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摘 要：水煤浆气化装置管廊的合理设计及布置对于节约成本，降低能耗，安全生产，具有十分重
要的意义。本文主要对水煤浆气化装置管廊上几种运送特殊介质的管道的布置做以探讨。
关键词：水煤浆气化装置；管廊；管道布置
1前言
“缺油、少气、富煤”是我国石化能源的基本结构。因此，根据这种石化能源分布不均的特点充分发挥我国煤炭资源的优势是符合我国国情，实现能源多元化的首选。近年来，随着各类煤化工产业的长足发展，煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等都有了相应的应用和发展[1]。煤炭气化[2]是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程，是一种发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的关键技术。在诸多煤化工产业中，水煤浆气化技术占有重要的一席之地。
水煤浆气化装置主要包括煤浆制备、煤气化、灰水处理、变换等装置[2]。为了更好的实现各装置间工艺物料及其辅助公用工程管道的连接和集中放置，设计了装置管廊。水煤浆气化装置管廊的特点是各装置间连接管道多、管径大，用来连接各装置的管廊相对来说也跨度大、宽度大，并且装置管廊的布置与各个装置的设备布置息息相关，管廊上下都有设备，所以管廊的尺寸还要符合设备的要求。水煤浆气化装置管廊（以年产60万吨甲醇为例），其长度均在200米以上，因此对装置管廊进行合理的设计及布置对于安全生产，节约成本，降低能耗，发展循环经济是具有重要的意义。
2 水煤浆气化装置管廊管道布置的原则[3]
为了保证工业管道的安全运行，保障人民群众生命和财产的安全，结合石油化工管道设计的基本要求，装置管廊中管道布置须遵循如下原则：（1）压力管道的设计应符合相关规范、标准、规定并满足管道仪表流程图的要求；（2）管廊中的管道布置要统筹规划，做到安全可靠、经济合理、整齐美观。（3）管道的布置应满足施工、操作和维修等各方面的要求；（4）大直径管道应靠近管廊柱子布置；（5）小直径，气体管道、公用工程管道放在管廊的中间；（6）工艺管道宜布置在与管廊连接的一侧；（7）低温管道和液化石油气管道不应靠近热管道布置；（8）管廊上管道设计时，应予留10%—30%的余量 ；（9）仪表和电力电缆槽架等宜布置在上层。基本布置原则如图1所示：
图1 水煤浆气化装置管廊管道布置原则
3 水煤浆气化装置管廊上各类管道布置的要点
在水煤浆气化装置管廊上管道的设计过程中，除了需要满足管道布置涉及的原则外，一些特殊管道的布置还需结合其自身的特点以及特定的工艺要求，合理调整设计方案。这些特殊的管道包括氧气管道、煤浆管道、黑水管道、事故火炬管道、蒸汽管道等，现将这几类管道的布置原则以及设计要领，需注意的事项浅析如下：
3.1氧气管道的布置[4，6]
氧气管道作为输送具有危险性的助燃气体的压力管道，要求架空敷设。进行管道布置时，应以利于吹扫为原则，并尽量减少弯头，选择合理的弯曲半径，力求简化管系，做到通气顺畅。氧气管道的支管应尽可能的从管道的上端接入。氧气管道和可燃气体共架敷设时，应放至于其下层或者管架的外侧。从经济性考虑，氧气管道的材质为不锈钢，造价高，布置时管线的走向也应尽量简单、直接，减少弯头的数量。因此在水煤浆气化装置管廊中，氧气管道应放置于管廊的最下层，且靠近气化炉一侧的管廊立柱。氧气管道与其它管道的间距应控制在500 mm以上。而且管廊上的氧气管道要有防静电措施，可通过采用≥6mm 铜芯软绞线与管廊立柱相连的方法将静电导入地下。
3.2 煤浆管线的布置[5，6]
煤浆管线是指为气化炉输送原料的管线。因为输送的流体比重大、流速缓慢、容易沉积、且磨蚀性强，长久以往会造成管道的堵塞或损坏，对生产装置的安全，平稳运行造成很大的伤害。因此为了保障管道的顺利、持久的运行，从煤浆制备装置的磨煤机送去气化装置煤浆槽的煤浆管线要保证有一定的坡度，并且选用弯曲半径R=5D长半径弯头（D为管道直径），以此来减少物料与管壁之间的摩擦，并减少物料在管壁上的积聚。为从根本上缩短整个管系的长度，并且要尽可能的缩短管线长度，杜绝液袋产生的方法。为此将煤浆管线放在上层管廊上，并选用R=5D长半径弯头来连接是很必要的。这样做既保证了整条管线无液袋、不绕弯，又保证了管线的坡度要求。从高压煤浆泵到气化炉头的煤浆管线较长，且煤浆泵采用隔膜活塞泵，有一定的振动频率，因此在布置时不仅要考虑管线的柔性，还要考虑管线的稳定性，因此管廊上固定架和限位架的选取是比不可少的。
3.3 黑水管线的布置[6]
黑水管线因为其自身的特点是温度高，磨蚀性强。因此在设计中要考虑到其热膨胀和热应力。我们采用Π型补偿器的办法来消除其热应力。但是，Π型补偿器的使用必然增加弯头的数量，而且会产生液袋并增加了管道的压力降，并对弯头处的冲刷易造成损坏。
如果解决管道长期运行过程中的所产生的管道堵塞和管件损坏问题。通过结合以往水煤浆气化装置管廊安全运行的经验，用三通加法兰（见图2）及法兰盲板的形式代替弯头是行之有效的好办法。安装位置选在管道的低点。这样，在我们的停车检修过程中，就可以及时的对黑水管线进行清洗和对损坏的管件进行更换，从而避免了在检修过程中，要通过破坏管道的方法来解决管道的堵塞问题。对与黑水管线，应在高点增加冲洗接头，底点增加排放口，而且其导淋的管口应水平放置。
图2 三通加法兰
3.4 事故火炬管道的布置[7]
事故火炬排放系统设置的目的是将工艺装置中的设备、管道上的安全阀、泄压阀、排放阀等在不正常操作（或事故）时排放的可燃物料，开停车时必须要排放的可燃物料和试车中暂时无法平衡时所必须排出的可燃物料收集并运送到火炬筒顶部的火炬头及时燃烧排放，以确保装置的安全运行。 在水煤浆气化装置中，火炬管线的管径一般都比较大，因此在配管过程中有一定的要求。对一些项目而言，事故火炬的工程直径有时可以达到DN 1300以上。事故火炬的局部温度可达240 ℃，因此我们必须考虑火炬管道的热应力与热位移。因管径较大，应考虑将其置于管廊的的上层，同时要考虑尽量放在管廊的边上，便于满足Π型补偿器的布置要求。并且火炬总管应在可能吹扫全部管道的端部设置氮气吹扫管（附图3）。火炬总管应保持一定的坡度，在管道的流动方向上，不能有集液的地方。如果形成液袋，应及时采取排液措施。具体做法是设置凝液收集罐沿线收集。
图3 氮气吹扫管
为符合工艺需求，火炬管道的布置应有3 ‰的坡度。同时为了满足工艺要求，我们必需考虑火炬管道的走向。
火炬管道因为管径较大，局部温度较高，会产生很大的热应力，过高的热应力会对管道支撑件造成伤害，有的使管道上的法兰连接部分发生泄漏，有的会影响旁边其它管道的安全运行，更加严重的情况甚至会影响管廊结构的安全性。如何很好的避免火炬管道热应力对管架造成的伤害，就是我们要解决的问题。我们现在一般的做法是通过设置Π型补偿器来解决管道的热应力问题。虽然Π型补偿器可以降低热应力，但同时有两方面的问题我们必须予以重视：其一，关于Π型补偿器固定点的选取；其二，Π型补偿器的放置位置。首先固定点的选取必须选在装置管廊的主梁上，管道通过固定点传递给管廊横梁的轴向推力不宜过大。因此固定点的间距我们控制在40m～50m为宜。关于第二点我们遵循的原则是选取的位置在距离固定点L/2处（L=两固定点间的距离），允许少量偏移，但是不允许偏置两固定点之间L/3距离；
3.5 蒸汽管道的布置[6，8]
水煤浆气化装置管廊上蒸汽管线种类多（低压蒸汽、中压蒸汽），管径大，长度长。采取Π型补偿器可有效补偿蒸汽管道的热位移。在管廊上，一般情况下蒸汽管道的固定点是集中放置的，固定点的间距一般控制在40～50m左右。如果固定点的间距过长，将造成Π型补偿器外伸臂太长，无法支撑。对于同一管系的蒸汽管道来讲，固定点间距的选择应保持等值，Π型补偿器的形状也应一样（见图4），这样可以抵消对固定点的轴向推力，且同时减少了对管廊立柱的推力，这样的设计也更为经济。
图4 蒸汽管道的布置中Π型补偿器的应用
根据蒸汽管线温度、材质、管径的不同，可通过图表法查得各蒸汽管线的外伸臂长度。但是图表法查得的数据只是粗算。但对于操作压力超过4MPa的中压蒸汽来讲，最好通过管机专业进行测算。Π型补偿器的套装可实现管道的集中放置，可将大管径、高温的管道放在管廊的外侧，将小直径、温度较低的管道放在大管道的Π型补偿器其内侧，这样不仅节省了空间，利于集中支撑，而且看上去更加美观、漂亮。对于大直径的管子我们采用 弯头加 弯头斜接来达到需要的高度。（见图5）
图5 Π型补偿器的套装
在蒸汽管道的布置中，对于方型补偿器布置，应尽量将其布置在两固定点中间，一般的原则是不允许偏置两固定点之间L/3距离，如果偏置等于L/3，则臂长增加1/3。（L=两固定点间的距离）
4展望
综上所述，水煤浆气化装置管廊的管道布置不仅要考虑满足既定的工艺需要，而且还要考虑经济合理；既要考虑实用、安全，又要考虑整齐、美观，并且还要做到方便检修。这就要求我们的工程人员在设计过程中须不断钻研，努力提高自身素质，及时总结经验，收集、整理相关资料，并与施工人员及时沟通，减少在设计和施工方面造成的失误和损失。
就目前来看，随着煤气化装置的规模化以及煤气化技术的不断改进，对管道布置的要求必然会更加严格。煤化工行业是固定投资比较大的行业，规模效益非常显著。同时煤化工也是资源消耗大、污染相对严重的行业。随着国家节能减排政策的实施，淘汰产能小、能耗大的企业，已是大势所趋。为此我们也迎来了新的机遇与挑战。我们的工程人员还需不懈的去努力，勤奋钻研，为建成并拥有花园般美好环境的现代化工厂而努力。
参考文献
[1]罗佐县.汪如朗.优化我国能源结构的思考 [J].2009，天然气技术，2：6-8
[2]郭冠龙.滑怀田. 浅析煤炭气化技术及发展趋势[J].2011，陕西煤炭，4：115-116
[3]蔡尔辅.《石油化工管道设计》[M].北京：化学工业出版社.2002
[4]肖家立.对氧气管道安全问题的一些看法[J].1982，深冷技术，1：38-39
[5]吴纯马.气化炉停车后炉头煤浆管线堵的原因及处理[J].2012，中氮肥，2：52-54
[6]徐至钧.《管道工程设计与施工手册》[M].北京：中国石化出版社.2005
[7]王怀义.石油化工管道安装设计便查手册[M].北京：中国石化出版社.2003
[8]刘军.蒸汽管道的设计与安装[J].2003， 能源研究与利用，4：41-44
作者简介
郭建：1980年出生，男，汉族。本科就读于北京化工大学机电学院，所学专业为过程装备与控制工程专业。现就职于华陆工程科技有限责任公司，工程师。
要的意义。本文主要对水煤浆气化装置管廊上几种运送特殊介质的管道的布置做以探讨。
关键词：水煤浆气化装置；管廊；管道布置
1前言
“缺油、少气、富煤”是我国石化能源的基本结构。因此，根据这种石化能源分布不均的特点充分发挥我国煤炭资源的优势是符合我国国情，实现能源多元化的首选。近年来，随着各类煤化工产业的长足发展，煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等都有了相应的应用和发展[1]。煤炭气化[2]是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程，是一种发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的关键技术。在诸多煤化工产业中，水煤浆气化技术占有重要的一席之地。
水煤浆气化装置主要包括煤浆制备、煤气化、灰水处理、变换等装置[2]。为了更好的实现各装置间工艺物料及其辅助公用工程管道的连接和集中放置，设计了装置管廊。水煤浆气化装置管廊的特点是各装置间连接管道多、管径大，用来连接各装置的管廊相对来说也跨度大、宽度大，并且装置管廊的布置与各个装置的设备布置息息相关，管廊上下都有设备，所以管廊的尺寸还要符合设备的要求。水煤浆气化装置管廊（以年产60万吨甲醇为例），其长度均在200米以上，因此对装置管廊进行合理的设计及布置对于安全生产，节约成本，降低能耗，发展循环经济是具有重要的意义。
2 水煤浆气化装置管廊管道布置的原则[3]
为了保证工业管道的安全运行，保障人民群众生命和财产的安全，结合石油化工管道设计的基本要求，装置管廊中管道布置须遵循如下原则：（1）压力管道的设计应符合相关规范、标准、规定并满足管道仪表流程图的要求；（2）管廊中的管道布置要统筹规划，做到安全可靠、经济合理、整齐美观。（3）管道的布置应满足施工、操作和维修等各方面的要求；（4）大直径管道应靠近管廊柱子布置；（5）小直径，气体管道、公用工程管道放在管廊的中间；（6）工艺管道宜布置在与管廊连接的一侧；（7）低温管道和液化石油气管道不应靠近热管道布置；（8）管廊上管道设计时，应予留10%—30%的余量 ；（9）仪表和电力电缆槽架等宜布置在上层。基本布置原则如图1所示：
图1 水煤浆气化装置管廊管道布置原则
3 水煤浆气化装置管廊上各类管道布置的要点
在水煤浆气化装置管廊上管道的设计过程中，除了需要满足管道布置涉及的原则外，一些特殊管道的布置还需结合其自身的特点以及特定的工艺要求，合理调整设计方案。这些特殊的管道包括氧气管道、煤浆管道、黑水管道、事故火炬管道、蒸汽管道等，现将这几类管道的布置原则以及设计要领，需注意的事项浅析如下：
3.1氧气管道的布置[4，6]
氧气管道作为输送具有危险性的助燃气体的压力管道，要求架空敷设。进行管道布置时，应以利于吹扫为原则，并尽量减少弯头，选择合理的弯曲半径，力求简化管系，做到通气顺畅。氧气管道的支管应尽可能的从管道的上端接入。氧气管道和可燃气体共架敷设时，应放至于其下层或者管架的外侧。从经济性考虑，氧气管道的材质为不锈钢，造价高，布置时管线的走向也应尽量简单、直接，减少弯头的数量。因此在水煤浆气化装置管廊中，氧气管道应放置于管廊的最下层，且靠近气化炉一侧的管廊立柱。氧气管道与其它管道的间距应控制在500 mm以上。而且管廊上的氧气管道要有防静电措施，可通过采用≥6mm 铜芯软绞线与管廊立柱相连的方法将静电导入地下。
3.2 煤浆管线的布置[5，6]
煤浆管线是指为气化炉输送原料的管线。因为输送的流体比重大、流速缓慢、容易沉积、且磨蚀性强，长久以往会造成管道的堵塞或损坏，对生产装置的安全，平稳运行造成很大的伤害。因此为了保障管道的顺利、持久的运行，从煤浆制备装置的磨煤机送去气化装置煤浆槽的煤浆管线要保证有一定的坡度，并且选用弯曲半径R=5D长半径弯头（D为管道直径），以此来减少物料与管壁之间的摩擦，并减少物料在管壁上的积聚。为从根本上缩短整个管系的长度，并且要尽可能的缩短管线长度，杜绝液袋产生的方法。为此将煤浆管线放在上层管廊上，并选用R=5D长半径弯头来连接是很必要的。这样做既保证了整条管线无液袋、不绕弯，又保证了管线的坡度要求。从高压煤浆泵到气化炉头的煤浆管线较长，且煤浆泵采用隔膜活塞泵，有一定的振动频率，因此在布置时不仅要考虑管线的柔性，还要考虑管线的稳定性，因此管廊上固定架和限位架的选取是比不可少的。
3.3 黑水管线的布置[6]
黑水管线因为其自身的特点是温度高，磨蚀性强。因此在设计中要考虑到其热膨胀和热应力。我们采用Π型补偿器的办法来消除其热应力。但是，Π型补偿器的使用必然增加弯头的数量，而且会产生液袋并增加了管道的压力降，并对弯头处的冲刷易造成损坏。
如果解决管道长期运行过程中的所产生的管道堵塞和管件损坏问题。通过结合以往水煤浆气化装置管廊安全运行的经验，用三通加法兰（见图2）及法兰盲板的形式代替弯头是行之有效的好办法。安装位置选在管道的低点。这样，在我们的停车检修过程中，就可以及时的对黑水管线进行清洗和对损坏的管件进行更换，从而避免了在检修过程中，要通过破坏管道的方法来解决管道的堵塞问题。对与黑水管线，应在高点增加冲洗接头，底点增加排放口，而且其导淋的管口应水平放置。
图2 三通加法兰
3.4 事故火炬管道的布置[7]
事故火炬排放系统设置的目的是将工艺装置中的设备、管道上的安全阀、泄压阀、排放阀等在不正常操作（或事故）时排放的可燃物料，开停车时必须要排放的可燃物料和试车中暂时无法平衡时所必须排出的可燃物料收集并运送到火炬筒顶部的火炬头及时燃烧排放，以确保装置的安全运行。 在水煤浆气化装置中，火炬管线的管径一般都比较大，因此在配管过程中有一定的要求。对一些项目而言，事故火炬的工程直径有时可以达到DN 1300以上。事故火炬的局部温度可达240 ℃，因此我们必须考虑火炬管道的热应力与热位移。因管径较大，应考虑将其置于管廊的的上层，同时要考虑尽量放在管廊的边上，便于满足Π型补偿器的布置要求。并且火炬总管应在可能吹扫全部管道的端部设置氮气吹扫管（附图3）。火炬总管应保持一定的坡度，在管道的流动方向上，不能有集液的地方。如果形成液袋，应及时采取排液措施。具体做法是设置凝液收集罐沿线收集。
图3 氮气吹扫管
为符合工艺需求，火炬管道的布置应有3 ‰的坡度。同时为了满足工艺要求，我们必需考虑火炬管道的走向。
火炬管道因为管径较大，局部温度较高，会产生很大的热应力，过高的热应力会对管道支撑件造成伤害，有的使管道上的法兰连接部分发生泄漏，有的会影响旁边其它管道的安全运行，更加严重的情况甚至会影响管廊结构的安全性。如何很好的避免火炬管道热应力对管架造成的伤害，就是我们要解决的问题。我们现在一般的做法是通过设置Π型补偿器来解决管道的热应力问题。虽然Π型补偿器可以降低热应力，但同时有两方面的问题我们必须予以重视：其一，关于Π型补偿器固定点的选取；其二，Π型补偿器的放置位置。首先固定点的选取必须选在装置管廊的主梁上，管道通过固定点传递给管廊横梁的轴向推力不宜过大。因此固定点的间距我们控制在40m～50m为宜。关于第二点我们遵循的原则是选取的位置在距离固定点L/2处（L=两固定点间的距离），允许少量偏移，但是不允许偏置两固定点之间L/3距离；
3.5 蒸汽管道的布置[6，8]
水煤浆气化装置管廊上蒸汽管线种类多（低压蒸汽、中压蒸汽），管径大，长度长。采取Π型补偿器可有效补偿蒸汽管道的热位移。在管廊上，一般情况下蒸汽管道的固定点是集中放置的，固定点的间距一般控制在40～50m左右。如果固定点的间距过长，将造成Π型补偿器外伸臂太长，无法支撑。对于同一管系的蒸汽管道来讲，固定点间距的选择应保持等值，Π型补偿器的形状也应一样（见图4），这样可以抵消对固定点的轴向推力，且同时减少了对管廊立柱的推力，这样的设计也更为经济。
图4 蒸汽管道的布置中Π型补偿器的应用
根据蒸汽管线温度、材质、管径的不同，可通过图表法查得各蒸汽管线的外伸臂长度。但是图表法查得的数据只是粗算。但对于操作压力超过4MPa的中压蒸汽来讲，最好通过管机专业进行测算。Π型补偿器的套装可实现管道的集中放置，可将大管径、高温的管道放在管廊的外侧，将小直径、温度较低的管道放在大管道的Π型补偿器其内侧，这样不仅节省了空间，利于集中支撑，而且看上去更加美观、漂亮。对于大直径的管子我们采用 弯头加 弯头斜接来达到需要的高度。（见图5）
图5 Π型补偿器的套装
在蒸汽管道的布置中，对于方型补偿器布置，应尽量将其布置在两固定点中间，一般的原则是不允许偏置两固定点之间L/3距离，如果偏置等于L/3，则臂长增加1/3。（L=两固定点间的距离）
4展望
综上所述，水煤浆气化装置管廊的管道布置不仅要考虑满足既定的工艺需要，而且还要考虑经济合理；既要考虑实用、安全，又要考虑整齐、美观，并且还要做到方便检修。这就要求我们的工程人员在设计过程中须不断钻研，努力提高自身素质，及时总结经验，收集、整理相关资料，并与施工人员及时沟通，减少在设计和施工方面造成的失误和损失。
就目前来看，随着煤气化装置的规模化以及煤气化技术的不断改进，对管道布置的要求必然会更加严格。煤化工行业是固定投资比较大的行业，规模效益非常显著。同时煤化工也是资源消耗大、污染相对严重的行业。随着国家节能减排政策的实施，淘汰产能小、能耗大的企业，已是大势所趋。为此我们也迎来了新的机遇与挑战。我们的工程人员还需不懈的去努力，勤奋钻研，为建成并拥有花园般美好环境的现代化工厂而努力。
参考文献
[1]罗佐县.汪如朗.优化我国能源结构的思考 [J].2009，天然气技术，2：6-8
[2]郭冠龙.滑怀田. 浅析煤炭气化技术及发展趋势[J].2011，陕西煤炭，4：115-116
[3]蔡尔辅.《石油化工管道设计》[M].北京：化学工业出版社.2002
[4]肖家立.对氧气管道安全问题的一些看法[J].1982，深冷技术，1：38-39
[5]吴纯马.气化炉停车后炉头煤浆管线堵的原因及处理[J].2012，中氮肥，2：52-54
[6]徐至钧.《管道工程设计与施工手册》[M].北京：中国石化出版社.2005
[7]王怀义.石油化工管道安装设计便查手册[M].北京：中国石化出版社.2003
[8]刘军.蒸汽管道的设计与安装[J].2003， 能源研究与利用，4：41-44
作者简介
郭建：1980年出生，男，汉族。本科就读于北京化工大学机电学院，所学专业为过程装备与控制工程专业。现就职于华陆工程科技有限责任公司，工程师。