分餾塔區(qū)配管設(shè)計(jì)

楊 庶

(中石化廣州工程有限公司, 廣東 廣州 510000)

加氫裂化是重油輕質(zhì)化的支柱工藝技術(shù)之一。隨著生產(chǎn)清潔燃料和煉化一體化形勢(shì)的不斷發(fā)展，加氫裂化裝置正在發(fā)揮越來越重要的作用。而精餾過程是該裝置獲得產(chǎn)品必不可少的手段，直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，分餾塔是獲得合格油品的關(guān)鍵設(shè)備之一，分餾塔合理的設(shè)備布置和管道設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

以某400萬噸/年加氫裂化裝置項(xiàng)目為例，分餾塔區(qū)包括進(jìn)料閃蒸罐、分餾塔、常一線柴油汽提塔、常二線柴油汽提塔。分餾進(jìn)料加熱爐前設(shè)置閃蒸罐，避免兩相流的分配，并減小加熱爐的負(fù)荷。分餾塔則實(shí)現(xiàn)精餾過程，將液化石油氣(LPG)、石腦油、常一線柴油，常二線柴油進(jìn)行初步分離。汽提塔則將常一線柴油和常二線柴油汽提出來，并提高其閃點(diǎn)和初餾點(diǎn)。

1 平面布置

1.1 分餾塔區(qū)平面構(gòu)成

分餾塔、進(jìn)料閃蒸罐、汽提塔、宜按流程集中布置。如圖1所示，西側(cè)為裝置道路，北側(cè)為管橋，東側(cè)為分餾構(gòu)架，南側(cè)為裝置邊界。分餾塔和進(jìn)料閃蒸罐中心線對(duì)齊，靠近管橋布置。常二線柴油汽提塔與分餾塔中心線對(duì)齊布置，且位于分餾塔的南側(cè)。常壓一線柴油汽提塔與常壓二線柴油汽提塔中心線對(duì)齊布置，且位于常壓二線柴油汽提塔的西側(cè)。

1.2 平面布置的影響因素

為了使得分餾塔區(qū)設(shè)備最優(yōu)布置，不僅需要考慮其與管橋、構(gòu)架的相對(duì)位置，還需要確定內(nèi)部設(shè)備的相對(duì)位置。

1.2.1 塔間定位影響因素

(1)管線布置的影響

圖1 分餾塔部分平面布置Fig.1 Layout of fractionating tower area

①分餾塔連接的管線多，直徑大，多數(shù)管線與管橋連接，因此需靠近管橋布置。分餾塔的部分管線閥組大，塔平臺(tái)上的安裝及檢修空間不足，可以將這些管線及閥組布置在構(gòu)架上，因此分餾塔靠近構(gòu)架布置。

②閃蒸進(jìn)料罐罐頂氣去分餾塔管線的管徑為DN600，且含有調(diào)節(jié)閥組及安全閥組。考慮閥組的安裝及檢修空間，需將其放置于管橋平臺(tái)或者構(gòu)架平臺(tái)上，因此進(jìn)料閃蒸罐宜靠近管橋布置。

③兩個(gè)汽提塔分別與分餾塔有兩條管線連接，為了美觀，管線不宜交叉，因此宜東西軸線對(duì)齊布置在分餾塔的南側(cè)。

(2)平臺(tái)設(shè)置的影響

塔間距應(yīng)滿足平臺(tái)的設(shè)置，以保證管道、閥組、儀表的布置、安裝、操作及檢修所需的空間。例如，分餾塔與常二線汽提塔的間距受制于兩塔間調(diào)節(jié)閥組的布置。

(3)塔基礎(chǔ)

一般情況下，兩塔之間凈距不宜小于2.5 m[1]，以便敷設(shè)管道、設(shè)置平臺(tái)和獨(dú)立基礎(chǔ)。當(dāng)多塔集中布置時(shí)，通常設(shè)置聯(lián)合基礎(chǔ)，塔間凈距的下限為2 m。

(4)分餾塔塔內(nèi)件吊裝空間的考慮

分餾塔與閃蒸罐、常一線汽提塔之間保持合適的距離，塔間預(yù)留一定的空地，以供分餾塔塔內(nèi)件吊裝。

1.2.2 塔與管橋的間距

考慮泵的操作、檢修和配管要求，確定分餾塔塔外壁與泵基礎(chǔ)前端的間距為4.7 m。

1.2.3 塔與構(gòu)架的間距

分餾塔平臺(tái)的設(shè)置不應(yīng)妨礙構(gòu)架斜梯的設(shè)置。

2 塔安裝高度的確定

塔的安裝高度應(yīng)考慮以下幾方面因素。

(1)塔的基礎(chǔ)面一般宜高出地坪0.2 m。

(2)塔安裝高度應(yīng)滿足工藝要求。分餾塔操作壓力接近常壓，為0.11～0.13 MPa。在塔底泵開工或者切換時(shí)，塔底泵入口與塔底之間的高差必須充滿液體，因此塔的安裝高度應(yīng)滿足管道壓降和泵氣蝕余量的要求。

(3)在設(shè)置塔聯(lián)合平臺(tái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分平臺(tái)標(biāo)高接近。調(diào)整分餾塔和閃蒸罐的安裝高度，以便平臺(tái)取齊。

(4)為了使塔底管道合理通過管橋的某層側(cè)梁，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整塔的裙座高度。

3 開口方位的布置

塔的開口方位應(yīng)考慮以下幾方面因素。

(1)塔管開口方位的布置應(yīng)符合工藝條件，便于管道和閥門的操作和檢修。

(2)通常將塔的四周分為操作和檢修所需的操作側(cè)和配管所需的管道側(cè)。然而塔內(nèi)件復(fù)雜和開口數(shù)量多，有時(shí)候難以將上述兩側(cè)嚴(yán)格區(qū)分。

(3)分餾塔、常一線柴油汽提塔、常二線柴油汽提塔均為塔板塔，塔板為單溢流、雙溢流或四溢流。管口方位應(yīng)滿足塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求。

(4)開口方位設(shè)置應(yīng)避免管道交叉布置，保持管道布置美觀、整齊。

(5)有時(shí)調(diào)整管口方位，便于利用自然補(bǔ)償增加管道柔性，減小管嘴受力。分餾塔氣體進(jìn)料由進(jìn)料閃蒸罐頂而來，管徑DN600，操作溫度251 ℃，然而兩設(shè)備凈距為3.2 m。為了防止管嘴處于超應(yīng)力狀態(tài)或者使管口處的塔體局部凹陷，應(yīng)合理布置管嘴的方位。圖2中(b)方案與(a)方案相比較，管道在遠(yuǎn)離起止點(diǎn)的連線方向上增加了管線長(zhǎng)度和彎頭，從而增加了管系的柔性。

圖2 開口方位的比較Fig.2 The comparison of the nozzle orientation

4 塔聯(lián)合平臺(tái)的設(shè)置

如圖3所示，分餾塔區(qū)EL+9000層采用聯(lián)合平臺(tái)，將各塔平臺(tái)串聯(lián)起來，且與相鄰構(gòu)架用走橋連接起來。聯(lián)合平臺(tái)的設(shè)置方便檢修和操作，提高工作效率，并且美觀大方。在設(shè)置聯(lián)合平臺(tái)時(shí)，需要注意一下事項(xiàng)：

(1)應(yīng)在需要操作和經(jīng)常檢修的場(chǎng)所應(yīng)設(shè)平臺(tái)。

(2)聯(lián)合平臺(tái)的標(biāo)高應(yīng)根據(jù)各設(shè)備的人孔、管口的高度和檢修、操作的要求綜合考慮。必要時(shí)，可以合理調(diào)整個(gè)別管嘴或裙座的高度，以便形成聯(lián)合平臺(tái)。

(3)上下兩層平臺(tái)的凈空不應(yīng)小于2.2 m。部分平臺(tái)層高不足2.5 m時(shí)，可查看設(shè)備平臺(tái)梯子通用圖，以確定平臺(tái)支撐梁的大小。

(4)平臺(tái)的寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)備人孔、儀表、閥門及閥組的布置、檢修、操作情況綜合考慮。有時(shí)需要局部調(diào)整平臺(tái)寬度，例如閃蒸罐、分餾塔及汽提塔塔底切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較大的情況。

(5)如圖3所示，將聯(lián)合平臺(tái)與相鄰的框架用走橋連接起來，以方便檢修，也可作為一個(gè)安全疏散通道。塔區(qū)每層聯(lián)合平臺(tái)至少擁有兩個(gè)安全疏散通道。

(6)閃蒸罐底部有蒸汽外伴熱要求時(shí)，平臺(tái)梁無法焊接，因此該伴熱段不應(yīng)設(shè)置平臺(tái)。

(7)平臺(tái)的設(shè)置應(yīng)躲開塔的加強(qiáng)圈，以便平臺(tái)支撐梁的焊接。

圖3 塔EL+9000層聯(lián)合平臺(tái)Fig.3 Tower combined platform of elevation 9000

5 塔的管線布置

5.1 塔管線布置的一般原則

5.1.1 管線優(yōu)先布置原則

管道盡量布置在配管側(cè)，應(yīng)從塔的頂部到底部進(jìn)行規(guī)劃，并應(yīng)優(yōu)先布置塔頂管道，大直徑管道和有特殊工藝要求的管道，再布置壓力管道和一般管道，最后考慮塔底和小直徑[2]。

5.1.2 操作和安全性原則

管道布置要保證人身安全和方便人孔、儀表、閥門及閥組等的操作。

5.1.3 敷塔管線美觀設(shè)計(jì)的原則

沿塔垂直敷設(shè)的管道與設(shè)備外壁的水平距離宜按支架系列靠近設(shè)備外壁布置，且最好保持一致,且不宜交叉和盡量少穿平臺(tái)，使得設(shè)計(jì)大方美觀。

5.1.4 柔性設(shè)計(jì)原則

管道本身有熱脹冷縮，同時(shí)塔又對(duì)管道端點(diǎn)附加以位移，因此在管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證管道具有足夠的柔性來吸收位移應(yīng)變。

5.1.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則

在滿足管道柔性的基礎(chǔ)上，每條管線按照它的起止點(diǎn)都應(yīng)盡量短，減少管子、管件的數(shù)量和降低壓降，以降低成本和能耗。

5.2 柔性設(shè)計(jì)在塔管線布置中的應(yīng)用

為了防止由于管道的溫度、自重、內(nèi)壓和外載或因管道支架受限和管道端點(diǎn)的附加位移而發(fā)生因應(yīng)力過大或者金屬疲勞而引起管道破壞，管道連接處產(chǎn)生泄漏，管道推力或者力矩過大，使與其連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或者變形，影響設(shè)備正常運(yùn)行，或者管道的推力或力矩過大引起管道支吊架的破壞，管道應(yīng)具備足夠的柔性。本文通過以下幾種方法，增加管道柔性。

5.2.1 改變管道走向

對(duì)于平面管系欲增加其柔性，宜增加遠(yuǎn)離固定點(diǎn)連線的管子長(zhǎng)度。對(duì)于立面管系欲增加其柔性在遠(yuǎn)離端點(diǎn)連線的方向增加管子長(zhǎng)度，使圖形接近正方形。通常通過設(shè)置L型、Z型及π型補(bǔ)償器，以增加管道柔性。

(1)分餾塔頂管線柔性設(shè)計(jì)

神華寧煤加氫裂化項(xiàng)目的分餾塔塔頂氣管線直徑大，為DN900；分餾塔頂與空冷入口垂直距離大，因此敷塔段管線的垂直位移較大。如圖4所示，為了使管道具備良好的柔性，敷塔垂直段管線遠(yuǎn)離空冷布置，以增加水平段的長(zhǎng)度。

圖4 分餾塔頂氣管線局部示意圖Fig.4 Local scheme of top pipeline of fractionation tower

(2)分餾塔側(cè)線抽出管線柔性設(shè)計(jì)

如圖5為分餾塔側(cè)線抽出管線。正常工況下，分餾塔以裙座為基點(diǎn)向上的膨脹量與管道垂直段向下的熱脹量相近，不設(shè)置π型彎，即可實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償。但是在裝置停工的蒸汽吹掃狀態(tài)時(shí)，塔處于冷態(tài)，而管道處于熱態(tài)，且垂直段長(zhǎng)度為22 m，所產(chǎn)生的熱脹量很難吸收，會(huì)對(duì)設(shè)備嘴子或者構(gòu)架梁產(chǎn)生很大的推力，容易發(fā)生泄漏或?qū)α涸斐善茐摹Ｒ虼嗽谪Q直管道上布置立π，以吸收垂直段熱脹，從而避免上述情況的發(fā)生。

圖5 分餾塔側(cè)線抽出管線局部示圖Fig.5 Local scheme of top pipeline of fractionation tower

(3)分餾塔氣體進(jìn)料管線柔性設(shè)計(jì)

圖2中(b)與(a)相比，管道在遠(yuǎn)離起止點(diǎn)的連線方向上增加了管線長(zhǎng)度和彎頭，從而增加了管系的柔性。

5.2.2 改變?cè)O(shè)備開口方位

(1)設(shè)備管口的柔性的利用

設(shè)備管口剛度在不同方向上不相同的、沿設(shè)備管口方向的剛度較大，而與設(shè)備管口垂直方向的剛度較小。因此沿設(shè)備管口較小的方向布置管道的主熱脹方向，可以充分利用設(shè)備管口的柔性，但是不能把管道的柔性矛盾轉(zhuǎn)移給設(shè)備管嘴。

(2)設(shè)備管口方位改變對(duì)管道布置的影響

作用與被作用是一對(duì)矛盾體，它們是相對(duì)的。如圖2所示，改變開口方位后的管線長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量增加了，從而增加管線的柔性。

5.2.3 改變管口連接方式

進(jìn)(出)料管道在同一角度有兩個(gè)以上的進(jìn)(出)料開口時(shí)，不應(yīng)采用剛性連接，應(yīng)采用柔性連接[3]。 然而，當(dāng)管道在同一高度有兩個(gè)管口進(jìn)(出)料時(shí)，管道應(yīng)該采用那種連接方式？分餾塔氣體進(jìn)料采用雙管口進(jìn)料，管口處管線的連接方式分別采用圖6中(a)和(b)，管嘴受力如表1所示。由ASME B16.47查得A105的壓力-溫度曲線圖[4]查得，在設(shè)計(jì)溫度為350 ℃和法蘭壓力等級(jí)為PN5.0時(shí)，法蘭對(duì)應(yīng)的許用工作壓力為3.76 MPa。采用(a)和(b)布置時(shí)， 1、2管嘴的法蘭當(dāng)量壓力均小于許用工作壓力，滿足設(shè)計(jì)要求，但是(b)布置時(shí)管嘴2的受力大大降低。因此連接方式(b)仍然好于連接方式(a)。

圖6 氣體進(jìn)料管口連接方式的比較Fig.6 Comparison of different connection of gas feed nozzles

5.2.4 彈簧支吊架的應(yīng)用

彈簧支吊架對(duì)管道有一定的約束作用，同時(shí)又允許其沿約束方向有一定的位移。因此，將管道中的一些點(diǎn)的剛性支架改為彈性支架，能夠緩解支架的約束作用，從而增加管道的變形能力，也就是說增加管道的柔性。

(1)敷塔管道

分餾塔塔頂回流管線沿塔敷設(shè)48 m，剛性承重支架不足以承重，因此在垂直段的下1/3處增設(shè)彈簧支架。

表1 熱載狀態(tài)下管嘴受力結(jié)果Table 1 Stress result of nozzles under heat load state

注:法蘭的當(dāng)量壓力由下式計(jì)算：

PFD=P+Ped和

(1)

(2)

其中：PFD為法蘭當(dāng)量壓力(MPa)；P為介質(zhì)工作壓力(MPa)；Peq為由附加外在產(chǎn)生的當(dāng)量壓力(MPa)；M為由附加在法蘭連接處的彎矩(N·m)；DG為墊片壓緊作用中心圓直徑(mm)；F為附加在法蘭連接處的軸向力(N)[5]。

(2)跨塔支撐的管道

由于兩塔的熱脹量不同，有時(shí)需要在跨塔支撐處設(shè)置彈簧支架。

(3)跨構(gòu)架支撐管道

塔管道自身具有熱脹，塔熱脹又賦予管道端點(diǎn)以附加位移，而構(gòu)架為冷態(tài)，因此當(dāng)管道自然補(bǔ)償不足時(shí)，增設(shè)彈簧支架，見圖4中a點(diǎn)。

6 結(jié) 論

(1)綜合考慮塔間影響因素和塔區(qū)外部的影響因素，方可獲得最優(yōu)的塔區(qū)平面布置。

(2)塔安裝高度首先要滿足工藝要求，然后考慮平臺(tái)的設(shè)置及塔底管線去管橋的標(biāo)高。

(3)塔的開口方位在滿足工藝要求，操作、檢修及美觀，還應(yīng)滿足塔內(nèi)件的要求。有時(shí)，開口方位還應(yīng)考慮所連接管道的柔性。

(4)多塔集中布置時(shí)，宜設(shè)置聯(lián)合平臺(tái)，可與相鄰構(gòu)架用走橋連接起來，作為安全疏散通道。

(5)塔管線布置在滿足塔配管的一般性原則的基礎(chǔ)上，多采用自然補(bǔ)償和增設(shè)彈簧支吊架的方法，使得管線具備足夠的柔性。