复合型蒸发式空冷器及其设备和管道布置

复合型蒸发式空冷器及其设备和管道布置郑志伟;朱大亮;王浩;臧红斌【摘要】Compound evaporative air cooler is a new kind of effective heat exchange equipment developed in recent years. It has many advantages, such as compact construction, low investment, scale prevention, 'white mist' prevention and high heat transfer efficiency. The equipment layout and piping arrangement of compound evaporative air cooler has its own requirements apart from meeting the general provisions of air cooler. Compared to ordinary air cooler, and with the respect of occupying area, the equipment layout of 'back to back, side by side' was proposed. The piping arrangement was then introduced from respects of the two-phase flow, support of inlet pipe and pipe stress calculation. It was conclude that there is no additional displacement existed in the nozzles in compound evaporative air cooler, and the nozzle stress can be reduced from self-compensation of pipe. What presented herein can be referenced in equipment layout and piping arrangement for compound evaporative air cooler.%复合型蒸发式空冷器是近几年研发的新型高效冷换设备,具有结构紧凑、投资低、防垢防"白雾"、传热效率高等诸多优点.复合空冷的设备及管道布置除要满足空冷器的一般规定外,有其自身特点.通过与普通空冷对比,从占地面积角度介绍其平面布置,提出了"背靠背、面靠面"的设备布置形式;从两相流管道布置、入口管道支撑及管道应力计算方面介绍其管道布置,提出了复合空冷管嘴处不存在附加位移,可通过自然补偿来降低管嘴受力,为复合型蒸发式空冷器的设备及管道布置提供参考.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2016(053)001【总页数】4页(P74-77)【关键词】蒸发式空冷器;设备布置;管道布置【作者】郑志伟;朱大亮;王浩;臧红斌【作者单位】中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东青岛 266071;中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东青岛 266071;中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东青岛 266071;中国石油工程建设公司华东设计分公司,山东青岛266071【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH181复合型蒸发式空冷器是集显热、潜热换热机理于一体，将蒸发式、空冷式、水冷式等冷却方式优化组合的一种新型冷换设备，具有节能、节水、防垢、防“白雾”、系统压降低、综合效率高等诸多优点，可广泛应用于炼油化工生产过程中与冷凝、冷却相关的工段。

复合型蒸发式空冷器（文中简称复合空冷）是近几年研发的新型冷换设备，设计者对其内部结构及典型配管方式缺乏充分认知。

本文简要介绍了其结构特征及典型平面及管道布置方式，希望能为设计者提供一定的参考。

复合空冷的基本结构如图1所示，主要包括风机、翅片预冷器、收水器、分水装置、冷凝盘管、集水箱、循环水泵（厂家自带）、爬梯及护栏等。

复合空冷工作时，高温介质在进入冷凝盘管前，先通过翅片预冷器，利用从盘管排出的低温湿空气对其进行大风量、大温差的冷却，使翅片管内的高温介质得到预冷后再进入冷凝盘管，依靠传热管外表面的水膜蒸发来吸收热量，强化管外传热，提高总传热效率。

冷却介质通过翅片预冷器和冷凝盘管的双重冷凝，其工作范围得到较大扩展，最终冷却温度可逼近湿球温度。

另外，复合空冷还具有以下优点：用复合空冷后其水冷器可以取消，这大大降低了设备投资［1］。

（2）复合空冷的冷凝盘管采用“集管”（如图2所示），能减少复合空冷内部阻力损失。

对于分馏塔顶油气管线，采用复合空冷可以降低整个管系的压降，提高压缩机入口的压力，降低压缩机功率，从而达到节能目的。

（3）高效脱水器及翅片预冷器的配合使用，能消除“白雾”现象，且高温工质在空冷段被预冷后大大减缓蒸发段结垢现象［2］。

（1）对于空冷器串联水冷器的换热方案，在采复合空冷的平面布置与普通干式空冷基本相似，易按照流程集中布置在管廊或构架的顶层。

在布置时应注意以下几点：（1）复合空冷的外形尺寸主要有9 m×3 m、9 m×2.5 m两种，其相应的钢支撑基础的尺寸为9 150 mm×3 190 mm、9 150 mm×2 590 mm，在平面布置时应考虑其对管廊或构架的尺寸要求。

复合空冷的钢支撑基础的高度除要满足系统接管高度要求外，离开地面应不低于1 000 mm，以便于对设备底部进行维护保养。

若复合空冷位于管廊或构架顶部，钢支撑基础可直接放在平台上，通过与结构梁的点焊来固定，具体的钢支撑基础的形式由空冷器厂家提供。

（2）为保证冷却效果，复合空冷进风口和排风口四周不应有遮挡或障碍物。

在复合空冷的全年最小频率风向下风侧不应有高温设备（如炉子、换热器、塔、罐及热油泵等）、锅炉房等，同时在复合空冷下面不要布置高温设备。

另外，为防止复合空冷腐蚀、结垢及着火，布置时注意在上风向处不要有腐蚀性气体、粉尘及油气排出。

（3）复合空冷不能靠近布置，设备与设备之间的最小间距要求为1 500 mm，与相同数量的干式空冷相比，其所需要的占地面积较大。

图3a、b为某项目中，在满足相同工艺条件下，干空冷与复合空冷均需要4台时的平面布置示意图。

受管桥空间限制，复合空冷选择了9 m×2.5 m形式，考虑到管道布置的要求，复合空冷采用“背靠背、面靠面”的方式进行布置，背靠背的间距满足最小间距要求，面靠面的间距根据管道布置需要来确定，在2 000 ～2 500 mm之间。

在上述条件下，4台复合空冷所占面积相当于5台干式空冷所占面积，在所需空冷器台位较多时，两者的差距将更大。

图4为另一项目中复合空冷平面布置示意图，该平面布置未采用“背靠背、面靠面”的方式，其所需的平面位置更大。

在进行平面布置时，应根据实际情况，合理选择方案。

另外，复合空冷最低冷却温度可以逼近湿球温度，对于空冷器串联水冷器的换热方案，在采用复合空冷后其相应的水冷器可以取消，在平面布置时，应考虑到其对相应冷换构架的影响。

（4）复合空冷的布置也要满足空冷器布置的一般要求。

不宜布置在操作温度等于或高于自燃点的可燃液体设备上方，若布置在其上方，应用非燃烧材料的隔板隔离保护；复合空冷与加热炉之间的距离及空冷器与变电所、配电室、仪表控制室等建筑物的间距应符合GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》的规定；布置空冷器时，应考虑地面上检修空冷器的机具的回旋空间及通道，在布置空冷器的管廊或构架的一侧地面，留出检修场地［3］。

复合空冷器的管嘴分布如图5所示，由图可知，复合空冷的管嘴主要包括：介质入口（6个）、介质出口（6个）、浮球阀接口（2个）、排污阀接口（2个）、溢流管接口（1个）。

复合空冷进口管嘴数为6个，热流体进入空冷器，通常是由一根总管经过分支后实现，为保证复合空冷各管嘴流量均匀，达到预期冷却效果，复合空冷入口管道应从集合管中间进料，管道宜对称布置，出口管道应采取相同的布置方式［4］，如图6所示。

复合空冷除了介质的进出口管嘴外，还有浮球阀接口、溢流管接口、排污阀接口等小管嘴。

其中，浮球阀接口和溢流管接口的主要作用是保证复合空冷集水箱内的水位维持在一定范围内，以保证冷却效果。

为防止盘管结垢，浮球阀接口需要接入除盐水，并根据工况为复合空冷补充用水；溢流管和排污阀管嘴排出的污水进入含油污水系统。

对于多台复合空冷并排布置时，布置在平台下方的除盐水总管线和含油污水总管线要进行合理规划。

气液两相流管道布置是复合空冷管道设计中经常遇到的。

气液两相流具有单相流动所不存在的许多复杂因素，气液两相流管道布置也有其特殊要求，配管不当会引起管道严重振动，从而导致管道和设备破坏。

复合空冷进口为气液两相流时，管线必须对称布置，确保气液能被均匀的分布到各个管束。

同时，各根支管应从下面插入入口集合管内，以使集合管管低的流体分配均匀［5-6］。

同时，气液两相流管道布置还应避免形成液袋或气袋。

若配管时形成液袋，则液体就会在低点积聚，当介质流动速度过低时，有可能充满低点处的管子，接下来后面的气体则会把低点所积聚的液体推走，而后又会有液体在低点积聚，气体再把液体推走，如此反复，最后形成柱状流。

这种情况下气体以比液体平均速度大得多的速度推着液体流动，碰撞回弯管件，形成激振力，从而引起管道的严重振动［7］。

复合空冷入口管，尤其是气液两相流管道，一般采取入口总管高于入口集合管，即在集合管上方居中部位接入的方式，这样势必抬高入口管总管的高度［8］。

复合空冷的箱体外护板、进风栅都已经做过防腐处理，厂家不允许在箱体上施焊，因此入口管线的支撑是管道布置的难点。

在空间允许的情况下，可按照图6所示，在平台上起柱子来支撑入口管线，在确定柱子位置时应确保立柱和斜撑不妨碍下层平台的通行及底部阀门的操作和检修且不能影响空冷器的吊装。

复合空冷的管嘴不能承受过大的应力，否则容易发生泄漏。

作用在管嘴上的管线和管束的热胀应力之和不得超过制造厂规定的应力范围。

当制造厂未提供允许值时，可按API 661的2倍值进行管道应力计算。

在管道应力计算时，复合空冷与普通空冷也存在不同，由图7可知，复合空冷每个管嘴都对应一组单独的“集管”，因此管嘴处不存在附加位移，这势必会增加管系对管嘴的作用力。

如果管嘴受力或力矩超过允许值，一般考虑通过管道自然补偿来增加管系柔性，图6中通过在管嘴处增加L弯来吸收热胀，降低管嘴受力。