汪寿建，陈 京，张 宁

（1.中国化学工程股份有限公司，北京 100007；2.中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

专题综论

现代煤化工压缩机厂房建筑设计浅析

汪寿建1，陈 京2，张 宁2

（1.中国化学工程股份有限公司，北京 100007；2.中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

煤化工压缩机厂房按国家现行标准规范设计，是煤化工装置正常、稳定、长周期运行的基础，特别是当压缩机厂房在生产过程中遇到火灾、爆炸、有毒及有害气体等危害因素时，能够尽量避免安全事故的发生，尽可能降低安全事故危害的程度。重点探讨了压缩机厂房在建筑、结构设计方面对确保煤化工装置安全、稳定运行的重要性。

煤化工；压缩机厂房；建筑结构；防火防爆；设计；安全运行

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.001

在大型煤化工工业园区，经常可以看到现代煤化工装置中的压缩机厂房建筑，它们是煤化工装置物料获取高压源的核心区域。压缩机厂房一般是复式单层厂房，也有部分是多层厂房。在压缩机厂房装置生产过程中若遇到火灾、爆炸、有毒及有害气体等危害因素时，设计优良的压缩机厂房建筑能够尽量避免安全事故的发生，降低安全事故危害的程度，这也是设计师追求的目标。笔者曾对大量的煤化工装置压缩机厂房进行现场考察，身临其境，感受颇多，体会深刻。

笔者在宁夏宁东大型煤化工基地就见到十几个压缩机厂房，这些压缩机厂房在其建设过程中均存在一些设计或工程方面的不足。本文重点论述了压缩机厂房建筑设计元素在建筑、结构设计等方面，保证装置安全、稳定、长周期运行过程中的重要性；以人为本，以确保煤化工装置安全、稳定运行。

1　压缩机厂房荷载取值和内力分析计算

1.1压缩机厂房荷载取值计算

压缩机厂房荷载取值是压缩机厂房建筑设计的重要参数，是设计首先要获取的基础数据，主要包括：永久荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、地震作用以及荷载组合等。有些荷载是必需要计算的，主要有以下几种。

（1）永久荷载。包括屋盖、柱、吊车梁及轨道连接件、围护结构等自重、操作平台质量及长期使用的设备质量（包括物料质量）。

（2）屋面活荷载。屋面活荷载按现行国家标准取值。雪荷载应按现行国家标准有关规定取值，或按当地气象资料确定，不考虑积雪等不均匀分布因素。操作平台活荷载由工艺专业提供或按现行国家标准的规定设置。特重零部件的安装和检修，其荷载值可根据零部件放置方式确定或按等效均布荷载换算确定。

（3）吊车荷载。竖向荷载：每榀排架按1台吊车荷载考虑；横向水平荷载：每榀排架按1台吊车的横向水平制动力考虑；纵向水平荷载：对任一柱列按1台吊车的纵向水平制动力考虑。

桥式（梁式）吊车的轮压按吊车资料确定，当无资料时，可按下列公式确定：

式中：Pmax为吊车最大轮压，kN；Pmin为吊车最小轮压，kN；Q为吊车起重量，kN；G为吊车总质量，kN；g为吊车卷扬小车质量，kN；Lk为吊车跨度，m；Li为吊钩至吊车轨道中心的最小极限距离，m；n为吊车两端总轮数。

电动桥式（或梁式）吊车的横向和纵向水平荷载标准值按现行国家标准规定取值。

（4）风荷载。作用于厂房表面的风荷载按国家现行标准有关规定取值。沿厂房高度的风荷载按矩形分布考虑，风压高度变化系数μs按现行国家标准有关规定取值。对于柱顶以上风荷载，无天窗时，按厂房檐口或女儿墙顶标高取值；有天窗时，按天窗檐口标高取值。柱顶以下风荷载按柱顶标高取值。柱顶以上风荷载以集中水平荷载形式作用于柱顶，按现行国家标准有关规定取值。当厂房两侧设有挡雨板敞开式或半敞开式建筑时，仍按封闭式建筑考虑。当厂房两侧完全敞开，按敞开式建筑考虑。

（5）地震作用。地震作用：抗震设防烈度按现行国家标准《中国地震动参数区划图》GB18306的有关规定执行，城镇中心区域应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的附录 A取值。抗震设防分类见现行国家标准《化学工业建（构）筑物抗震设防分类标准》GB50914的有关规定。计算地震作用时，其建筑的重力荷载代表值按国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011第5.1.3条执行。

1.2压缩机厂房内力分析计算

结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态，依照组合规则进行荷载效应的组合，并取最不利组合进行设计。

进行内力组合时应注意以下主要问题：①永久荷载在任何一种内力组合时都应存在；②吊车荷载Dmax应当分别作用在左柱和右柱；③在考虑吊车横向水平荷载时，必须考虑竖向吊车荷载；④应当考虑左右两个方向的横向水平作用；⑤风荷载的作用方向考虑左右两种情况；⑥当厂房一侧或两侧为钢筋混凝土操作平台时，应考虑平台柱与厂房柱的共同工作，将平台作为排架的组成部分，应按复式排架进行内力分析。

钢筋混凝土柱截面的强度按国家现行标准的有关规定进行计算，宜采用对称配筋，并按偏心受压构件进行计算。厂房柱牛腿按现行国家标准的有关规定进行计算。当厂房内设有中、低转速的往复式压缩机时，应考虑厂房结构及部分构件（如平台柱、悬臂梁、屋面构件等）以及压缩机基础的自振频率与压缩机的扰力频率避开±25%，以防止发生共振。

2　压缩机厂房围护型式及楼层结构

2.1压缩机厂房围护型式

压缩机厂房的围护结构型式有敞开式、半敞开式和封闭式3种。厂房的围护结构型式选择要对建设项目所在地的环境条件、安装、防噪音、安全性、生产操作运行和检修等要求进行多角度的综合分析，从而确定厂房的建筑围护型式，使其在生产、运行、操作、安全和环保等方面达到最佳的效果。

2.2压缩机厂房楼层结构

单层压缩机厂房设计结构简单，可以采用大跨度、大进深，地面就可安装重型设备。单层厂房具有适应性强，可建成大跨度、大面积，也可建成小跨度、小面积的优势，当占地面积大，相应增加了道路、管线和运输线路的长度。单层厂房柱距多用6m柱距，或采用9 m、12 m、18 m柱距，跨度也采用以3 m、6 m为基本模数，便于构件的标准化、定型化。单层厂房结构通常采用钢筋混凝土排架结构体系，特殊高大或有振动的厂房可用钢结构体系。

多层压缩机厂房是在单层厂房基础上发展起来的。这类厂房有利于安排竖向生产流程，管线集中，管理方便，占地面积小。多层压缩机厂房平面有多种形式，最常见的是内廊式不等跨布置，中间跨作通道。以自然采光为主的多层厂房，宽度一般为15～24m，过宽则中间地带采光不足。多层厂房层高一般为4～5m，为取得足够的自然光可达6m，多层厂房宜采用钢筋混凝土框架结构。

3　压缩机厂房屋面支撑结构和柱间支撑结构

3.1压缩机厂房屋面承重结构

（1）屋盖结构分为无檩体系和有檩体系。无檩体系由大型屋面板、屋架或屋面梁、屋盖支撑组成。有檩体系由小型屋面板、檩条、屋架或屋面梁、屋盖支撑组成。有檩体系因其刚度小、整体性差，仅适用于中小型厂房。为满足厂房内通风和采光需要，屋盖结构中有时还需设置天窗架（其上也有屋面板）及天窗架支撑。当生产工艺或使用上要求抽柱时，则需在抽柱的屋架下设置托架。对有泄压要求或振动较大的厂房，除应加强上、下弦水平支撑外，还应适当增强屋架之间的垂直支撑，从而提高厂房的空间刚度和整体稳定性。厂房屋面承重结构形式较多，有轻型屋面梯形钢屋架、屋面梯形钢屋架、实腹钢梁等。

（2）压缩机厂房屋盖。压缩机厂房屋面可采用轻质屋面板或压型钢板等。屋面采用轻质屋面板时，每块屋面板与屋架的连接应满足三点焊接，以形成刚性屋盖体系。屋面采用有檩屋面时，檩条应通过连接件与屋架（屋面梁）牢固连接，并应有足够的支撑长度。

3.2压缩机厂房柱间支撑结构

（1）压缩机厂房排架结构常用的类型：钢筋混凝土排架结构、钢排架结构和门式刚架三种。厂房高度或吊车轨顶标高按生产工艺要求确定。对单层厂房结构通常采用钢筋混凝土结构排架体系；对特殊高大或有振动的厂房可采用钢结构排架体系；一般为格构式柱、钢屋架或者下部为格构柱，上部为门式刚架结构。

（2）排架柱间支撑设置。压缩机厂房采用排架结构时，应保证排架纵横两个方向都具有可靠的稳定性和足够的空间刚度。构件的构造连接，必须具有可靠的锚固措施，以确保排架体系的整体性。排架厂房柱间支撑应符合下列要求：当压缩机厂房单元中部设置上、下柱柱间支撑，有吊车或抗震设防烈度为8度和9度时，宜在压缩厂房单元两端增设上柱支撑；当压缩厂房单元较长或8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，可在厂房单元中部1/3范围内设置两道上、下柱间支撑，两个柱间支撑之间的距离不宜＞66m；当柱子被足够强度和良好稳定性的墙体嵌固（单层钢结构除外）、具有可靠的整体作用，且吊车起重质量＜5 t时，可不设柱间支撑，现浇框排架厂房沿纵向宜设柱间支撑。

（3）钢筋混凝土排架柱截面选择。钢筋混凝土排架柱截面形式可根据其截面高度h按下列规定采用：当截面长边尺寸h≤700 mm时应采用矩形柱；当截面长边尺寸为700 mm＜h≤1 400 mm时，采用矩形柱或工字形柱；当截面尺寸为1 400mm＜h≤1 600mm时，采用工字形柱或双肢柱，其中工字形柱已很少用到，主要是经济性变差；当截面长边尺寸h＞1 600 mm时，可采用双肢柱；当抗震设防烈度为8度和9度时，不宜采用薄壁工字形柱、腹板开孔的工字形柱、预制腹板的工字形柱和管柱。

（4）厂房跨距及柱距选择。压缩机厂房跨度选择，通常考虑工艺参数、设备布置和操作条件等因素来确定。柱网布置既是确定柱的位置，也是确定屋面板、屋架或屋面梁和吊车梁等构件的跨度，同时涉及到其他结构构件的布置。一般采用3m的模数，常用的跨度有18m、21m、24m、27 m、30 m。在压缩厂房柱距选择上，当工艺、布置无特殊要求时，根据厂房平立面尺寸、屋面荷载和风压等情况应选择最佳经济柱距，一般为6～7.5m左右。单层厂房柱距常用6m，或采用7.5m柱距等。山墙柱选择，应根据厂房跨度和屋架结构形式，使山墙柱与端部屋架（屋面梁）连接可靠。厂房柱不宜兼作管廊或管架的支柱，穿越厂房的蒸汽管道和压力管道，应架设在独立的管道支架上，不得直接支撑在梁、柱或墙体上。蒸汽管道和压力管道与厂房墙体结构接触处，除考虑管道保温厚度外，还应留有≥50mm的空隙。地震区厂房还应满足结构抗震设计和构造的各项要求。

（5）压缩机厂房吊车柱和梁。压缩机厂房吊车工作级别可按A1～A3考虑。吊车梁可采用预应力钢筋混凝土吊车梁、钢吊车梁或钢与混凝土组合的吊车梁。当起重质量Q≤15 t时，也可采用普通钢筋混凝土吊车梁、型钢混凝土吊车梁或钢吊车梁。排架柱一般采用预制或现浇钢筋混凝土柱。柱间支撑采用交叉式支撑，斜杆与水平面夹角取35°～55°。当下柱截面高度h≥700 mm时，下柱支撑应采用双肢形式，且两肢之间应连接，上柱支撑一般采用单肢支撑。由于通行或设备管道布置不宜采用交叉式支撑，一般采用门式、人字式支撑，以免与管道碰撞。

4　压缩机组基础设置

4.1压缩机组布置

压缩机组布置应尽量考虑其主要扰力方向（如活塞运动方向）平行于建筑物刚度较大的方向，厂房伸缩缝见表1。

表1　伸缩缝最大间距

4.2压缩机基础设置

根据压缩机厂家提供基础及荷载分布条件进行压缩机基础设计，一般压缩机基础采用现浇钢筋混凝土结构。由于压缩机种类不同，压缩机基础的型式通常分为3种类型：构架式基础、大块式基础、墙式基础；有的还要求做成多台压缩机联合基础或多层构架式压缩机基础。压缩机基础设计应与厂房基础设计脱开，间距宜≥100mm。当场地为高压缩性软弱地基且设计需要时，将高转速离心式压缩机基础与厂房基础共同设置在刚性底盘的整体筏式基础底板上。压缩机基础与压缩机操作平台应脱开，当操作平台钢梁或钢铺板必须搁置在压缩机基础上时，钢梁应设计成沿梁纵向可滑动的支座，而钢铺板应自由放置在压缩机基础上。压缩机基础混凝土宜一次连续浇筑完成，或只在压缩机基础底板的顶面留一道施工缝。压缩机基础选型应满足下列要求：对于高速旋转式压缩机，可采用构架式基础；对于螺杆式压缩机，可根据实际情况采用构架式、墙式或大块式基础；对于活塞式压缩机，可采用大块式或墙式基础。

4.3压缩机操作平台设置

压缩机厂房应根据生产要求设置操作平台。操作平台可布置成下列形式：厂房两侧为钢筋混凝土平台，中部有可拆卸或因通风要求而局部铺设钢格板或钢结构平台。压缩机基础与操作平台应该分离，互相独立，压缩机基础顶面宜与操作楼面平齐。操作平台宜沿压缩机周围、安装及检修部位布置。

压缩机厂房的设计是煤化工装置设计中的关键环节，在尽可能满足压缩机工艺和全厂总平面布置需求的前提下，严格按照国家现行有关标准进行设计，这也是工程师设计的出发点和目的。

5　结语

综上所述，压缩机厂房按国家现行标准规范设计是煤化工装置正常、稳定、长周期运行的基础。压缩机厂房的设计除满足工艺流程要求、压缩厂房设备、管道布置以及设备安装和维修要求外，还应满足建筑、结构稳定性等方面的设计要求，且符合国家现行标准规范中有关防火防爆、安全疏散等规定的要求。只有这样才能避免安全事故的发生，降低安全事故危害的程度，这也是工程师应承担的职责，从而确保煤化工装置安全、环保、稳定运行。

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［4］杨蕾.浅析压缩机排架厂房的设计［J］.纯碱工业，2012，49（5）：33-35.

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［6］GB50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［7］GB50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［8］GB50040—1996，动力机器基础设计规范［S］.

［9］GB50007—2011，建筑地基基础设计规范［S］.

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［11］GB50016-2014，建筑设计防火规范［S］.

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修改稿日期：2016-04-16

Brief Analysis on Architectural Design of Com pressor Shelter of Coal Chem ical Plant

WANG Shou-jian1，CHEN Jing2，ZHANG Ning2

（1.China National Chemical Engineering Corporation，Beijing 100007 China；2.Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Compressor shelter design based on currentnational codesand standards is the base to guarantee normal，stable and long-term run of coal chemical plant，especially when compressor shelter encounters hazardous factors as fire，explosion，poisonous and harmful gases during operation，it shall be capable to avoid accidentsand tomitigate the harm extentof the accidentasmuch as possible.This paper is focused on the importance of architecture and structure design of compressor shelter on assuring safe and stable operation of coal chemical plant.

coal chemical；compressor shelter；architectural structure；fire prevention and explosion prevention；design；safe operation

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.001

TQ536

A

1004-8901（2016）04-0001-04

汪寿建（1956年-），男，江苏无锡人，教授级高级工程师，中国化学工程股份有限公司总工程师，长期从事化工、煤化工工程设计、开发及技术管理工作。