某多晶硅项目压缩机布置及其管道的设计

某多晶硅项目压缩机布置及其管道的设计

郁丽薇

中石化南京工程有限公司 江苏省南京市 210000

摘要： 对某多晶硅项目中往复式压缩机的布置及其管道设计进行了详细阐述。针对压缩机管道的振动特性，通过合理布置管道和设置支架，减小压缩机振动对管道的影响。

关键词：往复式压缩机；管道设计；防振；支架

0 引言

气体压缩机是石油化工生产装置中的常用设备之一，按压缩方式主要分为容积式和速度式两大类。往复式压缩机属于容积式压缩机，它依靠活塞的往复运动使气体升压。因其具有在各种流量下都能达到所需压力，排气压力高且稳定的优点，特别适合用于中、小容量的高压范围，在石油化工装置中应用十分广泛^[1]。但由于往复式压缩机这种间歇式的增压原理，不可避免会给设备本身和相连管道带来振动，因此我们需要合理布置压缩机和管道，并采取减振措施来保证设备的稳定运行^[2]。

1 往复式压缩机的布置

根据工艺要求，该多晶硅项目尾气回收及回收料分离提纯单元共有三台尾气压缩机（氢压机）及两台再生氢气压缩机，均为往复式压缩机。

进入其中进行压缩的气体介质主要含有H2、TCS（精制三氯氢硅）、DCS（二氯二氢硅）、少量STC（四氯化硅）、少量HCL等易燃物质。根据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）^[3]中可燃物质的火灾危险性分类，氢气属于甲类可燃气体。其中还规定可燃气体压缩机宜布置在敞开或半敞开式厂房内。考虑氢气较空气轻，分子直径小易泄露且易燃易爆，若置于半敞式或封闭式厂房内，还需在顶部采取通风措施，故在此装置中采取露天布置。另外，按照工艺流程顺序和同类设备适当集中布置的原则，五台压缩机平行依次布置，以便管线设计及开工后机器的集中维护。再者，根据设备、建筑物平面布置的防火间距要求，甲类可燃气体压缩机与明火设备之间的距离≥22.5m，故将尾气回收装置主框架与压缩机厂房分别布置在管廊两侧。

2 往复式压缩机管道的设计

往复式压缩机由于活塞的往复运动而造成流体的脉动，容易使得压缩机进出口管道产生振动。若不加以抑制和排除，容易造成机器损坏、管道破裂以及气体泄漏。如果气体可燃或有毒，更会造成更为严重的事故。因此，在管道设计上，就应尽可能减小振动，防止引起共振。

2.1 进出口管道的设计

在本装置中，压缩机组露天单层布置，其优点是进出口管道均可布置在由地面生根的管架上，并用关卡固定，有利于减振。由于压缩机组基础一般较高，如尾气压缩机气缸中心标高为2.7m，进口缓冲罐置于气缸上侧，进气管口中心线高度达到4.0m；而出口缓冲罐位于气缸下侧，出气管口中心线高度约为1.3m。考虑压缩机组与缓冲罐之间留有通道，便于操作维修，且方便制作支架，则将进出口管道调至同一管底标高2.5m，并列布置。当遇到阀组时，阀组标高调至0.6m，以便于操作。

压缩机的管道比较特殊，在热胀的同时又伴有振动，为防振必须对管道进行固定，但固定又会限制热胀,所以管系中由膨胀引起的热应力不可避免^[4]。在进行管道设计时，我们应考虑整个空间管系。作为一个连接的整体，各管单元的受力不再是单一的拉压，而可能同时受到弯曲、扭转、剪切等力的作用。因此，合理设置管道走向，将管系布置成有较好柔性的空间几何形状，即可有效降低由热胀或附加位移而产生的应力，也可降低管系对设备管口的附加力。

此外，在满足管道柔性及管口作用力和力矩的条件下，应尽量平直，少拐弯。特别对于往复式压缩机，在使用弯头时，应使用45°弯头或使用大曲率半径弯管。针对压缩机入口管道，应逆坡向分液罐或入口集合处，防止内凝液进入压缩机气缸；且在靠近进气缓冲器的水平管段上，设置进气过滤器，以便于净化进入压缩机的气体。

2.2 辅助系统管道的设计

本装置压缩机的辅助系统管道包括油管路系统，充氮、充氢保护系统和水管路系统。其中，油路系统、压缩机组内部的充氮、充氢保护系统和水管路系统由制造厂供货。我们只需将氮气、氢气分别由主管廊引入压缩机组的充氮、充氢气源进口管，然后将混合气由充氮充氢引出管排至尾气处理系统；另将循环进水、回水分别接至压缩机组进水、回水总管即可。由于充氮、充氢保护系统的管线DN≤40，所以选择进气出气均沿主管成组布置，统一做支撑。压缩机的循环水进水、回水管道接自给排水专业埋地管道。

2.3 支架的设置

当振动管道走向确定之后，须从整个管系全局考虑，在适当位置设置支架。首先，由于阀门的自重会改变管系的载荷平衡，所以在阀门前后都要设置支架；然后，为减少振动，管道宜布置在不等跨的管墩上，同时相邻两个间距不得相等，通常≤3m；再者，振动管道（DN≤40除外）的管墩、支架基础必须与压缩机基础、建筑物、构筑物基础分开，振动管道的支撑也不得生根于厂房、构架、平台和设备上；最后，在既要抗振又不妨碍管道热位移的条件下，合理的在每一个管墩或支架上设置导向管卡、管托或固定管卡，在管卡和管道之间衬一定厚度的软木垫或橡胶垫可以更加有效的抑制振动。

2.4 进出口管道的脉动分析和振动分析

2.4.1 脉动分析

往复式压缩机系统内所容纳的气体称为气柱，它经过压缩、膨胀、具有弹性和质量，故是一个弹性振动系统。当压缩机周期地、间歇地进气或排气时会引起管道内气流压力脉动，气体压力被沿气柱以音速传播，在设备和管道转弯或截面变化处形成激振力，造成管路振动、测量仪表读数错误或其他性能问题。

本项目采用平面波动理论对压缩机系统进行脉动分析，对管系中的所有关键点（如缓冲器与气缸接口法兰处、缓冲器与管路接口法兰出、管道拐点及变径处）进行考察，当任何测试点脉动值超出规范要求，则对原管系进行修改并再次计算分析，直至分析满足要求。

2.4.2 机械振动分析

压缩机管道和内部流体构成的系统具有一系列固有频率，当压缩机激发频率与某阶固有频率相等时，系统即产生对应于该阶频率的共振。此时，管道将产生较大的位移和应力，使管内流体脉动达到极大值。

为避免发生共振，必须对压缩机进出口管道进行机械振动分析，即计算调整管系结构的固有频率，使其避开机械共振，验算管系在压力脉动作用下的振动位移及应力，使其在允许范围内。

管架最终形式及位置由机械振动分析结果决定。

3 总结

本装置中五台往复式压缩机，在符合规范要求的前提下，综合考虑压缩介质易燃特性及操作检修方便，采用露天平行依次布置。

而往复式压缩机的管道设计，因其振动和热胀特点，成为一重要课题。从配管设计角度，可采用以下方法进行改善：

（1）利用管系自身形状所具有的柔性来达到吸收热胀及位移的自补偿方法结构简单，在管系布置中应优先选用；

（2）对管系进行脉动分析及机械振动分析，根据分析结果调整管道及支架，避免共振的同时，使管道自重及热胀推力和力矩尽可能不作用到压缩机管口上；

（3）振动管道（DN≤40除外）的管墩、支架基础必须与压缩机基础、建筑物、构筑物基础分开，振动管道的支撑也不得生根于厂房、构架、平台和设备上；

（4）在既要抗振又不妨碍管道热位移的条件下，合理的在每一个管墩或支架上设置导向管卡、管托或固定管卡，在管卡和管道之间衬一定厚度的软木垫或橡胶垫可以更加有效的抑制振动。

参考文献

[1] 梁涌.往复压缩机气量无级调节系统的原理及应用[J].压缩机技术，2007,(3)：13～17.

[2] 徐臣华.往复式压缩机的管道布置及防振措施[J].化工设备与管道，2008,45(5)：51～54.

[3] GB50160-2008 石油化工企业设计防火规范[S].北京：中国标准出版社.

[4] 陶云勇.管道合理布置对压缩机稳定运行的影响[J].石油化工设备，2012,41(3)：74～76.