PDH 裝置丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機系統(tǒng)設(shè)備布置及優(yōu)化

王文杰 許宏虎 文圣舉

惠生工程（中國）有限公司北京分公司配管室 北京 100102

丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機系統(tǒng)是PDH 中的重要組成單元，主要作用使丙烯與丙烷及其他重組分分離，得到純凈的丙烯產(chǎn)品。探討該系統(tǒng)的設(shè)備布置，總結(jié)經(jīng)驗，可以為今后的PDH 項目工程設(shè)計提供參考。

1 工藝流程簡介

從冷箱出來的液態(tài)烴經(jīng)過脫乙烷塔脫除掉乙烷及輕烴組分，經(jīng)SHP（選擇加氫工藝裝置）脫除MAPD（二烯烴）后進入丙烯- 丙烷分離塔。塔底未轉(zhuǎn)化的丙烷經(jīng)換熱返回脫氫單元，塔頂丙烯經(jīng)熱泵壓縮機入口一級分液罐分液后進入熱泵壓縮機進行壓縮。熱泵壓縮機一級出口的丙烯，部分至丙烯- 丙烷分離塔再沸器作為熱源冷凝后，回流至丙烯- 丙烷分離塔；另一部分進入熱泵壓縮機二級入口分液罐，罐頂氣體進行二級壓縮。二級出口丙烯氣體經(jīng)丙烯后冷器冷卻后返回至熱泵壓縮機二級入口分液罐。熱泵壓縮機二級入口分液罐的液相丙烯，部分回流至丙烯- 丙烷分離塔，另一部分作為丙烯產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品泵送出界區(qū)。

2 丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機系統(tǒng)設(shè)備布置及優(yōu)化

2.1 設(shè)備布置

丙烯丙烷分離系統(tǒng)及熱泵壓縮機系統(tǒng)分別在分離單元東側(cè)的管廊兩側(cè)，分離單元按工藝流程順序布置在PDH 裝置的主道路東側(cè)中部，北臨原料精制單元，南側(cè)為反應再生單元，西側(cè)為壓縮單元。

丙烯丙烷分離塔直徑9.6m、塔高113m，是整個裝置最高的設(shè)備，布置在分離單元東北角，靠近裝置主道路，方便安裝及檢修。熱泵壓縮機與丙烯丙烷分離塔管道連接緊密，故將熱泵壓縮機布置在單元東南角，與丙烯丙烷分離塔相隔一條管廊。

布置要點：

（1）熱泵壓縮機為甲類可燃壓縮機，在布置時需要考慮防火間距的要求，甲類可燃壓縮機與其他甲類設(shè)備或廠房需要有9m 的防火間距。壓縮機的分液罐、緩沖罐、中間冷卻器以及其他與主體設(shè)備密切相關(guān)的設(shè)備，可直接連接或靠近布置。值得注意的是丙烯產(chǎn)品泵雖然在壓縮機系統(tǒng)中，但不屬于上述與主體設(shè)備密切相關(guān)的設(shè)備，需要滿足與壓縮機9m 防火間距。由于該壓縮機廠房為敞開廠房，不影響可燃氣體擴散，防火間距起始點可按照設(shè)備外緣確定[1]。本壓縮機的布置已經(jīng)充分考慮了防火事宜，滿足防火安全間距的要求。

（2）丙烷循環(huán)泵和丙烯產(chǎn)品泵為液化烴泵，不易布置在管廊或者可燃液體設(shè)備下方[2]。

由丙烯丙烷分離塔塔頂去一級分液罐的汽相管線為60 寸，考慮到管線從塔頂下來后的柔性，把丙烯丙烷分離塔及其再沸器與壓縮機廠房及分液罐分別布置在管廊兩側(cè)，這樣管廊頂有空間可以布置壓縮機出口防喘閥。按照專利商（UOP）要求，丙烯丙烷分離塔再沸器對稱就近布置在丙烯丙烷分離塔四周。由于液化烴泵不宜布置在管廊下，為方便進出口管道布置，丙烷循環(huán)泵及其操作平臺布置在丙烯丙烷分離塔及管廊中間。

考慮壓縮機的安裝及檢修，壓縮機廠房布置在該區(qū)東南側(cè)靠近道路。壓縮機一級二級分液罐就近布置在壓縮機廠房附近。按照工藝流程，考慮經(jīng)濟性，產(chǎn)品泵布置在二級分液罐旁邊靠近管廊出界區(qū)處，使得保證產(chǎn)品泵入口管道短阻力降小的前提下，使泵出口去罐區(qū)管道盡量短。

2.2 設(shè)備布置優(yōu)化

（1）丙烯丙烷分離塔再沸器布置優(yōu)化。

丙烯丙烷分離塔有四臺并聯(lián)的再沸器，為方便換熱器抽芯及檢修，基礎(chǔ)設(shè)計時四臺換熱器兩兩對稱布置在丙烯丙烷分離塔東西兩側(cè)。

兩側(cè)再沸器進出口管線分別匯合后再與塔的管口相接，這樣就間接抬高了集合管的高度，增加了管線支撐的難度。在已建PDH 項目中丙烯丙烷分離塔再沸器返回管線極易出現(xiàn)震動，此布置方案也增加了管道震動的風險。 在設(shè)計過程中把四臺再沸器分別對稱布置在丙烯丙烷分離塔的四周，由于丙烯丙烷分離系統(tǒng)西側(cè)還有其他設(shè)備，這樣會影響西側(cè)兩個再沸器抽芯，最終更換再沸器的形式為固定管板高效再沸器避免了抽芯問題。此方案中四臺再沸器嚴格對稱，更滿足專利商對再沸器的對稱要求，見圖1。

圖1 優(yōu)化后設(shè)備布置

（2）熱泵壓縮機系統(tǒng)布置優(yōu)化。

由于分離單元占地面積有限，冷箱和熱泵壓縮機無法同時布置在分離單元。基礎(chǔ)設(shè)計時的布置方案為：冷箱系統(tǒng)布置在分離單元東南角；熱泵壓縮機布置在壓縮單元的北側(cè)，與反應氣壓縮機并排布置，壓縮機集中布置，方便檢維修。

冷箱系統(tǒng)與分離單元其他設(shè)備連接的兩條10 寸的碳鋼管線，熱泵壓縮機系統(tǒng)與分離單元其他設(shè)備主要連接管線有60 寸、40 寸、20 寸、16 寸、12 寸的碳鋼管線各一根熱泵壓縮機系統(tǒng)與分離單元的聯(lián)系明顯要比冷箱系統(tǒng)的更加緊密。在詳細設(shè)計過程中，將熱泵壓縮機系統(tǒng)與冷箱系統(tǒng)的位置互換，熱泵壓縮機布置到丙烯丙烷塔南側(cè)，冷箱系統(tǒng)布置到壓縮單元。

3 壓縮機廠房及附屬設(shè)備布置

3.1 壓縮機廠房高度設(shè)計

（1）壓縮機基礎(chǔ)高度的設(shè)定。

要點：該熱泵壓縮機的安裝高度（基礎(chǔ)高度）設(shè)定主要考慮其本身構(gòu)造的特點、附屬設(shè)備的數(shù)量及尺寸、進出口管線的布置要求、管道凈空、過濾器的安裝操作空間以及彈簧高度要求。

該熱泵壓縮機和汽輪機均是采用下進下出的方式。由于項目選用背壓式汽輪機做驅(qū)動，沒有冷凝冷卻器和凝結(jié)水泵，因此壓縮機安裝高度可以適當放低。進出口管線需要滿足壓縮機廠商的5 倍管徑直管段要求。此外，壓縮機入口管線CCD 要求最小凈空2500mm（積液包+ 液體收集管）。

綜合考慮壓縮機廠家直管段要求、管道及過濾器凈空要求、過濾器安裝檢修、及液封冷凝器，得出壓縮機基礎(chǔ)最嚴苛高度H。

H15 倍管徑直管段（6750mm）+ 法蘭厚度（350mm）+CCD 要求最小凈空（2500mm）+ 過濾器高度（1700mm）-管口相對與壓縮機底板高度（425mm）=10875mm。

最終壓縮機安裝高度設(shè)定為11m，見圖2。

圖2 壓縮機基礎(chǔ)高度核算圖

（2）高位油箱的布置。

廠家要求高位油箱的布置需距離壓縮機軸中心高度大于等于6.3m，最終高位油箱布置高度為20m。

H2（高位油箱支撐點高度）=6.3m（廠家要求高位油箱和壓縮機軸中心最小高差）+2.4m（壓縮機軸中心距設(shè)備底板高度）+11m（壓縮機基礎(chǔ)高度）=19.7m。

（3）壓縮機廠房吊裝機具及其高度的確定。

壓縮機廠房吊裝機具的選擇主要考慮最大檢修部件的重量，該廠房的最大檢修部件為壓縮機蝸殼, 重量為38.8t，宜選用電動橋式吊車。該項目選用型號為QY 型50/ 10t 橋式起重機,最大起重質(zhì)量為50t。吊車高度首先要滿足制造廠的要求，其次要考慮吊裝最大部件以及機組最高部件的高度。壓縮機廠家要求吊鉤高出軸中心至少高出5.2m，汽輪機最高部件高出軸中心2.9m（吊裝壓縮機蝸殼需要越過汽輪機最高點才能送至吊裝區(qū)域），壓縮機軸中心距離壓縮機基礎(chǔ)2.4m。

實際吊車最小起吊高度H3= 壓縮機蝸殼最小起吊高度5200mm+[汽輪機最高點（相對于軸中心）2900mm-壓縮機本體最小起吊高度實際位移900mm（壓縮機本體最小起吊高度2500mm- 壓縮機蝸殼高度1600mm）]+ 壓縮機軸中心距離壓縮機基礎(chǔ)高差2400mm+ 壓縮機基礎(chǔ)標高11000mm=20795mm。

依據(jù)以上公式得出吊車起吊高度最少為20.795m，另外考慮吊鉤和吊車梁有750mm 的高差及裕量，最終確定吊車軌頂標高為EL 22.000m。綜合以上三點，我們最終確定壓縮機廠房高度為EL25.000m。

3.2 壓縮機附屬設(shè)備、操作檢修平臺及吊裝孔的布置

該熱泵壓縮機廠房采用雙層布置，見圖3。

圖3 壓縮機廠房平面圖

上層布置壓縮機汽輪機機組、干氣密封盤、汽輪機低壓蒸汽出口安全閥等，同時也作為機組操作檢修的平臺，平臺一側(cè)設(shè)置有檢維修時放置機組部件的場地，滿足放置機組最大部件并能檢修作業(yè)的需求。該機組最大部件為壓縮機蝸殼,尺寸為3m×5m。下層布置汽封冷卻器，同時下層兼具儀表的檢修及操作層。壓縮機上層操作檢修平臺設(shè)置為11.8m，平臺和壓縮機之間有800mm 的高差，該空間可以布置干氣密封管線和油管。

下層6.2m 有兩個平臺，2～3 軸平臺用于壓縮機出入口儀表的檢修，壓縮機二級入口管線彈簧的支撐等，為避免因壓縮機進出口震動導致廠房震動，此平臺生根在壓縮機基礎(chǔ)上；3～4 軸層平臺用于液封冷凝器布置、操作和檢修，汽輪機超高壓蒸汽及低壓蒸汽相關(guān)儀表閥的操作和檢修，與2～3 軸平臺連接處留50mm 縫隙。

干氣密封盤布置在11.8m 平臺靠近壓縮機處，干氣密封盤和壓縮機間留有安全通道；高位油箱為滿足制造廠的要求布置在廠房南側(cè)的20m 平臺上。考慮到油站及其冷卻器檢修操作，以及油站盡量靠近機組布置的要求，將油站布置在壓縮機廠房西側(cè)的雨棚中，雨棚南側(cè)緊靠道路，西側(cè)有抽芯和檢修場地。

吊裝孔的布置充分考慮最大吊裝進出組件的尺寸[3]。該廠房最大吊裝進出組件為壓縮機蝸殼, 尺寸為3m×5m。同時也考慮吊車行車死點以及吊裝組件進出廠房的空間，最終把吊裝孔設(shè)置在廠房東南側(cè)靠道路的位置。

4 結(jié)語

隨著石化行業(yè)的不斷發(fā)展，化工裝置越來越大型化、露天化、流程化和集中化。在進行裝置設(shè)備布置時，各設(shè)計要點需要全面考慮，從決定布置的關(guān)鍵點入手，結(jié)合裝置自身的特點，調(diào)整優(yōu)化布置，實現(xiàn)工藝流程更加順暢，設(shè)備布置更加合理美觀。在配管設(shè)計過程中，在充分理解了工藝原理的前提下，結(jié)合設(shè)備布置和管道設(shè)計規(guī)范以及專利商的特殊要求，根據(jù)裝置的實際情況，對該系統(tǒng)進行多方面綜合研究和考慮，在滿足安全和工藝要求的基礎(chǔ)上積極進行優(yōu)化，使裝置更加經(jīng)濟、安全、合理。