空分后备系统设计及制造优化研究
时间：2023-06-22 13:40:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
蔡军
空气化工产品（中国）投资有限公司 （上海 201499）
空分后备系统是空分装置不可或缺的部分，其作用在于空分装置因故障停车或者检修时，将液氮或液氧储罐内储存的低温液体汽化后给下游用气装置进行供气，避免下游生产装置因紧急停车而产生大量的经济损失。后备系统供气的持续时间主要取决于两个因素，即储罐的容积和后备泵的流量。这就需要在后备系统供气时间和投资费用之间进行权衡取舍，最终实现经济效益的最大化。[1]
随着空分装置工艺的日益完善，从工艺优化方面减少投资费用越来越难。经过分析大量正在运行装置的使用反馈，总结了后备系统供气时间和投资费用之间的经验公式。因此要持续深入地优化设计和降低投资费用，就不得不聚焦于后备系统的各组成环节，力图采用新思路和新产品来降低土地使用率、设计和制造费用等。
1.1 后备系统的组成
后备系统主要有三大组成部分：低温储罐、低温后备泵以及低温液体蒸发器，具体见图1。
图1 液氮后备区域工艺流程
1.1.1 低温储罐
低温低压储罐目前大部分使用双层平底罐，内外罐中间填充珠光砂（膨胀珍珠岩），少部分国外项目的液氧储罐也会选用卧式罐。储罐供应商的选择一般集中在1～2 家，相对比较固定，中间不免有对于所供产品的信任度及稳定性的考虑。
1.1.2 低温后备泵
低温后备泵一般选用离心泵。根据输送压力的不同可以分为单级泵和多级泵，根据安装方式的不同可以分为立式泵和卧式泵，根据支撑形式的不同可以分为弹簧吊架和固定支座支撑。低温泵的选用一般集中在2 家供应商之间进行采购。
1.1.3 液体蒸发器
液体蒸发器通常分为水浴式和空浴式，空浴式通常选用翅片管式蒸发器，效果良好，蒸发量可靠。
1.2 后备系统选用实例
以空气化工产品（滨州）有限公司的液氧和液氮的后备系统为例，其产品分别为液氧（氧体积分数≥99.6%）、经汽化液氮［ρ（O2）≤7.145 mg/m3］。选用的储罐分别为1 600 m3的低压液氮平底罐和1 350 m3的低压液氧平底罐。液氮低温泵选用多级卧式泵ZP 3/170 和多级立式泵ZP 10/200，液氧泵选用多级立式泵VP 4/240。该项目中ZP 3/170 为新采用的多级卧式泵，相较于同级别的立式泵，能有效降低设计及制造成本。同时采用了增加防护墙的设计，减少了氧泵箱及阀箱的占地面积，优化了土地的利用率，能在一定程度上降低投资成本。
通常在项目刚开始询价时，低压力的离心泵可以选择卧式泵（外形见图2）或立式泵。当然，需要考虑不同厂家泵的必需汽蚀余量（NPSHr）以及液氮储罐的放置高度及特性曲线（见图3）等。在同等情况下，推荐选用卧式泵。
图2 液氮泵的外形
图3 设计工况下的液氮泵曲线
2.1 泵的性能及型号
目前使用的多级卧式泵最高级数为3 级，泵的叶轮直径约为170 mm，出口压力约为1.23 MPa，泵进口在泵体上部、出口在泵体侧面（泵数据见表1）。
表1 液氮泵性能参数
2.2 优化方式及效果
目前，制造工厂先制作撬块再运送到现场进行整体安装的方式，已经在后备系统的泵箱制作中被广泛应用。其优势对于北美及中东等人工费用高昂的地区更加明显。然而，撬块制造工厂在项目开始时对选用立式泵和卧式泵的估价会有区别。因为如果选用立式泵，由于存在泵箱的设计，设计和制造费用往往更高。而以往大部分使用的卧式深冷泵都是单级离心泵，很难满足不同项目的压力和流量需求。考虑到多级卧式离心水泵的应用比较成熟，直接咨询泵厂商，了解深冷泵是否有同样的卧式多级离心泵的设计。在初版泵图纸确定后，根据泵的进出口位置进行管道适配。
能降低设计和制造成本的原因在于，根据产品标准化设计原则，对立式泵采用泵箱设计（见图4），并在工厂内完成撬块制作后直接运送至现场。而如果选用水平泵，则不需要泵箱的撬块，直接由泵厂家发往项目现场即可。但是由于泵的个别差异性，导致泵箱很难完全标准化设计，这样取消泵箱不仅可以节约设计成本，更重要的是能节省大量制造成本，比如焊工的人工费用、碳钢及不锈钢的材料费用、检测试压及泵箱的运输费用等。
2.3 优缺点分析
选用卧式泵的优势十分明显，而且后期两家主要的泵厂家都有类似产品，相较于同等情况下的立式泵，该型卧式泵价格并没有太大差别。然而，相较于普通的多级卧式离心泵能做到更高的级数和扬程，就目前所知，在项目中所使用的深冷泵最大到3级，叶轮直径为260 mm，在高压储罐后备系统中仍然使用立式多级泵。
另外，由于多级卧式泵本身的设计问题，整个泵的重心偏离支撑点，因此只能采用混凝土固定支撑，这样就导致泵进出口管线的应力计算相对复杂，甚至需要增加膨胀节。
众所周知，液氧储罐相对于液氮来说有更大的风险，比如氧气的泄露和碳氢化合物的积聚等，尤其是高压液氧（≥4 MPa）系统中。而高压储罐入口的紧急切断阀是其中的安全重点。本次优化主要针对在缩短高压液氧泵与储罐距离的情况下，对储罐入口的紧急切断阀进行保护。
3.1 液氧泵的布置要求
考虑到紧急切断阀的重要性，以及行业内关于紧急切断阀损坏事故的反馈，要求泵箱和阀箱外壁远离紧急切断阀至少10 m 以上，以防止由于氧气泄露引起的爆炸而产生的物体飞溅砸坏或影响紧急切断阀的使用（详见图5）。
图5 液氧泵箱布置要求
按照空分装置安全规范要求，管径不低于DN50 的低温液体管线上应设置紧急切断阀，并且应该尽量靠近储罐的外罐壁，以便于紧急情况下关闭后对相关系统进行维修。通常紧急切断阀要求具备现场和远程紧急切断的功能。
3.2 优化方式及效果
本次优化的方向主要集中在缩短泵箱和液氧储罐之间的距离，起到节约土地的目的。把泵箱放置在储罐周边10 m 的距离内之后，就必须要解决紧急切断阀的防护问题。按照设计规定，紧急切断阀需要放置在储罐下方，通过储罐的支撑板防止来自垂直方向的对于紧急切断阀的威胁。但对于侧面的威胁目前尚无防护措施，因此在泵箱与紧急切断阀之间增加了一堵防护墙，墙的宽度和高度以没有物体能从可见区域飞过来击伤阀门为原则，每一套泵箱使用一面墙进行防护。图6 为完成后的防护墙及紧急切断阀的相对位置关系。
图6 优化后防护墙效果图
经过布置上的优化后，储罐外围的区域能更加合理地对冷液蒸发器及其他小罐子的位置进行布置，留出更多的预留用地进行后续规划以及新增装置等用途。
3.3 优缺点分析
该优化目前只针对于液氧平底罐，经过优化，比原来的位置可以缩短4 m 左右的距离。理论上，连接储罐和泵箱的管线进一步优化后可以缩短1～2 m，通常在一个储罐上设置两套泵箱，一开一备，能更紧凑地进行布置，高效地利用土地。不足之处在于，当选用3 套甚至4 套泵箱时，储罐下设置的防护墙也会相应增加，导致土建在进行桩位设计时很难对支撑桩进行合理的排布。虽然根据目前的项目经验，单个液氧储罐使用3 套泵箱的情况不多，但防护墙和储罐支撑桩的合理分布可进一步优化。大致的方向为使防护墙跟储罐上部的混凝土承台连接，使其能承受一部分储罐的质量，当然防护墙的强度和设计会进行相应修改，需要结合相应施工费用等进行综合分析。另一个不足是施工时会增加防护墙的费用，但对于更有效的土地利用来说该费用可忽略不计。
综上所述，对于设计和制造的优化只能确保在现有信息和技术储备下具有最优价值，并且均已在项目中成功应用。但随着新技术的应用和更多新信息的获取，相信还会触发进一步的优化和完善，比如组成部件的国产化应用。
在空分工艺和设备制造越来越成熟的当下，不同厂家的产品同质化现象越来越严重，这种在精细化管理和成本控制思想指导下的优化，从设计及制造的各个环节入手，从产品质量、交货周期以及产品占地面积的大小等重要因素发力，来增加产品的竞争力。
只有通过采用新产品、新技术并结合自身产品的特点不断进行优化，加上对土地的合理高效使用，做到有利于自身的发展也有利于客户的发展，才能持续保持产品的核心竞争力，真正做到空分后备系统的产品完全标准化和成本最优化，继而实现效益最大化。
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