空分冷箱基础设计浅析

基础设计浅析基础设计浅析 前言 记得 20 世纪的五、六十年代，某国一台小型空分，其冷箱底部是以木板、 木块绝热的。由于设备漏液，长时间未能发现，致使木板、木块逐渐被氧化，最 终燃烧、爆炸，损失惨重。在当时的空分行业引起了极大的震动。 20 世纪的 70 年代初，我国的××、××、××、××钢厂、××碱厂等也 发生多起空分冷箱基础冻胀、隆起、龟裂和倾斜，以致空分设备停产，对冷箱基 础进行修复改造、易地重建，给企业造成重大损失。这多起基础事故在当时的冶 金系统， 乃至全国空分行业引起了极大关注。 1974 年冶金部率先组织制定了 “制 氧空分设备基础设计、施工暂行规定（草案） ”并颁布试行。这是迄今为止我国 各部委唯一一个关于空分冷箱基础设计、施工规定。 空分冷箱基础在装置运行中承载大、经常处于低温状态，它的稳固、平整直 接影响冷箱内低温塔器的正常运行。因此， 空分冷箱基础在工厂设计中是极重要 的组成部分。 伴随着我国空分设备五十多年来的进步、发展，空分冷箱基础设计也经历了 由不成熟、频繁发生事故到逐渐成熟、设计得心应手，使用稳定可靠、有所发展 的过程。 1.空分冷箱基础传热及设计要点 1.1 蓄冷器空分流程时代，空分冷箱基础内的温度场（不论是平面或是断面）是 多场叠加的。这些温度场的中心分别是下塔、液空吸附器、液氧吸附器、蓄 冷器等。各设备的温度场严格讲都是球面分布的。同时，热交换是辐射、传 导和对流的综合结果，但以传导为主。因此，计算极为繁琐，结果也并不准 确。 由于在设计和运行中，主要考察的是这些冷设备对冷箱基础的影响，并 不关心冷设备之间的互相影响，因此，设计中就简化为只考虑冷设备单 向冷箱基础传导的平板传热。 随着空分技术的进步，蓄冷器流程逐渐被切换板式流程和分子筛流程所 取代。空分冷箱内的设备日趋减少。其温度场也趋于简单。设计中主要考虑 下塔对基础的影响就可以了。 1.2 基于 1.1 中所说空分冷箱中设备对基础传冷的特点。空分冷箱基础设计是主 要考虑的原则是： 1.2.1 空分冷箱中低温设备（主要是下塔）对基础的传冷形式主要考虑平板传导 作用。为了不使冷箱基础接受过低的温度，保证基础的正常、稳定运行，通 常需要采取如下措施： A.尽量减少向基础的传冷：其方法不外乎 *加大冷设备与基础顶面间的距离。 *冷设备与基础顶面间充填绝热性能好的保冷材料。 *使冷设备与基础间的绝热材料经常保持良好的隔冷状态。 B.使设备传给基础的冷量尽快散失：即设法使基础向周围空气的给热系数增 大和尽量加大基础的散冷面积。 1 对于一个建设在特定场地的冷箱基础对周围环境的给热系数往往无法人 为地改变。因此，加大基础的散冷面积便是经常使用的首选手段。 C.防止地下水的渗透、冻结对基础造成破坏。上世纪70 年代初，冶金系统发 生的几起空分冷箱基础破坏，都是由于漏液跑冷，基础处于低温，周围土壤 的浸润水分大量向基础渗透、聚集，致使基础发生冻结、膨胀造成破坏。 1.2.2 基础的稳固性和足够的强度。 1.2.3 基础的经济性：包括了基础材料的选择、施工的难易以及维护方便与否。 2.空分冷箱基础的典型形式 2.1基础顶面与冷箱底板间带有通风加热层的基础：这是国内使用较早的大型 空分基础。 制氧机厂 20 世纪 60 年代生产的制氧机组就曾使用这类基础。当时是室 内布置。 这种基础本体是普通混凝土实体式。基础顶面埋设了若干槽钢（立放） ， 这些槽钢间构成了通风风道。 同时在槽钢的通道间布置有蒸汽管，防止发生 漏液能及时对冷箱底板加热，以避免过多冷量传向基础。详见图 1。 图 1 2.2 实体式基础 2 基础本体为一个混凝土实体式构筑物。基础顶面有一层钢丝网，防止基 础面龟裂，提高防水性能。在基础周边增加若干钢筋，提高基础的整体性。 基础的地下部分有沥青防水层。 这种基础最为简单，多用于地下水位较低、气候干燥、沙质土壤的北方 地区。1970 年建于××的×××设备厂首套蓄冷器流程的机组的冷箱基础 就是这种形式。在 30 年的运行中从未发生过问题。 20 世纪的 70 年代由××引进的 6500 机组，当初××要求的也只是钢筋 混凝土实体式基础， 基础顶面也没有珠光砂混凝土隔热层。施工中用户为了 保险在基础顶面增加了 300mm 厚的珠光砂混凝土隔热层。典型的实体式基 础详见图 2。 2.3 带有通风管的空分冷箱基础 ×钢公司在 20 世纪的六、七十年代引进的的 10000 空分冷箱基础 （蓄冷 器流程）是这类基础的典型代表。最初建议在基础顶面铺 152mm 厚的泡沫 玻璃砖。但是，后来取消了这层泡沫玻璃砖。而在地上基础本体内增加了混 凝土通风管，管直径300mm, 管间净距 300～400mm，自然通风散冷，效果 也很好。装置运行一个月后测量，室外阳光下气温 33℃，通风管内 25℃。 为防止地下水渗入基础， 混凝土中加了防水剂。同时基础垫层上和侧面 铺设了 4mm 厚的钢板，侧板伸至地面以上。钢板外面还涂有二度樟丹，一度 沥青漆。 2.4 带有通风管和珠光砂混凝土隔冷层的基础。详见图 3。 目前，这种形式的基础适用于大中型空分基础。没有地域限制。是一种 比较成熟、可靠的通用形式。这种基础源于上世纪六、七十年代由日本引进 的空分设备。至今在形式、要求和施工方法上基本没有多大变化。 基础顶面的设计温度，根据国内设备制造厂提供的数据在-50～-90℃， 和类似基础的实测数据相当。工厂设计中要求通风管内夏季温度不低于 0℃，即使 0℃层不下降至地面以下。否则对基础的散冷和防冻不利。为安 全起见，基础使用的混凝土还要用耐低温混凝土，标号在 M75 以上。即冻融 次数达 150～200 次。 3 这种基础的施工要求比较高，特别是珠光砂混凝土层施工中，强度和导 热系数指标往往难以同时达到设计要求。 此外，要保证珠光砂混凝土层彻底 干透也比较困难。 图 3. 2.5.承台式冷箱基础：详见图 4。 这种基础多用于地下水位偏高、地面水较多的情况。例如××××3200 机组采用的就是承台式基础。 冷箱设备安装于承台之上，承台上也有珠光砂混凝土隔冷层。而承台是 依靠若干根混凝土柱支撑的。 支撑部分完全暴露于大气中，形成四面通风的 地下室，散冷条件极好。避免了基础本体渗水冻胀的可能。如果发生地下室 积水，可以随时清除。实践证明，这种形式的基础对多雨、地下水位较高的 地区是很适用的。 图 4. 2.6.框架式基础：详见图 5。 随着空分流程的发展以及空分设备制造技术和制造质量的提高。如焊接 冷阀门的使用，冷管道设计软件的广泛使用等都大大提高了空分设备的设计 和制造质量。大大减少了冷箱内设备、管道漏液的可能。目前，有的冷箱内 的低温设备连续运行 5～7 年不停车。 这就从根本上改善了空分基础的工作条 4 件。 此外，随着国家的改革开放，中国的设备走向世界。因此，不同国家、 不同地区的用户对我们的传统设计观念提出了质疑。要求我们改变观念，进 行创新。以适应不同用户，同时也提高了自身的竞争力。 ××××集团公司在出口的 1350 全液体空分设备和第二套独立的液化 装置上都设计了框架式基础。经过两年的运行，证明是成功的。这里将它称 为框架式基础结构。