校核，以及考虑内压或外压所产生的一次应力对管系的影响；质量载荷主要包括管道及附加结构的质量载荷、流体的质量载荷，含水压试验部分、绝热层的质量载荷以及可能有的冰或雪的质量载荷所产生的一次应力对管系的影响；动力载荷应考虑冲击载荷，主要指流体的相变和其他冲击力对管系的影响；风（雪）载荷指风压（雪）对室外架空敷设管系的影响，即考虑风压（雪）载荷的影响；地震载荷是考虑地震产生的水平力对管系的影响；振动载荷是为防止和消除严重振动或发生共振对管系产生的危害，按规定对管系进行应力分析计算。这些应力计算主要包括气柱固有频率计算、气流脉动计算、管系结构振动计算等，以保证管系的安全使用，以及流体排放的反作用力，包括安全阀、减压阀、爆破膜等及其他变速排放所产生的反作用力对管系的影响。应注意的是：在处理动载荷时应分别予以考虑，但风（雪）载荷和地震载荷同时存在的情况下不宜叠加处理，而是取二者中的最大值；压缩机管道与压缩机本体连接时，应使管道具有足够的柔性，以满足设备管口的允许受力要求，设计过程中应采取非常必要的膨胀节、柔性接头等措施增加管系的柔性和自然补偿能力，在合适的位置安装膨胀节、柔性接头等补偿器，在转动设备管口附近的管道上采用弹簧支吊架，在合适的位置对管道设置限位、导向等约束型支架以承担管道由于热胀冷缩而产生的作用力。
2.2 压缩机双机配管
随着现代煤气化装置规模的大型化，通常会选择2台或2台以上的压缩机并联运行，这样就产生了压缩机双机配管的问题。为减少双机并机的效率损失，避免因每台压缩机流量、压力不同而在排气管道总管合流处产生气流顶撞，每台压缩机排气管道的配管应采用顺气流流向与总管斜接。对水平拆分型离心式压缩机，压缩机上方不得配有管道及其他障碍物，若必须配置管道，应采用法兰连接的方式，以便拆卸。压缩机消声器应配置在压缩机厂房外侧的管廊上方，压缩机厂房设计的放空管应引至厂房外顶部高位放空。压缩机吸气口应设置在不少于3～5倍管口直径的直管段，避免弯头与管口直连。压缩机入口设置的临时过滤器应尽量靠近管口安装，并采用法兰连接，便于拆卸和提高对管线中杂质的过滤效果。应考虑管道在试压和吹扫时所需采取的临时措施，如压缩机吸气和排气口设置盲板和管道短节，并有自由拆卸的空间。当压缩机吸气和排气管口均朝上时，其进出口管道应设置可拆卸式短管段，以便压缩机检修。空气压缩机吸入口应布置在远离污染源处，并位于全年风向最小频率的下风侧，以便能吸入清洁的新鲜空气。吸气管口距地面应有一定的高度，其端口应设过滤网罩或挡雨罩，以防止杂物及雨水吸进管道内。
2.3 压缩机管道多层管廊配置
压缩机厂房配管众多，免不了要进行多层管廊配置，在多层管廊设计中应遵循《石油化工管道布置设计通则》（SH 3012—2000）的规范要求，其中，热介质管道、液化烃和腐蚀性介质管道以及低温介质管道在多层管廊的布置应满足下列要求：热介质管道宜布置在上层，必须布置在下层时，不应与液化烃管道相邻布置；气体管道宜布置在上层；液化烃和腐蚀性介质管道宜布置在下层，但腐蚀性介质管道不应布置在驱动设备的正上方；低温介质管道宜布置在下层；低温介质管道、液化烃管道和其他应避免受热的管道不宜布置在热介质管道的上方或紧靠不保温的热介质管道；工艺管道视其两端所连接的设备管口标高可以布置在上层或下层，以便做到“步步低”或“步步高”。总之，对于双层管廊，气体管道、热介质管道、公用工程管道、泄压总管、火炬干管、仪表和电气电缆槽架等宜布置在上层，一般工艺管道、腐蚀性介质管道、低温管道等宜布置在下层。
2.4 压缩机管道高点排气
更多内容详见《中氮肥》2016年第5期