CO變換工序設備及管道布置特點研究

袁錦瑞

(中國五環工程有限公司，湖北　武漢　430223)

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CO變換工序設備及管道布置特點研究

袁錦瑞

(中國五環工程有限公司，湖北武漢430223)

以河南某煤制醋酸項目的CO變換裝置為例，對CO變換工序的工藝流程及工序特點做了簡要介紹，并在詳細了解工藝流程特點及現場制約的基礎上，對裝置的設備布置做了合理設計；根據設備布置特點及工藝要求，對工序內的重要管道、公用物料站的布置進行了分析，并就如何合理的設置管架這一問題進行闡發，探討了設計時的注意事項。

CO變換；設備布置；管道布置；管架設計

CO變換是以煤為原料制備化工產品流程中的重要工序流程，其功能是調節粗煤氣組份中的碳氫比例[1]。當前煤化工在我國經濟發展中占有較大比例，諸多煤制甲醇、煤制乙二醇、煤制醋酸等工廠先后在國內各地投產并獲利，為促進經濟的快速發展作出了貢獻。

CO變換裝置內高溫高壓管道較多，對設備、管道布置要求嚴格；在CO變換裝置內，科學合理的設備、管道布置不僅是實現工藝過程的關鍵，也是確保系統運轉平穩、生產操作安全的重要保障。根據不同的工藝流程及現場條件限制，CO變換可采取的設備、管道布置也多種多樣；本文根據河南某煤制醋酸項目的CO變換工序，簡要探討CO變換的設備及管道布置特點；

1　CO變換工藝特點及簡介

1.1CO變換工藝流程簡介

本項目采用耐硫寬溫變換工藝，工序主要由四個部分組成，分別為粗煤氣提純、變換工段，余熱回收工段及催化劑激活工段；其中，粗煤氣提純、變換工段為CO變換工序的核心，包括原料氣分離器、變換爐等核心設備；余熱回收工段的主要作用是回收變換系統產生的熱量，用以加熱原料氣、鍋爐水及產生中壓及低壓蒸汽以回收熱能；催化劑激活工段的功能是在開工階段利用高溫氮氣及二硫化碳對變換爐的催化劑進行激活，主要設備包括CS2儲槽、開工加熱器及氮氣鼓風機等。

CO變換工序的簡要流程為：從氣化工序產生的粗煤氣經凈化加壓后進入變換工序；粗煤氣在工序中首先進行過濾分離去除灰份及水份，然后進入低壓廢熱鍋爐回收熱量；降溫后的粗煤氣進入1#、2#煤氣分離器繼續除液，然后進入第一變換爐發生反應。反應后的變換氣經預熱器降溫后進入淬冷過濾器進一步降溫除水，然后進入第二變換爐繼續發生反應。反應完畢后變換氣進入廢熱鍋爐及除鹽水預熱器回收熱量，變換氣降溫后進入分離器進行分離除液然后進入下一工序。其工藝流程方框圖見圖1。

圖1　耐硫寬溫變換工藝流程方框圖

1.2CO變換工藝特點

(1)工序內內高溫管道多；高溫管道包括主工藝管道(特別是變換爐出口管道溫度高達450 ℃)，催化劑升溫活化管道及蒸汽管道；

(2)無袋型要求多；主工藝管線(粗煤氣管、變換氣管)內含有較多的水蒸汽，在經過熱量回收設備(廢熱鍋爐、預熱器等)后將產生較多的冷凝液，管內冷凝液的產生不僅對管道本身產生腐蝕，嚴重情況下還會形成水錘,引起管道的震動，造成破壞。所以可能產生冷凝液的管道在配管時一定要遵循“步步低”的要求進行管道布置。

2　CO工序設備布置

2.1裝置的防火等級確定

根據《石油化工企業設計防火規范》(GB50160-2008)[2]，水煤氣屬于乙類可燃氣體，CS2屬于甲B類可燃液體，本裝置火災危險等級為甲級。

2.2設備布置要求

CO變換裝置設備布置除遵循法規及強制性標準規范及相關標準規范的要求外，還應滿足工藝專業的特殊要求，并遵守如下基本原則[3]：

(1) 根據業主要求及現場制約進行布置；

(2) 滿足設備的安裝、操作、檢修要求；

(3) 力求經濟合理，注意布置的外觀管美；

(4) 滿足“露天化、流程化、集中化、定型化”的要求。

2.3設備布置簡介

根據工藝流程特點及實際場地制約，設備采取露天地面聯合混凝土框架的布置方案。工序內設置3層混凝土框架一個，層高分別為EL0.000、EL7.000及EL12.000，余熱回收及過濾裝置布置于框架內；反應裝置、開工加熱裝置采用露天布置，其中原料氣分離器、過濾器放置于框架東側，變換爐、煤氣預熱器、開工加熱裝置布置于框架西側。變換工序北側為裝置內管廊，聯通其他工區，南側為廠區道路，方便設備的日常維護及檢修。設備布置方案見圖2～圖4。

圖2　EL0.000層面布置

圖3　EL7.500層面布置

圖4　EL14.000層面布置

如圖2～圖4所示：煤氣分離器、變換氣分離器布置于EL0.000平面，方便設備檢修及填料更換。脫鹽水預熱器、高壓蒸汽減溫減壓裝置布置于EL7.000平面，方便設備吊裝及抽芯檢查。廢熱鍋爐、變換氣水冷器布置于框架頂層(EL14.000平面)，方便設置安全閥、放空蒸汽消聲器等大型管道附件，同時也方便管道的無袋型設置。第一、第二變換塔并排布置在框架與催化劑活化設備之間，串聯兩個工段；氮氣鼓風機、二硫化碳儲槽等就近布置在變換塔的西側，整個布置緊湊美觀，空間利用率極大。

3　CO變換管道布置特點

3.1CO變換工序管道特性

(1) 根據《壓力管道安全技術監察規范》(TSG D0001-2009)[4]，工序內主工藝管道、催化劑活化管道皆為GC1類管道，由于管內介質溫度、壓力高，對管到的焊接、安裝有較高要求。

(2) 裝置內主要物料管線多采用大口徑、大壁厚的鉻鉬合金鋼管道，溫度膨脹系數較大，對管系柔性有較高要求。

(3) 管系多采用彈簧支架，對管道凈距要求較大。

(4) 來自于氣化工序的水煤氣管道內含較多雜質，故很多管線要求設置坡度，配管時應按照P&ID要求設置坡度。

3.2管道布置原則

(1) 管道布置首先要滿足P&ID的要求；并應符合現行法律、法規、標準、規范的要求。

(2) 布置管道時要留有足夠的通行空間，要預留閥門、儀表等的操作、檢修空間，并不得阻礙逃生通道；

(3) 管道宜集中成排布置于管廊或地面架空層，并應靠近柱子或梁，以便于設置支架；

(4) 在滿足應力要求的前提下，應保證管道盡量短，組成件最少，以節約投資；

(5) 管道應盡量做到步步低或步步高，減少氣袋、液袋，無法避免時，應增加放空、導淋；

(6) 框架內布置管道時要做到空間層次感分明，首先確定大口徑管道及主要工藝管線的走向，然后確定小口徑管線及公用物料管線的走向。

(7) 根據實際布置，設置軟管站、公用物料站等輔助設施，方便裝置的檢修及開車；

對于本裝置，裝置內管道壓力大、溫度高、保溫層較厚，所用管架彈簧支架較多；布置管道時要計算好管道的空間需求，避免出現管架無法安裝、保溫層打架的情形；對于框架內的管道，應按照P&ID要求進行無袋型布置，管道靠近梁、柱，并充分利用框架內的高度分層、分類的布置管道；對于地面上的管道，除有特殊要求外，最好集中架空敷設，統一設置支架及閥門的操作、檢修平臺，不宜對操作人員的通行造成阻礙；

4　支架設置

管道支架是裝置內管系得以正常運行的保障，如何正確合理的設置管架是每個合格的管道工程是必須掌握的基本知識。管架大體可分為承重性、限制性、減振性三類支架。就變化裝置來說，涉及到的主要為承重架及限制性支架，在設置管架時，要注意如下事項：

(1) 管架的生根；在混凝土框架內，管架經常采用的生根方法有：預留管墩(地面)、預埋鋼板或型鋼(梁、柱及樓板)、采用膨脹螺栓及采用環抱形構件連接支架與結構等。由結構專業按照管道專業提出的條件設置預埋件是最為穩妥可靠的支架生根方式。膨脹螺栓及抱柱式結構可以作為預埋件遺漏后的補充，但也需要結構專業的校核。對于遺漏的大載荷支架，需由結構專業計算后方能設置。

(2) 管道支架位置的確定；管道設計人員在布置管道時應同時考慮支架位置及支架設置的可能性、合理性及經濟性。對于非應力管線，管架位置可以根據管道的最大跨度間距[5]及框架內有利的支架生根位置確定。對于應力管線，應嚴格按照應力計算結果設置支架并保證支架形式符合計算要求。一般來說，經常設置管架的位置包括：允許跨距內的水平及垂直直管段、垂直布置的彎頭下方、大型閥門等集中載荷附近、敏感設備管口附近等。管架不宜設置在閥門、膨脹節等管道組成件上，設置管架時也應避免管道上原有焊縫的影響。

(3) 特殊管架的設置；特殊支架是相對標準支架進行定義的，所謂標準支架是指標準HG/T 21629中包括的支架。管道系統內大部分支撐功能可由標準HG/T 21629中選取標準支架進行組合得到。但也有一些功能復雜或依托現有結構無法實現支撐的支架需要管道設計人員進行專門設計，例如，系統內某根水煤氣管道直連煤氣分離器管口，由于該設備管口應力要求嚴格，經計算后需在管口附近設置彈簧承重架及導向架；設置支架位置如圖5所示；設計人員根據管子走向及現場實際情況，設計如圖6管架，很好的滿足了支撐要求。

圖5　特殊支架位置

圖6　特殊支架圖

5　結　論

CO變換裝置內設備、管道的溫度壓力較高，工藝要求也較多，對負責設備及管道布置的設計人員有較高要求；本文根據CO變換單元的工藝特點及裝置的防火等級，結合項目實際情況，簡要探討了裝置內設備及管道布置時應注意的事項，并對裝置內管架的設立位置、設置方法進行了總結，可作為相關人員設計CO變換裝置時的參考，對其他高溫、高壓設備及管道的布置也有一定的借鑒作用。

[1]張建宇,呂待清. 一氧化碳變換工藝分析[J].化肥工業,2000,27(5):26-32.

[2]李蘇秦,胡晨,董繼軍. 石油化工企業設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,2009:75-76.

[3]宋岢岢.壓力管道設計及工程實例[M].北京:化學工業出版社,2011:160-164.

[4]GB/T20801.1-2006 壓力管道規范-工業管道[S].北京:中國國家標準化管理委員會,2007.

[5]周國慶,辛田.化工工藝設計手冊(下冊)[M].北京:化學工業出版社,2009:149-156.

Study on Equipment and Piping Layout about CO Shift Conversion

YUAN Jin-rui

(China Wuhuan Chemical Engineering Corporation, Hubei Wuhan 430223, China)

According to CO shift conversion of a coal to acetic acid project in Henan, process flow and process character of CO shift unit were introduced. Based on its information and local limit, equipment layout was designed. According to requirements of equipment layout and process, the layout of key pipeline, pipe support and utilities station were discussed.

CO Shift conversion; equipment layout; piping arrangement; support design

TK264.9

B

1001-9677(2016)014-0159-03