加氫進料泵管道設計淺析

榮 春

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

加氫裂化工藝可以使減壓蠟油、焦化蠟油得到深度的處理，在現代油品升級中起到越來越重要的作用。加氫進料泵是加氫裂化裝置中的關鍵設備，其作用是將自原料油緩沖罐來的原料油升壓后送至熱高分換熱器，其特點為流量大，揚程高，泵軸功率大，配置復雜，可靠性要求高，一般備用率100%。該類泵操作溫度不高，一般在150℃上下，但出口壓力大，進出口管線大，是管道設計的難點之一。

本文以某蠟油加氫裂化裝置為例，對進料泵管道設計進行探討。該裝置采用UOP工藝包，主要操作條件見表1。該裝置設兩臺裂化反應進料泵，一開一備，主泵為進口泵，液力透平聯合驅動；備泵為國產泵，由異步電機單獨驅動。每臺泵配有單獨的潤滑油站。

表1 加氫進料泵進出口工況

1 進料泵平面布置

由于加氫進料泵的體積較大，一般在裝置主管廊的一側露天布置[1]，其優點是通風良好，便于檢修，利于消防。由于進料泵的操作壓力高，將泵布置在管廊外側，也可以使管道布置空間相對寬松，有利于進料泵出入口管線的柔性設計。進料泵與原料油緩沖罐盡量靠近布置。將泵與油站基礎前端取齊，既美觀也方便邊溝的設置。由于高位油箱有一定的高度要求，需要單獨設置操作平臺進行放置。進料泵和透平的檢修需要設置吊梁，故一般將其作為一個獨立的構架。平面布置圖如圖1所示。

圖1 加氫進料泵平面布置

2 進料泵管道受力計算

加氫進料泵是高速回轉機械，為了保證進料泵的長期、高效、安全運行，就必須保證管道對管嘴的作用力不應超過設備制造廠提出的允許受力值。當制造廠未提供該方面的數值時，可以參照美國石油學會標準API610[2]中關于離心泵管嘴受力的有關規定。API610在給出允許受力時，允許的聯軸器處的軸位移較大，對管嘴磅級，泵體結構等諸多因素未加區分，具有較大的保守型，一般按API標準的2倍核算[3]。

表2 進料泵管嘴允許受力

在該項目中，經過協商，進口泵和國產泵管嘴受力分別滿足不大于2.5，3倍API規定的數值。從而得到計算模型坐標系下，進料泵管嘴允許受力如表2所示。

3 入口管道設計

為了防止氣蝕的發生，應當盡量減少入口管道的壓降，縮短管道的長度，減少彎頭的使用量。入口管道設計宜采用步步低的設計原則，以免出現袋型。這就要求在進行裝置平面布置時，進料泵盡量靠近原料油緩沖罐布置，管線的應力通過管道的自然走向進行補償。

加氫進料泵入口頂進，入口管線盡量不要布置在泵和電機的正上方，以免影響檢修吊裝。入口管道在水平管上的變徑采用頂平安裝，目的是避免形成氣袋。泵的入口管線不能出現下U型，故應設置平臺操作泵入口閥門，且平臺不應妨礙泵的檢修。

由于入口過濾器需要經常拆卸清洗，要在過濾器后面加支架支撐。在閘閥前的支架前設置至少一米的直管段再變等級，這是因為高低壓等級的管線壁厚相差較大，在法蘭處變等級會使流體波動太大，引起管線震動。在滿足嘴子受力的條件下，宜設剛支，少設或不設彈簧，以增加管系的穩定性。

加氫進料泵入口管道布置如圖2所示。通過應力計算可以發現，過濾器后面的應力點有向上的位移，為了不使支架脫空，選用彈簧。閘閥前的支架沿管道方向位移較大，故選用低摩擦支架，減小水平摩擦力。由于管橋部分的水平管較長，導致位移較大，為減少主、備泵之間的相互影響，在兩泵中間的管橋處設置止推支架。

圖2 進料泵入口管道布置

表3 入口管嘴受力

不考慮偶然工況和兩泵同時運行時的操作工況，可得到入口管嘴最大受力如表3所示。從該表中我們可以看到，應力計算得到的入口管嘴受力滿足進料泵管嘴受力要求，該布置方案合理。

4 出口管道設計

原料油經進料泵升壓輸送至加熱爐，另外一路通過最小流量線返回至原料油緩沖罐。進料泵的出口管線操作壓力較進口管線增大近五十倍，溫度基本不變。壓力等級的提高使管線壁厚、剛度增大，管系產生的熱應力就會增大，降低管線的柔性，通過自然走向來消除應力變得非常困難。所以進料泵出口管線的設計研究具有一定的特殊意義。

為了便于出口線和最小流量線上的閥門進行操作，一般將閥組放在地面層。從管嘴出來的管線在構架上需要繞Π型彎加彈簧進行補償，從而可以吸收泵嘴初始熱位移和管線在垂直方向的熱位移。同時也要考慮出口管線上的質量流量計所需直管段要求。由于進料泵啟動時管道中會有部分氣體無法排出，在出口管線高點需設置防空閥，同時增加排凝，排放到進料泵的邊溝即可。

最小流量線上的減壓角閥前后壓差過大，流體流動的波動性較大，為了降低流體流動的不穩定性對管道造成的振動影響，減壓角閥后應有足夠的直管段(5DN～10DN)，且前后第一個支架應為防震管卡。同時減壓閥后的變等級最好設在與直管段相連的彎頭后。UOP工藝包規定角閥必須水平放置，由于模頭較長且重量很大，要考慮模頭的支撐及對管線應力的影響。

圖3 進料泵出口管道布置

加氫進料泵出口管道布置如圖3所示。從圖中我們可以看到，與進料泵出口管嘴相接的管線在構架上線先繞了一個彎后接到構架的一側。這主要考慮以下三點：躲避檢修吊梁，滿足孔板流量計直管段要求，增加管道柔性。出口管線在地面上的第一個支架采用止推支架，目的是限制地面管線熱脹對出口管嘴的推力。進口泵出口管線的應力點a在豎直方向沒有位移，選擇硬支；應力點b有向上的位移，故選用彈簧。國產泵在構架上的應力點都有向上的位移，選用彈簧。

表4 出口管嘴受力

管嘴受力如表4所示。從該表中我們發現，進口泵出口管嘴只有Fx值滿足要求，其余都要比允許值要大。尤其是Fy是允許值的2倍，Mx是允許值的3倍。通過分析應力點位移和作用力的方向，不難理解，立管的熱脹量較大，管嘴位移量很小，構架上的水平管起到了'蹺蹺板'的作用，使管嘴的Fy/Mx增大。國產泵出口管嘴只有Mx/Mz不滿足要求，這是由于泵的平面布置導致國產泵出口管線為了保證孔板流量計的直管段要求，要繞更大的彎。從而南北方向的長度要長，管道柔性相對較好。故國產泵的出口管嘴受力相對較小，但由于力臂增大，力矩還是較大。

一般來講，當固定點位置一定時，增加管系長度和彎頭數量可以增加管道柔性；管道在某一方向位移量過大時，通過增加與其垂直方向的管道長度進行吸收。所以我們可以考慮通過增加東西方向的管道長度，來吸收立管的熱脹量，減弱對管嘴的影響。適當增加彈簧，避免管道的'蹺蹺板效應'。

改進后的進料泵出口管道布置如圖4所示。從圖中可以看出，從管嘴出來的管線在構架上繞了一個Π彎，增加了東西方向的長度，管線在水平方向的位移通過平Π來吸收。由于構架上支撐點都有向上的位移，所以這幾個支架都是彈簧。管嘴受力如表5所示，從該表可以看出進口泵的Fy/Mx值，國產泵的Mx/Mz值明顯減小了，其它的值也都在允許范圍內。出口管嘴受力滿足進料泵管嘴受力要求，該布置方案合理。

圖4 改進后的進料泵出口管道布置

表5 改進后的出口管嘴受力

5 結束語

(1)加氫進料泵屬于長周期訂貨，在談技術協議階段，管道專業就要與制造廠商定泵嘴需要滿足的最大受力條件。

(2)加氫進料泵入口要充分利用平面布置，通過管道的自然走向進行補償。

(3)加氫進料泵出口是進料泵管道設計的難點，要充分考慮利用管道的柔性吸收熱脹，合理使用支架，保證管嘴受力限制在允許范圍內。