任曉雯
(中國石化集團(tuán)洛陽石化工程公司配管室,河南 洛陽 471003)
催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)能量回收機(jī)組是催化裂化裝置的重要組成部分。隨著裝置的大型化及催化裂化原料的重質(zhì)化,再生器的溫度和壓力越來越高,主風(fēng)機(jī)耗功也相應(yīng)增大,為了充分利用再生煙氣的壓力能和熱焓,對于大中型重油催化裂化裝置都采用煙氣能量回收系統(tǒng)來補(bǔ)充耗功并發(fā)電,供裝置內(nèi)使用或并入電網(wǎng),從而達(dá)到降低裝置能耗,節(jié)約成本目的。
在催化裂化裝置中,由三級旋風(fēng)分離器,能量回收機(jī)組等組成的系統(tǒng)稱為煙氣能量回收系統(tǒng),而由煙機(jī)、主風(fēng)機(jī)、電動發(fā)電機(jī)組成的機(jī)組則被稱為煙氣能量回收機(jī)組。管道設(shè)計專業(yè)對能量回收系統(tǒng)的設(shè)計,主要包括機(jī)組及設(shè)備的布置和煙氣管道、主風(fēng)管道、潤滑油管道等的設(shè)計,而煙氣管道的設(shè)計在能量回收系統(tǒng)設(shè)計中,起著十分重要的作用。煙氣管道的設(shè)計是否合理,直接影響著煙氣輪機(jī)的正常運行和使用壽命,本文主要討論煙氣管道的配管設(shè)計。
煙氣管道的管道直徑大,一般為DN800-DN3000;介質(zhì)(煙氣含少量催化劑顆粒)溫度高,一般為670℃~750℃;且與之相接的煙機(jī)嘴子受力要求又十分嚴(yán)格。此類管道設(shè)計條件苛刻,技術(shù)含量高,需要考慮的因素多,從而使煙氣管道的設(shè)計具有一定的難度。因此煙氣管道的布置原則為,在保證安全運行的前提下,減少煙氣在管道中的溫降和壓降,以提高能量的回收率,同時盡可能地節(jié)省投資。煙氣管道主要包括連接再生器、三級旋風(fēng)分離器、煙機(jī)、水封罐和余熱鍋爐的管道。其中主要設(shè)備的布置如圖1所示。
圖1 煙氣管道及設(shè)備布置示意圖
考慮到煙機(jī)操作溫度高,轉(zhuǎn)速高,嘴子受力條件要求苛刻,設(shè)計難度大,以下僅對煙機(jī)的進(jìn)口管道(三級旋風(fēng)分離器至煙機(jī)管道)設(shè)計的具體方法進(jìn)行一些探討。
煙機(jī)入口管道的管內(nèi)介質(zhì)為高溫?zé)煔猓ㄆ渲泻?CO、CO2、SO3、H2S等腐蝕介質(zhì)),其溫度高達(dá)670℃~750℃,壓力為0.3Mpa,管徑通常為DN800-DN1600。由于其所處的特殊位置,該管道的設(shè)計優(yōu)劣,直接影響裝置的能耗及裝置的長、滿、優(yōu)、穩(wěn)生產(chǎn),其設(shè)計應(yīng)考慮以下幾點:
(1)管道材料必須滿足耐高溫及防腐蝕的要求;
(2)管系應(yīng)有足夠的柔性,使煙機(jī)入口嘴子受力滿足要求;
(3)盡量減少材料的數(shù)量,節(jié)省投資。為了滿足以上要求,設(shè)計中需采取相應(yīng)的措施。
為了防止襯里脫落,帶進(jìn)煙機(jī)而損壞其動、靜葉片,該管道采用熱壁管道設(shè)計,且對管材的選擇具有較高的要求,通常采用耐熱不銹鋼。下表為常用的三種不銹鋼的高溫性能數(shù)據(jù)。節(jié),垂直管道上設(shè)兩個單式萬向型膨脹節(jié),水平管道上設(shè)一個單式鉸鏈型膨脹節(jié),對于垂直和水平管道較長,熱脹量大的Z型管系,建議采用第一種補(bǔ)償方式;對于熱脹量較小的管系,采用第二種補(bǔ)償方式較為合適。利用波形補(bǔ)償器的角變形來吸收管道各個方向的熱脹量,由于補(bǔ)償器的剛度系數(shù)很小因此變形后彈性反力也很小。為減少膨脹節(jié)的波數(shù)和降低熱態(tài)管道對煙機(jī)的推力,在水平和垂直管段上各留一個預(yù)拉口進(jìn)行冷緊,一般為50~100%預(yù)拉。
表1 三種常用不銹鋼的高溫性能
在以往的設(shè)計中,管材一般使用1Cr18Ni9Ti,該材質(zhì)具有較好的抗氧化性及防腐蝕性,材料中由于Ti的存在,具有抗晶間腐蝕的能力(主要指在停工時的露點腐蝕工況下),但Ti又是易被氧化的元素,它的存在將導(dǎo)致材料在高溫下機(jī)械性能下降,當(dāng)溫度達(dá)700℃時,該材質(zhì)的許用應(yīng)力僅為13MPa,為此,在滿足同樣溫度要求的情況下,管道壁厚較厚。
0 Cr19Ni9具有較好的機(jī)械性能和抗高溫氧化、抗腐蝕的性能。當(dāng)溫度達(dá)700℃時,該材質(zhì)的許用應(yīng)力為27MPa,但焊縫處抗晶間腐蝕的能力較差,在停工狀態(tài),易產(chǎn)生露點腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。
隨著催化裂化裝置摻煉重油、減渣比例的提高,原料中硫含量的增加,耐硫腐蝕應(yīng)引起足夠的重視。此外,氯離子腐蝕、露點腐蝕等,都嚴(yán)重影響著煙氣管道的使用壽命。為了解決這些問題,設(shè)計選用了316H作為該管道的材質(zhì)。這種材料具有較好的冷熱加工性能,焊接性能和抗腐蝕性能,且熱敏性低,當(dāng)溫度為700℃時,許用應(yīng)力為30MPa。
為使煙氣管道具有一定柔性,在進(jìn)行平面布置和管道規(guī)劃時,應(yīng)盡量使管系的走向與所有熱位移方向位于同一平面,即形成平面管系,但受環(huán)境限制,也可設(shè)計成立體管系,并將其分解成兩個平面管系進(jìn)行補(bǔ)償,各設(shè)一組三鉸鏈(也可以用一組復(fù)式萬向型膨脹節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償)。在平面L型管系中,采用一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié),對三維立體Z型布置采用兩種方式來吸收熱脹:(一)用固定支架在垂直管道上合適的位置將Z型管系分解成兩個二維平面"L"型,并在每個"L"型管系中各設(shè)一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié);(二)在三維立體Z型管道上設(shè)一組單式萬向型膨脹
下面以某煉油廠催化裂化裝置的煙機(jī)入口管道為例進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖2所示,該管垂管段較長28575mm,水平管段較短23720mm,且為立體管系,為了減少三旋嘴子的受力,在垂直管道中部設(shè)置固定承重支架,將該煙機(jī)入口管道分解為兩個平面管系,各設(shè)一組三個單式鉸鏈型膨脹節(jié)(膨脹節(jié)1-6),分別進(jìn)行補(bǔ)償。
圖2 煙機(jī)入口管道設(shè)計圖
為保證煙氣均勻地進(jìn)入煙機(jī),不產(chǎn)生偏流而影響煙機(jī)的動平衡,高溫蝶閥至煙機(jī)入口法蘭間的距離≥6DN。
在煙機(jī)入口前,應(yīng)留有短節(jié),以便于煙機(jī)的檢修,并在煙機(jī)入口的附近設(shè)一組復(fù)式萬向膨脹節(jié)7,以調(diào)節(jié)補(bǔ)償由于煙機(jī)基礎(chǔ)下沉或管道施工誤差而造成的煙機(jī)入口法蘭與管道法蘭的對中偏差,減少煙機(jī)入口法蘭受力,并在短節(jié)處設(shè)有恒力彈簧吊架(彈簧吊架6),以減少煙機(jī)嘴子的受力。
煙機(jī)入口的支架設(shè)置也非常重要,由于煙機(jī)的機(jī)殼為中心支撐,為保證其轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時的水平度,煙機(jī)進(jìn)口管道上的支架也采用中心支撐。故采用了中心支撐的擺式支架和滾動支架的支撐方式,熱脹位移過程中可保持管道中心位置不變,且摩擦力最小。如2中擺式支架1和擺式支架2,用以支撐高溫蝶閥及管道,同時在兩個高溫閘閥之間設(shè)置兩組彈簧吊架(彈簧吊架4,彈簧吊架5)以減少擺式支架的滾動摩擦力,從而減少煙機(jī)入口推力。由于煙氣入口管道采用三鉸鏈補(bǔ)償,膨脹節(jié)的制造間隙等原因,導(dǎo)致整個管系的側(cè)向不穩(wěn)定性,在風(fēng)載荷或其他外力的作用下,管系易產(chǎn)生擺動,從而,對煙機(jī)入口產(chǎn)生額外的力。為此在靠近彎頭處加合適的導(dǎo)向支架(導(dǎo)向支架1導(dǎo)向支架2),并留有足夠的管道徑向熱膨脹間隙。
為了開機(jī)前引入少量的煙氣預(yù)熱煙機(jī),在高溫閘閥和高溫蝶閥處設(shè)旁通線,以方便操作。為減少該管道對煙機(jī)入口的影響,該管道應(yīng)具有良好的柔性,隨煙機(jī)入口大管道一起移動,為此設(shè)置了三個彈簧吊架(彈簧吊架1、彈簧吊架2、彈簧吊架3)來承受該管的荷重。
當(dāng)煙機(jī)檢修停運時,高溫蝶閥前煙氣管道中存積冷能水,氯離子和亞硫酸根離子積聚,腐蝕不銹鋼管道和膨脹節(jié),所以在高溫閘閥前設(shè)置排凝線。
為了防止在暖機(jī)過程中出現(xiàn)熱拱現(xiàn)象和凝液被高速煙氣流攜帶入煙機(jī),高溫兩高溫蝶閥之間繞度最大處,增設(shè)低點排凝。
(1)水平管段應(yīng)從煙機(jī)入口開始依次向外施工,固定口應(yīng)選定在遠(yuǎn)離煙機(jī)管口的位置,先安裝管道支架,保證管道與煙機(jī)連接法蘭的良好對中,管道的重量和附加力矩不得作用在煙機(jī)上,最后一道焊口遠(yuǎn)離煙機(jī)。
(2)管道組焊之前,對管道和管件內(nèi)設(shè)置臨時支撐,以保證其橢圓度要求。
(3)應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求留出預(yù)拉口,并加臨時連接件固定,管道嚴(yán)禁強(qiáng)行組對,待整個管道連接找正后再安裝導(dǎo)向支架(導(dǎo)向支架1),并保證導(dǎo)向方向及導(dǎo)向支架預(yù)留間隙符合設(shè)計要求。
(4)拆除膨脹節(jié)的裝運螺栓及擺式支架定位銷后,再進(jìn)行管道的預(yù)拉組焊,并注意按照設(shè)計要求調(diào)整擺式支架角度及導(dǎo)向板間隙。
(5)管道施工完畢后,拆除彈簧定位銷,并松開煙機(jī)入口法蘭,檢查管道對中情況。
(6)對預(yù)拉后安裝的支架,管道先做臨時支撐,但不得影響預(yù)拉對接。
(7)拉伸過程中應(yīng)不斷測量拉伸口的距離,確保管道拉伸均勻,管道預(yù)拉要對稱用力。
(8)管道施工前,一定要認(rèn)真核對膨脹節(jié)鉸鏈板的安裝方位,導(dǎo)向支架和彈簧支吊架的安裝方位,一旦方位裝錯,會導(dǎo)致膨脹節(jié),彈簧或?qū)蛑Ъ苁А?/p>
本文討論了大型催化裂化裝置中煙機(jī)入口管道的配管設(shè)計方法,支架設(shè)置,施工過程中的注意事項。分析了高溫條件下管道強(qiáng)度降低、熱變形增大以及腐蝕介質(zhì)條件下,管道材料的選取、管系柔性設(shè)計、管道支吊架和膨脹節(jié)的布置等問題。同時,本文還提出了煙氣管道安裝時應(yīng)注意的問題,對以后進(jìn)一步優(yōu)化大型煉化裝置的配管設(shè)計有著一定的意義。
[1]陳俊武.催化裂化工藝與工程(第二版)[M].北京:中國石化出版社,2005.
[2]中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.石油化工設(shè)備設(shè)計便查手冊(第二版)[M].北京:中國石化出版社,2007.